Phosphorescent heteroleptic iridium(III) complexes : applications for therapy and photodynamic therapy of cancer

Abstract

El cáncer es la segunda causa de muerte a nivel mundial y el número de nuevos casos diagnosticados sigue aumentando cada año. Los complejos octaédricos de iridio ciclometalados han despertado un gran interés ya que, además de presentar propiedades antitumorales, poseen una luminiscencia intrínseca, por lo que pueden ser utilizados simultáneamente en terapia y diagnosis. Además, debido precisamente a sus propiedades fotofísicas modulables, han surgido como prometedores agentes en terapia fotodinámica. La finalidad de esta tesis doctoral ha sido la síntesis y caracterización de nuevos complejos octaédricos de iridio(III) y el estudio de su potencial como fármacos anticancerígenos en terapia y fototerapia del cáncer. Este trabajo consta de ocho capítulos entre los que se incluye una introducción general (capítulo 1) y las conclusiones (capítulo 8). En el capítulo 2, se ha realizado un estudio de relación estructura-actividad (SAR) para la actividad antiproliferativa in vitro de nuevos complejos catiónicos de iridio del tipo [Ir(C^N)2(N^N)][PF6]. Hemos demostrado que el ligando auxiliar N^N (phen, dpq, dppz, dppn y dppz-izdo) afecta tanto a las propiedades fotofísicas como a la actividad antitumoral de los complejos. Los compuestos con dppn y dppz-izdo no muestran citotoxicidad en condiciones de oscuridad, pero se observa un aumento de la actividad cuando se irradian con luz azul, mostrando un marcado incremento de las especies reactivas de oxígeno (ROS) intracelulares. En el capítulo 3, se ha realizado un segundo estudio SAR modificando el ligando C^N basado en esqueletos de 2-fenil-, 2-(naftalen-2-il)- o 2-(tiofen-2-il)-benzimidazol en complejos de fórmula general [Ir(C^N)2(dppz)][PF6]. La producción de ROS investigada mediante ensayos de tinción con DHE y SOSG con los complejos que contienen azufre muestra que la generación de radicales superóxido compite con la producción de oxígeno singlete en las células en normoxia, pero se vuelve dominante bajo hipoxia. La importancia de este cambio de mecanismo fotoquímico de tipo II a tipo I por parte de los nuevos compuestos es que pueden activarse en todas las zonas del tumor, adaptando su mecanismo de acción en función de la concentración de oxígeno. En el capítulo 4 hemos observado que la introducción de un esqueleto de benzimidazol con grupos NH en el ligando auxiliar de los complejos [Ir(C^N)2(N^N)][PF6] da lugar a una citotoxicidad muy baja de estos en la oscuridad, una condición crucial para el diseño de fotosensibilizadores ideales. Los nuevos compuestos muestran una alta fototoxicidad por irradiación con luz azul en células cancerígenas de melanoma y de cuello uterino. Además, uno de ellos induce la muerte celular inmunogénica en células de melanoma y muestra una potente capacidad para inhibir el crecimiento de células madre cancerígenas solo si estas son irradiadas con luz. Por otro lado, la combinación de dos metales de transición Ir(III)-Pt(II) en una sola molécula en el capítulo 5 revela la prometedora actividad de este para superar la resistencia a fármacos como el cisplatino. El complejo dinuclear Ir(III)-Pt(II) es capaz acabar selectivamente con células cancerígenas de cuello uterino y de ovario resistentes al cisplatino, sin mostrar ningún efecto en células renales sanas. En el capítulo 6, se recoge la sintésis de un nuevo complejo de iridio para estudiar la prevalencia de la acción antitumoral al pasar de los modelos bidimensionales in vitro al entorno in vivo. Este compuesto que contiene un nuevo núcleo de 2-benzotiazol-il benzimidazol como ligando N^N, reduce el tamaño del tumor en la misma proporción que cisplatino en el modelo tumoral in vivo de C. elegans, pero siendo menos tóxico para los animales. Finalmente, en el capítulo 7, el diseño de complejos neutros luminiscentes de Ir(III) del tipo [Ir(C^N)3] e [Ir(C^N)2(C'^N')] demuestra la influencia de su naturaleza neutra en el estudio biológico. Estos complejos no pueden penetrar en la célula debido a su falta de carga. Por lo tanto, dos de ellos se han encapsulado utilizando nanocápsulas híbridas de poliuretano-poliurea para mejorar su biocompatibilidad, acumulación celular y acción citotóxica contra las células cancerígenas HeLa.

Cancer is the second deadliest disease globally, and the number of newly diagnosed cases keeps rising every year. Octahedral cyclometalated iridium complexes have aroused great interest since, in addition to presenting antitumor properties, they possess an intrinsic luminescence so that they can be used simultaneously in therapy and diagnosis. In addition, they have attracted much attention as possible photodynamic therapy (PDT) agents due to precisely their tunable photophysical properties. This thesis is outlined in the context of the synthesis and characterization of new octahedral Ir(III) complexes and the study of their potential as anti-cancer drugs in the therapy and phototherapy of cancer. The work has been structured in eight chapters, including a general introduction (chapter 1) and final conclusions (chapter 8). In chapter 2, a structure-activity relationship (SAR) study for in vitro antiproliferative activity of a new series of cationic iridium complexes of the type [Ir(C^N)2(N^N)][PF6] has been performed. We have demonstrated that the auxiliary N^N ligand (phen, dpq, dppz, dppn, and dppz-izdo) affects both the photophysical properties and the antitumor activity of the complexes. The complexes with dppn and dppz-izdo show no cytotoxicity under dark conditions, but an enhancement of the activity is observed under blue light irradiation with a marked increase in intracellular reactive oxygen species (ROS). In chapter 3, a second SAR study has been performed by modifying the C^N ligand based on 2-phenyl-, 2-(naphthalen-2-yl)- or 2-(thiophen-2-yl)-benzimidazole scaffolds in complexes of the general formula [Ir(C^N)2(dppz)][PF6]. The ROS production investigated by DHE and SOSG staining assays with sulfur-containing complexes shows that the generation of superoxide radicals competed with singlet oxygen production in cells in normoxia but became dominant under hypoxia. The importance of this switch from Type II to Type I photochemical mechanism by the new compounds is that they can be active in all areas of a solid tumor, adapting their mechanism of action according to the oxygen concentration. In chapter 4, we have observed that the introduction of a benzimidazole scaffold with NH groups in the auxiliary ligand of [Ir(C^N)2(N^N)][PF6] complexes results in very low cytotoxicity to their correspondent compounds in the dark, a crucial condition to be met for the design of ideal photosensitizers. The new complexes show high phototoxicity by blue light irradiation in human skin melanoma and cervix adenocarcinoma cells. In addition, one of these complexes induces immunogenic cell death in melanoma cells and shows a potent ability to inhibit the growth of cancer stem cells, only if the cells are irradiated by light. On the other hand, combining two transition metals in a single molecule in the dinuclear Ir(III)-Pt(II) complex of chapter 5 reveals the promising activity of this new compound to overcome resistance to drugs such as cisplatin. The Ir(III)-Pt(II) complex can kill cisplatin-resistant cervical and ovarian cancer cells, and exhibits no effect in non-tumorigenic normal renal cells, showing its better selectivity towards cancer cells. In chapter 6, a new cyclometalated iridium complex has been synthesized to study the antitumor action prevalence when moving from two-dimensional in vitro models to the in vivo environment. This compound containing a new 2-benzothiazol-yl benzimidazole core as N^N ligand reduces the tumor size as much as cisplatin in the in vivo C. elegans tumoral model, being less toxic for the animals. Finally, in Chapter 7, the design of luminescent neutral Ir(III) complexes of the type [Ir(C^N)3] and [Ir(C^N)2(C´^N´)] proves the influence of their neutral nature in the biological study. These complexes can’t penetrate the cell due to their lack of charge. Therefore, two of them were encapsulated using polyurethane-polyurea hybrid nanocapsules to improve their biocompatibility, cellular accumulation, and cytotoxic action against HeLa cancer cells.