Polymerizable Peptide Monomers for the Targeted and Intracellular Delivery of Cancer Therapeutics

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Lipid, sugar and liposaccharide based delivery systems 2

The vast majority of biologically active compounds will never be considered as potential drugs due to inherently poor bioavailability. This review discusses the progress in the development of chemical systems to improve the metabolic stability, absorption and physicochemical properties of potential drugs. Delivery systems that involve the conjugation of lipid and/or sugar moieties are highlighted, as well as novel methods of conjugation of these groups to drugs. The use of sugar molecules to target drugs to particular organs or cells is also discussed, as is the use of lipids in the growing area of gene delivery. This is an update of a previous review [1].

The stability of lipidic analogues of GnRH in plasma and kidney preparations: the stereoselective release of the parent peptide

The conjugation of a lipoamino acid to the N-terminus of Gonadotropin releasing hormone (GnRH) produces a lipophilic peptide from which the parent GnRH peptide is released into solution on treatment with plasma and kidney enzyme preparation. Our findings show that one stereoisomer of the Laa is cleaved very rapidly, providing a bolus dose of the peptide while the opposite stereoisomer is cleaved much more slowly, providing prolonged elevation of peptide concentration. The Laa-Glu linkage appears to act as a two phase prodrug system. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Formulation of immunomodulatory agents

Reversed-phase high-performance liquid chromatography procedures were developed for the analysis of pyrimidine-based drugs bropirimine and its derivatives (2-N-acetyl- and 2-N-propanoyl-) and for pyrimethamine and its 2/4- substituted derivatives (2, N-propanoyl and 2,4-N, N-dipropanoyl-) and its 6- substituted (methyl-, ethyl-, propyl- and isopropyl- carboxylates) analogues. Stability studies indicated that these derivatives were not sufficiently labile to act as potential prodrugs. Solubility-pH profiles were constructed from which the dissociation constants were calculated. The physicochemical properties of these compounds were studied and attempts were made to increase the poor aqueous solubility of bropirimine (35μg/mL) by prodrug synthesis, solvate formation (acetic acid, N, N-dimethylformamide and N-methylformamide) and the use of co-solvents and additives. The first two methods proved to be fruitless whereas the latter method resulted in an intravenous formulation incorporating 32mg/mL of bropirimine. An in-vitro method for the detection of precipitation was developed and the results suggested that by using low injection rates (< 0.24mL/min) and high mobile phase flow rates (> 500mL/hr) precipitation could be minimised. Differential scanning calorimetry showed that bropirimine debrominates in the presence of a number of additives commonly used in formulation work but the temperature at which this occurred were usually > 200oC. In-vitro work gave encouraging results for the possibility of rectal delivery of bropirimine but in-vivo work on rabbits showed considerable variations in the resulting plasma levels and pharmacokinetic parameters.

Prodrugs of antiviral phosphonates

Phosphonoformate and phosphonoacetate are effective antiviral agents, however they are charged at physiological pH and as such penetration into cells and diffusion across the blood-brain bamer is limited. In an attempt to increase the lipophilicity and improve the transport properties of these molecules, prodrugs were synthesised and their stabilities and reconversion to the parent compound subsequently investigated by the techniques of 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy and high performance liquid Chromatography. A series of 4-substituted dibenzyl (methoxycarbonyl)phosphonates were prepared and found to be hydrolytically unstable giving predominantly the diesters, benzyl (methoxycarbonyl)phosphonates. This instability arose from the electron-withdrawing effect of the carbonyl group promoting nucleophilic attack at phosphorus. It was possible to influence the mechanism and, to some extent, the rate of hydrolysis of the phosphonoformate triesters to the diesters by varying the electronic nature of the substituent in the 4-position of the aromatic ring. Strongly electron-withdrawing groups increased the sensitivity of phosphorus to nucleophilic attack, thus promoting P-O .bond cleavage and rapid hydrolysis. Conversely, weakly electron-withdrawing substituents encouraged C-O bond fission, presumably through resonance stabilisation of the benzyl carbonium ion. The loss of the protecting group on phosphorus was in competition with nucleophilic attack at the carbonyl group, resulting in P-C bond cleavage with dibenzyl phosphite formation. The high instability and P-C bond fission make triesters unsuitable prodrug forms of phosphonoformate. A range of chemically stable triesters of phosphonoacetate were synthesised and their bioactivation investigated. Di(benzoyloxymethyl) (methoxycarbonylmethyl)phosphonates degraded to the relevant benzoyloxymethyl (methoxycarbonylmethyl)phosphonate in the presence of esterase. The enzymatic activation was restricted to the removal of only one protecting group from phosphorus, most likely due to the close proximity of the benzoyloxy ester function to the anionic charge on the diester. However, in similar systems di(4-alkanoyloxybenzyl) (methoxycarbonylmethyl)phosphonates degraded in the presence of esterase with the loss of both protecting groups on phosphorus to give the monoester, (methoxycarbonylmethyl)phosphonate, via the intermediary of the unstable 4-hydroxy benzyl esters. The methoxycarbonyl function remained intact. The rate of enzymatic hydrolysis and subsequent removal of the protecting groups on phosphorus was dependent on the nature of the alkanoyl group and was most rapid for the 4-nbutanoyloxybenzyl and 4-iso-butanoyloxybenzyl esters of phosphonoacetate. This provides a strategy for the design of a prodrug with sufficient stability in plasma to reach the central nervous system in high concentration, wherein rapid metabolism to the active drug by brain-associated enzymes occurs.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Design, Synthesis, and Biological Characterization of Largazole Analogues

Histone deacetylases (HDACs) have been shown to play key roles in tumorigenesis, and

have been validated as effective enzyme target for cancer treatment. Largazole, a marine natural

product isolated from the cyanobacterium Symploca, is an extremely potent HDAC inhibitor that

has been shown to possess high differential cytotoxicity towards cancer cells along with excellent

HDAC class-selectivity. However, improvements can be made in the isoform-selectivity and

pharmacokinetic properties of largazole.

In attempts to make these improvements and furnish a more efficient biochemical probe

as well as a potential therapeutic, several largazole analogues have been designed, synthesized,

and tested for their biological activity. Three different types of analogues were prepared. First,

different chemical functionalities were introduced at the C2 position to probe the class Iselectivity profile of largazole. Additionally, docking studies led to the design of a potential

HDAC8-selective analogue. Secondly, the thiol moiety in largazole was replaced with a wide

variety of othe zinc-binding group in order to probe the effect of Zn2+ affinity on HDAC

inhibition. Lastly, three disulfide analogues of largazole were prepared in order to utilize a

different prodrug strategy to modulate the pharmacokinetic properties of largazole.

Through these analogues it was shown that C2 position can be modified significantly

without a major loss in activity while also eliciting minimal changes in isoform-selectivity. While

the Zn2+-binding group plays a major role in HDAC inhibition, it was also shown that the thiol

can be replaced by other functionalities while still retaining inhibitory activity. Lastly, the use of

a disulfide prodrug strategy was shown to affect pharmacokinetic properties resulting in varying

functional responses in vitro and in vivo.

v

Largazole is already an impressive HDAC inhibitor that shows incredible promise.

However, in order to further develop this natural product into an anti-cancer therapeutic as well as

a chemical probe, improvements in the areas of pharmacokinetics as well as isoform-selectivity

are required. Through these studies we plan on building upon existing structure–activity

relationships to further our understanding of largazole’s mechanism of inhibition so that we may

improve these properties and ultimately develop largazole into an efficient HDAC inhibitor that

may be used as an anti-cancer therapeutic as well as a chemical probe for the studying of

biochemical systems.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Augmentation de l’absorption intestinale à l’aide de promédicaments se liant aux gangliosides GM1

Le but de ce projet est de développer une approche biomimétique pour augmenter l'absorption de molécules actives peu perméables. Cette approche réplique le mécanisme d'internalisation de la toxine du choléra par sa liaison au récepteur GM1 à la surface des cellules intestinales. La technologie proposée est de synthétiser des promédicaments composés d'une molécule active, d'un espaceur et d'un peptide ayant de l'affinité pour le GM1. Les hypothèses de ce projet sont que le peptide faisant partie du promédicament augmentera l'absorption intestinale de médicaments peu perméables et que le complexe sera métabolisé rapidement après son absorption. Des prototypes de promédicaments ont été synthétisés et des essais de stabilité, d'affinité et de perméabilité sur les peptides et les promédicaments ont été développés et réalisés. Les résultats de cette étude ont démontré la possibilité de synthétiser des promédicaments à partir d'un peptide liant le GM1 et d'une molécule thérapeutique ayant une faible biodisponibilité. Les essais de stabilité, d'affinité et de perméabilité ont été optimisés et implémentés avec succès. Les études in vitro initiales ont rapporté des résultats prometteurs concernant les propriétés de liaison du peptide utilisé et d'un des promédicaments préparés. Par contre, les résultats des essais de stabilité ont montré un métabolisme partiel des promédicament dans le plasma ainsi qu'une instabilité des solutions mères. De plus, les essais de perméabilité se sont avérés non concluants. Les prochaines études porteront sur la préparation de nouveaux promédicaments par une approche similaire ainsi que sur l'investigation du mécanisme d'internalisation du peptide.

Design and Synthesis of 4-N-Alkanoyl and 4-N-Alkyl Gemcitabine Analogues Suitable for Positron Emission Tomography

Gemcitabine is a highly potent chemotherapeutic nucleoside agent used in the treatment of several cancers and solid tumors. However, it is therapeutically limitated because of toxicity to normal cells and its rapid intracellular deamination by cytidine deaminase into the inactive uracil derivative. Modification at the 4-(N) position of gemcitabine's exocyclic amine to an -amide functionality is a well reported prodrug strategy which has been that confers a resistance to intracellular deamination while also altering pharmacokinetics of the parent drug. Coupling of gemcitabine to carboxylic acids with varying terminal moieties afforded the 4-N-alkanoylgemcitabines whereas reaction of 4-N-tosylgemcitabine with the corresponding alkyl amines gave the 4-N-alkylgemcitabines. The 4-N-alkanoyl and 4-N-alkyl gemcitabine analogues with a terminal hydroxyl group on the 4-N-alkanoyl or 4-N-alkyl chain were efficiently fluorinated either with diethylaminosulfur trifluoride or under conditions that are compatible with the synthetic protocols for 18F labeling, such as displacement of the corresponding mesylate with KF/Kryptofix 2.2.2. The 4-N-alkanoylgemcitabine analogues displayed potent cytostatic activities against murine and human tumor cell lines with 50% inhibitory concentration (IC50) values in the range of low nM, whereas cytotoxicity of the 4-N-alkylgemcitabine derivatives were in the low to modest µM range. The cytostatic activity of the 4-N-alkanoylgemcitabines was reduced by several orders of magnitude in the 2'-deoxycytidine kinase (dCK)-deficient CEM/dCK- cell line while the 4-N-alkylgemcitabines were only lowered by 2-5 times. None of the 4-N-modified gemcitabines were found to be substrates for cytosolic dCK, however all were found to inhibit DNA synthesis. As such, the 4-N-alkanoyl gemcitabine derivatives likely need to be converted to gemcitabine prior to achieving their significant cytostatic potential, whereas the 4-N-alkylgemcitabines reach their modest activity without "measurable" conversion to gemcitabine. Thus, the 4-N-alkylgemcitabines provide valuable insight on the metabolism of 4-N-modified gemcitabine prodrugs.

Augmentation de l’absorption intestinale à l’aide de promédicaments se liant aux gangliosides GM1

Le but de ce projet est de développer une approche biomimétique pour augmenter l'absorption de molécules actives peu perméables. Cette approche réplique le mécanisme d'internalisation de la toxine du choléra par sa liaison au récepteur GM1 à la surface des cellules intestinales. La technologie proposée est de synthétiser des promédicaments composés d'une molécule active, d'un espaceur et d'un peptide ayant de l'affinité pour le GM1. Les hypothèses de ce projet sont que le peptide faisant partie du promédicament augmentera l'absorption intestinale de médicaments peu perméables et que le complexe sera métabolisé rapidement après son absorption. Des prototypes de promédicaments ont été synthétisés et des essais de stabilité, d'affinité et de perméabilité sur les peptides et les promédicaments ont été développés et réalisés. Les résultats de cette étude ont démontré la possibilité de synthétiser des promédicaments à partir d'un peptide liant le GM1 et d'une molécule thérapeutique ayant une faible biodisponibilité. Les essais de stabilité, d'affinité et de perméabilité ont été optimisés et implémentés avec succès. Les études in vitro initiales ont rapporté des résultats prometteurs concernant les propriétés de liaison du peptide utilisé et d'un des promédicaments préparés. Par contre, les résultats des essais de stabilité ont montré un métabolisme partiel des promédicament dans le plasma ainsi qu'une instabilité des solutions mères. De plus, les essais de perméabilité se sont avérés non concluants. Les prochaines études porteront sur la préparation de nouveaux promédicaments par une approche similaire ainsi que sur l'investigation du mécanisme d'internalisation du peptide.

Caracterização físico-química de complexo de inclusão entre hidroximetilnitrofurazona e hidroxipropil-beta-ciclodextrina

Hydroxymethylnitrofurazone (NFOH) is a prodrug that is active against Trypanosoma cruzi. It however presents low solubility and high toxicity. Hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (HP-beta-CD) can be used as a drug-delivery system for NFOH modifying its physico-chemical properties. The aim of this work is to characterize the inclusion complex between NFOH and HP-beta-CD. The rate of NFOH release decreases after complexation and thermodynamic parameters from the solubility isotherm studies revealed that a stable complex is formed (deltaGº= 1.7 kJ/mol). This study focuses on the physico-chemical characterization of a drug-delivery formulation that comes out as a potentially new therapeutic option for Chagas disease treatment.

Tamoxifen metabolism in breast cancer treatment: Taking the focus off the CYP2D6 gene

Tamoxifen (TAM) has been widely used to treat estrogen receptor (ER)-positive breast cancer, and has led to reduction of 50% in the annual recurrence rate and 30% in breast cancer mortality after 5 years of treatment.1 The prodrug TAM is a selective ER modulator that antagonizes ERs in cancer cells. However, compared with its two active metabolites 4-hydroxy-TAM (4-OH-TAM) and endoxifen, it is a relatively weak antiestrogen.