Development of novel coumarin- and ruthenium-based photodynamic therapy anticancer agents

Abstract

La terapia fotodinámica (PDT, por sus siglas en inglés) es una modalidad terapéutica no invasiva para el tratamiento del cáncer. En esta terapia, se utiliza una sustancia farmacológica denominada fotosensibilizador que, cuando se irradia con luz, es capaz de convertir el oxígeno molecular en especies reactivas de oxígeno (ROS) citotóxicas, las cuales inducen la muerte de las células cancerígena. La principal ventaja de la PDT reside en que el uso de la luz permite controlar la acción farmacológica en el tiempo y en el espacio, logrando así dirigir selectivamente el tratamiento hacia el tejido tumoral. Sin embargo, la eficacia clínica de la PDT está limitada por la baja concentración de oxígeno presente en los tumores y por la escasa penetración de la luz en los tejidos biológicos. Esta tesis pretende explorar el desarrollo de diferentes familias de compuestos químicos como nuevos agentes fotodinámicos anticancerígenos con el fin de abordar algunas de las principales limitaciones de los fotosensibilizadores actuales. La Introducción consiste en una revisión intensiva sobre la PDT para el tratamiento del cáncer y sobre la investigación actual de fluoróforos orgánicos, complejos de metales de transición y conjugados metal-orgánicos como fotosensibilizadores. La sección de Resultados y Discusión se divide en 3 capítulos. En el Capítulo I se describe una familia de fluoróforos orgánicos basados en derivados de cumarina tipo COUPY, y se analiza su aplicabilidad como agentes PDT bajo irradiación de luz visible. Se llevó a cabo un estudio sistemático de los compuestos para establecer relaciones estructura-actividad que permitieron la ulterior identificación de tres candidatos con alta actividad fototerapéutica en células cancerígenas en condiciones de hipoxia y una baja toxicidad hacia las células normales. Se dilucidaron los mecanismos fotobiológicos de acción de estos compuestos mediante distintos ensayos celulares. El Capítulo II comprende el desarrollo de complejos ciclometalados de Ru(II) de tipo polipiridilo con fórmula [Ru(C^N)(N^N)2]+ como fotosensibilizadores activados por luz verde con alta eficacia anticancerígena en hipoxia. Por último, en el Capítulo III de este manuscrito se aborda el desarrollo de un nuevo fotosensibilizador basado en la conjugación de un complejo ciclometalado de Ru(II) polipiridilo con una cumarina COUPY que emite en la región del espectro del infrarrojo cercano (NIR). Los posteriores estudios espectroscópicos y fotobiológicos revelaron que este conjugado metal cumarina presenta una elevada fotoactividad frente a las células cancerígenas irradiadas con luz NIR en condiciones de hipoxia. Dado que la radiación de luz en el NIR es más penetrante, este fotosensibilizador podría servir para sortear tanto la limitación tanto de la penetración óptica en tejidos como la escasa actividad terapéutica de la PDT en condiciones de hipoxia. Este trabajo de investigación sienta las bases para el desarrollo de nuevos compuestos basados en cumarina y rutenio con elevada actividad fototerapéutica, y allana así el camino para la obtención de nuevos fotosensibilizadores activos en hipoxia y que operan en el NIR. En conclusión, esta Tesis ha contribuido a la investigación y desarrollo de nuevas clases de compuestos orgánicos e inorgánicos como herramientas anticancerígenas para la PDT.

Photodynamic therapy (PDT) is a clinically approved modality for the treatment of cancer. In this therapy, light is used to activate a pharmacological substance called photosensitizer (PS) and convert molecular oxygen into cytotoxic reactive oxygen species (ROS), which induce cancer cell death. The prospect of using this light-mediated anticancer strategy is attractive since it allows selective cancer targeting and low invasiveness owing to the spatial and temporal control over drug activation. However, the clinical therapeutic effect of PDT is greatly restricted by the low concentration of oxygen present in tumours (hypoxia) and the poor penetration of light into biological tissues. This Thesis explores the development of different families of chemical compounds as novel photodynamic anticancer agents aimed to address some of the major limitations of current PDT agents. The Introduction section includes an intensive revision of the state of the art in oncological PDT and in the current development of organic fluorophores, transition metal complexes and metal-organic conjugates as PSs. The Results and Discussion sections is divided into 3 chapters. The Chapter I presents a library of organic fluorophores based on COUPY coumarin derivatives and its applicability as PDT agents upon visible light irradiation. Through a systematic study, a structure–activity relationship rationale was established, which allowed the identification of three lead compounds with potent phototherapeutic anticancer activities under hypoxia and minimal toxicity toward normal cells. Acting as mitochondria-targeting compounds, their photobiological mechanisms of action were further elucidated. The Chapter II comprises the development of cyclometalated Ru(II) polypyridyl complexes of the formula [Ru(C^N)(N^N)2]+ as biologically-compatible green light photosensitizers with high phototherapeutic efficacy under hypoxia in cancer cells under short times of irradiation. Finally, the Chapter III of this manuscript addresses the development of a novel hypoxia-active PS based on the conjugation of a cyclometalated Ru(II) polypyridyl complex to a near infrared (NIR) NIR emitting COUPY coumarin. Spectroscopic and photobiological studies revealed that this metal-organic conjugate exhibits high photoactivity toward cancer cells after highly penetrating NIR light irradiation under hypoxia, which could circumvent tissue penetration issues and alleviate the hypoxia limitation of PDT. Overall, this research work sets the stage for the development of novel coumarin and ruthenium based photodynamic anticancer agents and paves the way to the obtention of highly potent, NIR- and hypoxia active PSs with advantageous chemical and biological properties. In conclusion, this Thesis contributes to the development of novel classes of organic and inorganic compounds as anticancer tools in PDT.