Nuevos antimitóticos basados en sulfonamidas: diseño, síntesis y evaluación como agentes antitumorales y leishmanicidas

Abstract

[EN] Antimitotic agents, which are used as antineoplastics, antiparasitics, antifungals, and herbicides, block cell division by interfering with the mitotic machinery. Cancer and leishmaniasis are diseases that have a huge impact and whose treatments have multiple limitations. The main objective of this Ph.D. thesis is to design and synthesize new N-phenylbenzenesulfonamides aimed to bind to the colchicine domain in tubulin, and to evaluate their antitumor and antileishmanial activity. Microtubules are dynamic polymers built up by polymerization of α,β-tubulin dimers, they are highly involved in pivotal functions for cell survival such as the formation of the mitotic spindle, motility, and maintenance of cell shape, among others. Colchicine-site binding ligands are structurally simple small molecules, making them synthetically accessible. Furthermore, their small structure allows them to avoid resistance mechanisms mediated by membrane transporter proteins (MDR). Based on the described X-ray structures of protein-ligand complexes, the colchicine domain has been divided into 3 consecutive zones: zones 1, 2, and 3. The ligands designed in this work act by binding simultaneously to zones 1-2. For this purpose, they must be constituted by two aromatic rings connected to each other by a bridge of variable length that allows their arrangement in a cisoid and non-coplanar disposition, a premise that is fulfilled with the choice of the common N-phenylbenzenesulfonamide scaffold. This work has completed the design and synthesis of a focused library of 350 novel N-phenylbenzenesulfonamides in which numerousstructural modifications have been explored, varying both the substituents and the substitution pattern of both aromatic rings, and introducing a wide variety of substituents of different length and nature on the sulfonamide nitrogen. Despite tubulin is a highly conserved protein, there are some differences in the colchicine domain between mammals and Leishmania spp. These sequence differences have been exploited forthe selective design of ligands with antitumor and/or antileishmanial activity. The synthesized sulfonamide library was evaluated in vitro against human tumor cell lines and against extra- and intra- cellular stages of Leishmania infantum. Our results suggest that they exert their antimitotic activity by binding to the colchicine domain in β-tubulin. The assayed ligands were not substrates of MDR proteins, suggesting that they are not susceptible to MDR-mediated resistance. Furthermore, the aqueous solubility was appreciably higher than that of the reference ligands. The antitumor activity evaluation revealed many compounds with submicromolar and nanomolar cytotoxic potencies. During the study of the antitumor mechanism of action, compounds behaved as tubulin binding agents, causing a clear disruption of the microtubular network, the in vitro inhibition of tubulin polymerization and the arrest of the cell cycle in the G2/M region followed by apoptosis-mediated cell death. The antiparasitic activity evaluation achieved success rates of more than 10% and potencies similar or even greater than the reference drugs currently in clinical use. Therefore, we can conclude that this work contributes to the development of tubulin-binding antimitotic ligands, with potential application in antitumor or antiparasitic therapie

[ES] Los agentes antimitóticos, que se utilizan como antineoplásicos, antiparasitarios, antifúngicos y herbicidas, bloquean la división celular al interferir con la maquinaria mitótica. El cáncer y la leishmaniasis son enfermedades que tienen un enorme impacto y cuyos tratamientos presentan múltiples limitaciones. Este trabajo de Tesis Doctoral tiene como objetivo principal diseñar y sintetizar nuevas N-fenilbencenosulfonamidas que se unan al dominio de colchicina en tubulina, y evaluar su actividad antitumoral y leishmanicida. Los microtúbulos son polímeros dinámicos, formados por la asociación de dímeros de α,β-tubulina, que se encuentran implicados en procesos esenciales para la supervivencia celular tales como la formación del huso mitótico, la motilidad y el mantenimiento de la morfología celular, entre otros. Los ligandos de unión al dominio de colchicina en tubulina son moléculas estructuralmente sencillas y de pequeño tamaño, lo que las hace sintéticamente accesibles. Además,su estructura sencilla les permite evadir resistencias mediadas por proteínas transportadoras de membrana (MDR). Basándose en las estructuras de rayos X descritas de complejos proteína-ligando, el dominio de la colchicina se ha dividido en 3 zonas consecutivas: zonas 1, 2 y 3. Los ligandos diseñados en este trabajo actúan uniéndose simultáneamente a las zonas 1-2. Para ello, deben estar formados por dos anillos aromáticos conectados entre sí por un puente de longitud variable que permita su disposición cisoide y no coplanar, premisa que se cumple con la elección del esqueleto común de N-fenilbencenosulfonamida. Este trabajo ha dado lugar al diseño y la síntesis de una biblioteca de 350 nuevas N-fenilbencenosulfonamidas en las que se han explorado numerosas modificaciones estructurales, variando tanto los sustituyentes como el patrón de sustitución de ambos anillos aromáticos e introduciendo una gran variedad de sustituyentes de diferente longitud y naturaleza sobre el nitrógeno de la sulfonamida. A pesar de que la tubulina es una proteína altamente conservada, existen diferencias suficientes entre el dominio de la colchicina de mamíferos y el de Leishmania spp. Estas diferencias en las secuencias se han aprovechado para el diseño selectivo de ligandos con actividad antitumoral y/o leishmanicida. La biblioteca de sulfonamidas sintetizada ha sido evaluada in vitro frente a líneas celulares tumorales humanas y formas extra- e intra- celulares de parásitos de Leishmania infantum. Los resultados sugieren que ejercen su acción antimitótica por unión al dominio de colchicina en la β-tubulina. Los ligandos evaluados no fueron sustrato de las MDR, lo que sugiere que no son susceptibles de sufrir resistencias mediadas por MDR. Además, la solubilidad acuosa fue apreciablemente mayor que la de los ligandos de referencia. Los compuestos citotóxicos presentaron actividad antitumoral con potencias en el rango submicromolar y nanomolar. En el estudio del mecanismo de acción antitumoral los compuestos se comportaron como agentes de unión a tubulina, causando una clara desestabilización de la red microtubular, la inhibición de la polimerización de tubulina in vitro y la parada del ciclo celular en la región G2/M seguida por la muerte celular mediada por apoptosis. La evaluación de la actividad antiparasitaria alcanzó tasas de éxito de más del 10% y potencias similares o incluso mejores que los fármacos de referencia actualmente en clínica. Por lo tanto, podemos concluir que este trabajo contribuye al desarrollo de ligandos antimitóticos de unión a tubulina, con potencial aplicación en terapias antitumorales o antiparasitarias.

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