Experimental approaches in the targeting of photodynamic therapeutics

RÉSUMÉ : Chez l'homme, le manque de sélectivité des agents thérapeutiques représente souvent une limitation pour le traitement des maladies. Le ciblage de ces agents pour un tissu défini pourrait augmenter leur sélectivité et ainsi diminuer les effets secondaires en comparaison d'agents qui s'accumuleraient dans tout le corps. Cela pourrait aussi améliorer l'efficacité des traitements en permettant d'avoir une concentration localisée plus importante. Le ciblage d'agents thérapeutiques est un champ de recherche très actif. Les stratégies sont généralement basées sur les différences entre cellules normales et malades. Ces différences peuvent porter soit sur l'expression des molécules à leurs surfaces comme des récepteurs ou des transporteurs, soit sur les activités enzymatiques exprimées. Le traitement thérapeutique choisi ici est la thérapie photodynamique et est déjà utilisé pour le traitement de certains cancers. Cette thérapie repose sur l'utilisation de molécules qui réagissent à la lumière, les photosensibilisants. Elles absorbent l'énergie lumineuse et réagissent avec l'oxygène pour former des radicaux toxiques pour les cellules. Les photosensibilisants utilisés ici sont de deux natures : (i) soit ils sont tétrapyroliques (comme les porphyrines et chlorines), c'est à dire qu'ils sont directement activables par la lumière ; (ii) soit ce sont des prodrogues de photosensibilisants comme l'acide 5aminolévulinique (ALA) qui est transformé dans la cellule en protoporphyrine IX photosensibilisante. Dans le but d'augmenter la sélectivité des photosensibilisants, nous avons utilisé deux stratégies différentes : (i) le photosensibilisant est modifié par le greffage d'un agent de ciblage ; (ii) le photosensibilisant est incorporé dans des structures moléculaires de quelques centaines de nanomètres. Les sucres et l'acide folique sont des agents de ciblage largement établis et ont été utilisés ici car leurs récepteurs sont surexprimés à la surface de nombreuses cellules malades. Ainsi, des dérivés sucres ou acide folique de l'ALA ont été synthétisés et évalués in vitro sur de nombreuses lignées cellulaires cancéreuses. La stratégie utilisant l'acide folique est apparue incompatible avec l'utilisation de l'ALA puisque aucune photosensibilité n'a été induite par le composé. La stratégie utilisant les sucres a, par ailleurs, provoquée de bonnes photosensibilités mais pas d'augmentation de sélectivité. En parallèle, la combinaison entre les propriétés anticancéreuses des complexes métalliques au ruthénium avec les propriétés photosensibilisantes des porphyrines, a été évaluée. En effet, les thérapies combinées ont émergé il y a une dizaine d'années et représentent aujourd'hui de bonnes alternatives aux monothérapies classiques. Des ruthenium(I1)-arènes complexés avec la tetrapyridylporphyrine ont ainsi présenté de bonnes cytotoxicités et de bonnes phototoxicités pour des cellules de mélanomes. Des porphyrines ont aussi été compléxées avec des noyaux de diruthénium et ce type de dérivé a présenté de bonnes phototoxicités et une bonne sélectivité pour les cellules cancéreuses de l'appareil reproducteur féminin. L'incorporation de photosensibilisants tétrapyroliques a finalement été effectuée en utilisant des nanoparticules (NP) biocompatibles composées de chitosan et de hyaluronate. L'effet de ces NP a été évalué pour le traitement de la polyarthrite rhumatoïde (PR). Les NP ont d'abord été testées in vitro avec des macrophages de souris et les résultats ont mis en évidence de bonnes sélectivités et photosensibilités pour ces cellules. In vivo chez un modèle marin de la PR, l'utilisation de ces NP a révélé un plus grand temps de résidence des NP dans le genou de la souris en comparaison du temps obtenu avec le photosensibilisant seul. Le traitement par PDT a aussi démontré une bonne efficacité par ailleurs égale à celle obtenue avec les corticoïdes utilisés en clinique. Pour finir, les NP ont aussi démontré une bonne efficacité sur les myelomonocytes phagocytaires humains et sur les cellules contenues dans le liquide synovial de patients présentant une PR. Tous ces résultats suggèrent que les deux stratégies de ciblage peuvent être efficaces pour les agents thérapeutiques. Afm d'obtenir de bons résultats, il est toutefois nécessaire de réaliser une analyse minutieuse de la cible et du mode d'action de l'agent thérapeutique. Concernant les perspectives, la combinaison des deux stratégies c'est à dire incorporer des agents thérapeutiques dans des nanostructures porteuses d'agents de ciblage, représente probablement une solution très prometteuse. SUMMARY : In humans, the lack of selectivity of drugs and their high effective concentrations often represent limitations for the treatment of diseases. Targeting the therapeutical agents to a defined tissue could enhance their selectivity and then diminish their side effects when compared to drugs that accumulate in the entire body and could also improve treatment efûciency by allowing a localized high concentration of the agents. Targeting therapeutics to defined cells in human pathologies is a main challenge and a very active field of research. Strategies are generally based on the different behaviors and patterns of expression of diseased cells compared to normal cells such as receptors, proteases or trans-membrane carriers. The therapeutic treatment chosen here is the photodynamic therapy and is already used in the treatment of many cancers. This therapy relies on the administration of a photosensitizer (PS) which will under light, react with oxygen and induce formation of reactive oxygen species which are toxic for cells. The PSs used here are either tetrapyrolic (i. e. porphyries and chlorins) or prodrugs of PS (5-aminolevulinic acid precursor of the endogenous protoporphyrin Imo. In order to improve PS internalization and selectivity, we have used two different strategies: the modification of the PSs with diseased cell-targeting agents as well as their encapsulation into nanostructures. Sugars and folic acid are well established as targeting entities for diseased cells and were used here since their transporters are overexpressed on the surface of many cancer cells. Therefore sugar- and folic acid-derivatives of 5-aminolevulinic acid (ALA) were synthesized and evaluated in vitro in several cancer cell lines. The folic acid strategy appeared to be incompatible with ALA since no photosensitivity was induced while the strategy with sugars induced good photosensitivites but no increase of selectivity. Alternatively, the feasibility of combining the antineoplastic properties of ruthenium complexes with the porphyrin's photosensitizing properties, was evaluated since combined therapies have emerged as good alternatives to classical treatments. Tetrapyridylporphyrins complexed to ruthenium (I17 arenes presented good cytotoxicities and good phototoxicities toward melanoma cells. Porphyries were also complexed to diruthenium cores and this type of compound presented good phototoxicities and good selectivity for female reproductive cancer cells. The encapsulation of tetrapyrolic PSs was finally investigated using biocompatible nanogels composed of chitosan and hyaluronate. The behavior of these nanoparticles was evaluated for the treatment of rheumatoid arthritis (RA). They were first tested in vitro in mouse macrophages and results revealed good selectivities and phototoxicities toward these cells. In vivo in mice model of RA, the use of such nanoparticles instead of free PS showed longer time of residence in mice knees. Photodynamic protocols also demonstrated good efficiency of the treatment comparable to the corticoid injection used in the clinic. Finally our system was also efficient in human cells using phagocytic myelomonocytes or using cells of synovial fluids taken from patients with RA. Altogether, these results revealed that both strategies of modification or encapsulation of drugs can be successful in the targeting of diseased cells. However, a careful analysis of the target and of the mode of action of the drug, are needed in order to obtain good results. Looking ahead to the future, the combination of the two strategies (i.e. drugs loaded into nanostructures bearing the targeting agents) would represent probably the best solution.

Synthesis and properties of d6 metal complexes of bidentate and tridentate ‘super donor’ ligands

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées.

Some transition metal complexes derived from mono- and di-ethynyl perfluorobenzenes

Transition metal alkynyl complexes containing perfluoroaryl groups have been prepared directly from trimethylsilyl-protected mono- and di-ethynyl perfluoroarenes by simple desilylation/metallation reaction sequences. Reactions between Me3SiC CC6F5 and RuCl(dppe)Cp'[Cp' = Cp, Cp*] in the presence of KF in MeOH give the monoruthenium complexes Ru(C CC6F5)(dppe)Cp'[Cp' = Cp (2); Cp* (3)], which are related to the known compound Ru(C CC6F5)(PPh3)(2)Cp (1). Treatment of Me3SiC CC6F5 with Pt-2(mu-dppm)(2)Cl-2 in the presence of NaOMe in MeOH gave the bis(alkynyl) complex Pt-2(mu-dppm)(2)(C CC6F5)(2) (4). The Pd(0)/Cu(I)-catalysed reactions between Au(C CC6F5)(PPh3) and Mo( CBr)(CO)(2) Tp* [Tp* = hydridotris(3.5-dimethylpyrazoyl)borate], Co-3(mu(3)-CBr)(mu-dppm)(CO)(7) or IC CFc [Fc = (eta(5)-C5H4)FeCp] afford Mo( CC CC6F5)(CO)(2)Tp* (5), Co-3(mu 3-CC CC6F5)(mu-dppm)(CO)(7) (6) and FcC CC CC6F5 (7), respectively. The diruthenium complexes 1,4-{Cp'(PP)RuC C}(2)C6F4 [(PP)Cp'=(PPh3)(2)Cp (8); (dppe)Cp (9); (dppe)Cp* (10)] are prepared from 1,4-(Me3SiC C)(2)C6F4 in a manner similar to that described for the monoruthenium complexes 1-3. The non-fluorinated complexes 1,4-{Cp'(PP)RuC C}(2)C6H4 [(PP)Cp' = (PPh3)(2)Cp (11); ( dppe) Cp (12); ( dppe) Cp* (13)], prepared for comparison, are obtained from 1,4-(Me3SiC C)(2)C6H4. Spectro-electrochemical studies of the ruthenium aryl and arylene alkynyl complexes 2-3 and 8-13, together with DFT-based computational studies on suitable model systems, indicate that perfluorination of the aromatic ring has little effect on the electronic structures of these compounds, and that the frontier orbitals have appreciable diethynylphenylene character. Molecular structure determinations are reported for the fluoroaromatic complexes 1, 2, 3, 6 and 10.

Preparation of transition metal complexes of bicyclo[2.2.1]hept-5-ene-2-carboxylic acid (C7H9CO2H) and X-ray crystal structure of [Cu2?(±)-endo-μ-O2CC7H9?4 (CH3OH)2]·2CH3OH

Metathesis reactions were used to prepare a range of dicopper(II), monocopper(I), diruthenium(II, III), dimolybdenum(II,II) and dirhodium(II,II) complexes of either racemic or resolved forms of endo- and exo-bicyclo[2.2.1]hept-5-ene-2-carboxylic acid (C7H9CO2H). The X-ray crystal structure of [Cu2{(±)-endo-μ-O2CC7H9}4(CH3OH)2]·2CH3OH shows the two copper(II) ions bridged by two (+)-endo-bicyclo[2.2.1]hept-5-ene-2-carboxylate anions and two (−)-endo-bicyclo[2.2.1]hept-5-ene-2-carboxylate anions. Methanol molecules occupy the two trans axial sites, and there are also two methanol molecules hydrogen bonded to opposite carboxyl oxygens.

Bridge-localized HOMO-binding character of divinylanthracene-bridged dinuclear ruthenium carbonyl complexes: spectroscopic, spectroelectrochemical, and computational studies

The electronic properties of four divinylanthracene-bridged diruthenium carbonyl complexes [{RuCl(CO)(PMe3)3}2(μ[BOND]CH[DOUBLE BOND]CHArCH[DOUBLE BOND]CH)] (Ar=9,10-anthracene (1), 1,5-anthracene (2), 2,6-anthracene (3), 1,8-anthracene (4)) obtained by molecular spectroscopic methods (IR, UV/Vis/near-IR, and EPR spectroscopy) and DFT calculations are reported. IR spectroelectrochemical studies have revealed that these complexes are first oxidized at the noninnocent bridging ligand, which is in line with the very small ν(C[TRIPLE BOND]O) wavenumber shift that accompanies this process and also supported by DFT calculations. Because of poor conjugation in complex 1, except oxidized 1+, the electronic absorption spectra of complexes 2+, 3+, and 4+ all display the characteristic near-IR band envelopes that have been deconvoluted into three Gaussian sub-bands. Two of the sub-bands belong mainly to metal-to-ligand charge-transfer (MLCT) transitions according to results from time-dependent DFT calculations. EPR spectroscopy of chemically generated 1+–4+ proves largely ligand-centered spin density, again in accordance with IR spectra and DFT calculations results.

Asymmetric oxidation of vinyl- and ethynyl terthiophene ligands in triruthenium complexes

A series of ruthenium(II) complexes [{RuCl(CO)(PMe3)3(–CHvCH–)}nX], 1a–1c (1a: n = 3, X = 3,3’’- dimethyl-2,2’:3’,2’’-terthiophene; 1b: n = 2, X = 2,2’-bithiophene; 1c: n = 2, X = 2,3-bis(3-methylthiophen- 2-yl)benzothiophene) and [{Cp*(dppe)2Ru(–CuC–)}3X], 1d (X = 3,3’’-dimethyl-2,2’:3’,2’’- terthiophene), were prepared and characterized by 1H, 13C and 31P NMR. Their redox, spectroscopic and bonding properties were studied with a range of spectro-electrochemical methods in combination with density functional theory calculations. The first two anodic steps observed for 1a and 1d are largely localized on the lateral frameworks of the molecular triangle, the direct conjugation between them being precluded due to the photostable open form of the dithienyl ethene moiety. The third anodic step is then mainly localized on the centerpiece of the triangular structure, affecting both bithiophene laterals. The experimental IR and UV-vis-NIR spectroelectrochemical data and, largely, also DFT calculations account for this explanation, being further supported by direct comparison with the anodic behavior of reference diruthenium complexes 1b and 1c.

The novel ruthenium-gamma-linolenic complex [Ru(2)(aGLA)(4)Cl] inhibits C6 rat glioma cell proliferation and induces changes in mitochondrial membrane potential, increased reactive oxygen species generation and apoptosis in vitro

The present study reports the synthesis of a novel compound with the formula [Ru(2)(aGLA)(4)Cl] according to elemental analyses data, referred to as Ru(2)GLA. The electronic spectra of Ru(2)GLA is typical of a mixed valent diruthenium(II,III) carboxylate. Ru(2)GLA was synthesized with the aim of combining and possibly improving the anti-tumour properties of the two active components ruthenium and gamma-linolenic acid (GLA). The properties of Ru(2)GLA were tested in C6 rat glioma cells by analysing cell number, viability, lipid droplet formation, apoptosis, cell cycle distribution, mitochondrial membrane potential and reactive oxygen species. Ru(2)GLA inhibited cell proliferation in a time and concentration dependent manner. Nile Red staining suggested that Ru(2)GLA enters the cells and ICP-AES elemental analysis found all increase in ruthenium from <0.02 to 425 mg/Kg in treated cells. The sub-G1 apoptotic cell population was increased by Ru(2)GLA (22 +/- 5.2%) when analysed by FACS and this was confirmed by Hoechst staining of nuclei. Mitochondrial membrane potential was decreased in the presence of Ru(2)GLA (44 +/- 2.3%). In contrast, the cells which maintained a high mitochondrial membrane potential had an increase (18 +/- 1.5%) in reactive oxygen species generation. Both decreased mitochondrial membrane potential and increased reactive oxygen species generation may be involved in triggering apoptosis in Ru(2)GLA exposed cells. The EC(50) for Ru(2)GLA decreased with increasing time of exposure from 285 mu M at 24h, 211 mu M at 48 h to 81 mu M at 72 h. In conclusion, Ru(2)GLA is a novel drug with anti proliferative properties in C6 glioma cells and is a potential candidate for novel therapies in gliomas. Copyright (C) 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Efficient Oxidation of Cysteine and Glutathione Catalyzed by a Dinuclear Areneruthenium Trithiolato Anticancer Complex

The highly cytotoxic diruthenium complex [(p-MeC(6)H(4)Pr(1))(2)Ru(2)(SC(6)H(4)-p-Me)(3)](+) (1), water-soluble as the chloride salt, is shown to efficiently catalyze oxidation of the thiols cysteine and glutathione to give the corresponding disulfides, which may explain its high in vitro anticancer activity.

Complexos de dirutênio com os fármacos ibuprofeno, ácido acetilsalicílico, naproxeno, indometacina, e com ácido y-linolêncio: Síntese, caracterização, avaliação da ação antiproliferativa sobre células tumorais e estudo da interação da unidade dimetálica com adenina e adenosina

Este trabalho tem como principal objetivo contribuir para o desenvolvimento de novos potenciais metalofármacos de rutênio. Nele são descritas a síntese, a caracterização e a avaliação da ação antiproliferativa de alguns complexos de dirutênio (II,III) com os fármacos antiinflamatórios não-esteróides (AINEs): ibuprofeno (ibp), ácido acetilsalicílico (aas), naproxeno (npx) e indometacina (ind) e também com o ácido γ-linolênico (lin), sobre células cancerígenas. Os compostos obtidos foram caracterizados por análise elementar, espectroscopia de absorção eletrônica, medidas de susceptibilidade magnética, espectroscopia vibracional FTIR e Raman, difratometria de raios X de pó, medidas de condutividade molar e análise térmica (TG, OTAe OSC). Todos os complexos sintetizados apresentam estrutura em gaiola, com os carboxilatos derivados dos fármacos AINEs coordenados à unidade dimetálica Ru2( (II,III), em ponte equatorial, estabilizando assim a ligação direta rutênio-rutênio. As posições axiais são ocupadas por íons cloreto, no caso dos complexos [Ru2(O2(CR)4(Cl] (O2(CR = ibp, aas, npx ou ind), ou por moléculas de água, nas espécies do tipo [Ru2(O2(CR)4(H2O)2]PF6(O2CR =npx e ind). Ensaios biológicos demonstraram que os compostos [Ru2(ibp) 4Cl]•½H2O e [Ru2(npx)4(H2O)2]PF6 apresentam ação antiproliferativa sobre células de glioma de rato C6 in vitro, dependendo do tempo de exposição do meio celular ao complexo. O complexo [Ru2 (lin)4Cl] também apresenta efeito sobre a proliferação de células C6; entretanto, nesse caso, efeitos significativos são observaçlos já nas primeiras 24 h de exposição. Estudos mostraram que as bases adenina e adenosina reagem com o complexo [Ru2(OAc)4(H2O)2]PF6 sem que ocorra quebra da estrutura em gaiola. As bases nitrogenadas substituem axialmente as moléculas de água, formando pontes axiais entre duas unidades de dirutênio (II,III) no estado sólido.