Advances in the molecular design of potential anticancer agents via targeting of human telomeric DNA

Telomerases are an attractive drug target to develop new generation drugs against cancer. A telomere appears from the chromosomal termini and protects it from double-stranded DNA degradation. A short telomere promotes genomic instability, like end-to-end fusion and regulates the over-expression of the telomere repairing enzyme, telomerase. The telomerase maintains the telomere length, which may lead to genetically abnormal situations, leading to cancer. Thus, the design and synthesis of an efficient telomerase inhibitor is a viable strategy toward anticancer drugs development. Accordingly, small molecule induced stabilization of the G-quadruplex structure, formed by the human telomeric DNA, is an area of contemporary scientific art. Several such compounds efficiently stabilize the G-quadruplex forms of nucleic acids, which often leads to telomerase inhibition. This Feature article presents the discovery and development of the telomere structure, function and evolution in telomere targeted anticancer drug design and incorporates the recent advances in this area, in addition to discussing the advantages and disadvantages in the methods, and prospects for the future.

Layer-by-Layer Assembled Thin Films and Microcapsules of Nanocrystalline Cellulose for Hydrophobic Drug Delivery

A layer-by-layer (LbL) approach has been employed for the fabrication of multilayer thin films and microcapsules having nanofibrous morphology using nanocrystalline cellulose (NCC) as one of the components of the assembly. The applicability of these nanoassemblies as drug delivery carriers has been explored by the loading of an anticancer drug, doxorubicin hydrochloride, and a water-insoluble drug, curcumin. Doxorubicin hydrochloride, having a good water solubility, is postloaded in the assembly. In the case of curcumin, which is very hydrophobic and has limited solubility in water, a stable dispersion is prepared via noncovalent interaction with NCC prior to incorporation in the LbL assembly. The interaction of various other lipophilic drugs with NCC was analyzed theoretically by molecular docking in consideration of NCC as a general carrier for hydrophobic drugs.

Stimuli-responsive protamine-based biodegradable nanocapsules for enhanced bioavailability and intracellular delivery of anticancer agents

Enzyme-and pH-responsive polyelectrolyte nanocapsules having diameters in the range of 200 +/- 20 nm were fabricated by means of Layer-by-Layer assembly of biopolymers, protamine, and heparin, and then loaded with anticancer drug doxorubicin. The incorporation of the FDA-approved peptide drug protamine as a wall component rendered the capsules responsive to enzyme stimuli. The stimuli-responsive drug release from these nanocapsules was evaluated, and further modulation of capsule permeability to avoid premature release was demonstrated by crosslinking the wall components. The interaction of the nanocapsules with cancer cells was studied using MCF-7 breast cancer cells. These capsules were readily internalized and disintegrated inside the cells, culminating in the release of the loaded doxorubicin and subsequent cell death as observed by confocal microscopy and MTT Assay. The bioavailability studies performed using BALB/c mice revealed that the encapsulated doxorubicin exhibited enhanced bioavailability compared to free doxorubicin. Our results indicate that this stimuli-responsive system fabricated from clinically used FDA-approved molecules and exhibiting minimal premature release has great potential for drug-delivery applications.

Stimuli-responsive protamine-based biodegradable nanocapsules for enhanced bioavailability and intracellular delivery of anticancer agents

Enzyme-and pH-responsive polyelectrolyte nanocapsules having diameters in the range of 200 +/- 20 nm were fabricated by means of Layer-by-Layer assembly of biopolymers, protamine, and heparin, and then loaded with anticancer drug doxorubicin. The incorporation of the FDA-approved peptide drug protamine as a wall component rendered the capsules responsive to enzyme stimuli. The stimuli-responsive drug release from these nanocapsules was evaluated, and further modulation of capsule permeability to avoid premature release was demonstrated by crosslinking the wall components. The interaction of the nanocapsules with cancer cells was studied using MCF-7 breast cancer cells. These capsules were readily internalized and disintegrated inside the cells, culminating in the release of the loaded doxorubicin and subsequent cell death as observed by confocal microscopy and MTT Assay. The bioavailability studies performed using BALB/c mice revealed that the encapsulated doxorubicin exhibited enhanced bioavailability compared to free doxorubicin. Our results indicate that this stimuli-responsive system fabricated from clinically used FDA-approved molecules and exhibiting minimal premature release has great potential for drug-delivery applications.

On the chemical synthesis and drug delivery response of folate receptor-activated, polyethylene glycol-functionalized magnetite nanoparticles

We describe here the chemical synthesis and in vitro drug delivery response of polyethylene glycol (PEG)-functionalized magnetite (Fe3O4) nanoparticles, which were activated with a stable ligand, folic acid, and conjugated with an anticancer drug, doxorubicin. The functionalization and conjugation steps in the chemical synthesis were confirmed using Fourier transform infrared spectroscopy. The drug-release behavior of PEG-functionalized and folic acid-doxorubicin-conjugated magnetic nanoparticles was characterized by two stages involving an initial rapid release, followed by a controlled release. (C) 2007 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Monodisperse mesoporous superparamagnetic single-crystal magnetite nanoparticles for drug delivery

In this contribution, we report a facile, gram-scale, low-cost route to prepare monodisperse superparamagnetic single-crystal magnetite NPs with mesoporous structure (MSSMN) via a very simple solvothermal method. The formation mechanism of MSSMN is also discussed and we think that Ostwald ripening probably plays an important role in this synthesis process. It is also interestingly found that the size and morphology of mesoporous Fe3O4 NPs can be easily controlled by changing the amount of NaOH and 1,2-ethylenediamine (ETH). Most importantly, the MSSMN can be used as an effective drug delivery carrier. A typical anticancer drug, doxorubicin (Dox), is used for drug loading, and the release behaviors of Dox in two different pH solutions are studied. The results indicate that the MSSMN has a high drug loading capacity and favorable release property for Dox; thus, it is very promising for the application in drug delivery.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Multiwalled nanotubes formed by catanionic mixtures of drug amphiphiles

Mixing of oppositely charged amphiphilic molecules (catanionic mixing) offers an attractive strategy to produce morphologies different from those formed by individual molecules. We report here on the use of catanionic mixing of anticancer drug amphiphiles to construct multiwalled nanotubes containing a fixed and high drug loading. We found that the molecular mixing ratio, the solvent composition, the overall drug concentrations, as well as the molecular design of the studied amphiphiles are all important experimental parameters contributing to the tubular morphology. We believe these results demonstrate the remarkable potential that anticancer drugs could offer to self-assemble into discrete nanostructures and also provide important insight into the formation mechanism of nanotubes by catanionic mixtures. Our preliminary animal studies reveal that the CPT nanotubes show significantly prolonged retention time in the tumor site after intratumoral injection.

Peptide based hydrogels for cancer drug release: modulation of stiffness, drug release and proteolytic stability of hydrogels by incorporating D-amino acid residue(s)

Synthetic tripeptide based noncytotoxic hydrogelators have been discovered for releasing an anticancer drug at physiological pH and temparature. Interestingly, gel stiffness, drug release capacity and proteolytic stability of these hydrogels have been successfully modulated by incorporating D-amino acid residues, indicating their potential use for drug delivery in the future.

Development and characterization of biocompatible isotropic and anisotropic oil-in-water colloidal dispersions as a new delivery system for methyl dihydrojasmonate antitumor drug

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Targeting survivin via PI3K but not c-akt/PKB by anticancer drugs in immature neutrophils

Myelosuppression is the most common unwanted side effect associated with the administration of anticancer drugs, and infections remain a common cause of death in chemotherapy-treated patients. Several mechanisms of the cytotoxicity of these drugs have been proposed and may synergistically operate in a given cell. Survivin expression has been associated with cancer, but recent reports suggest that this molecule is also expressed in several immature and mature hematopoietic cells. Here, we provide evidence that treatment of immature neutrophils with anticancer drugs reduced endogenous survivin levels causing apoptosis. The anticancer drugs did not directly target survivin, instead they blocked the activity of phosphatidylinositol-3-OH kinase, which regulated survivin expression and apoptosis in these cells. Strikingly, and in contrast to other cells, this pathway did not involve the serine/threonine kinase c-akt/PKB. Moreover, in combination with anticancer drug therapy, rapamycin did not induce increased myelosuppression in an experimental lymphoma mouse model. These data suggest that drugs that block either c-akt/PKB or signaling molecules located distal to c-akt/PKB may preferentially induce apoptosis of cancer cells as they exhibit no cytotoxicity for immature neutrophils.

Anticancer drugs from nature--natural products as a unique source of new microtubule-stabilizing agents

This review article provides an overview on the current state of research in the area of microtubule-stabilizing agents from natural sources, with a primary focus on the biochemistry, biology, and pharmacology associated with these compounds. A variety of natural products have been discovered over the last decade to inhibit human cancer cell proliferation through a taxol-like mechanism. These compounds represent a whole new range of structurally diverse lead structures for anticancer drug discovery.