Preparation and Biological Evaluation of New Triterpenoid Derivatives of Glycyrrhetinic Acid

Abstract

Cancer is a leading cause of death worldwide and its incidence is expected to increase significantly over the next decades. Despite the scientific progress in cancer research, the anticancer drugs currently in clinical use have several limitations in efficacy and safety. These data demonstrate the urgency to develop new chemotherapeutic drugs. Natural products have been the main source of new leads for anticancer drug development. In fact, some drugs derived from natural compounds are still the mainstay of cancer therapy. Pentacyclic triterpenoids are a group of natural compounds, widely distributed in plants, which display a broad range of biological activities, including antitumor activity. These compounds have been shown to modulate multiple signaling pathways and molecular targets of cancer, which increased their interest as leads for the development of new drugs. Glycyrrhetinic acid is a pentacyclic triterpenoid with a promising multi-target profile that can be extracted from its natural source in high quantities, which make it a commercially available and affordable lead. The main goal of this PhD thesis was the synthesis and the biological evaluation of new glycyrrhetinic acid derivatives, with the aim to improve its antitumor activity. The work followed two main semisynthetic strategies to modify the glycyrrhetinic acid scaffold: the introduction of different heterocyclic rings conjugated with an α,β- unsaturated ketone in its ring A, and the opening of the ring A along with the coupling of an amino acid moiety. The structures of the new derivatives were elucidated using different techniques, including infrared spectroscopy, mass spectrometry and nuclear magnetic resonance. The glycyrrhetinic acid derivatives were tested for their antiproliferative activity against several cancer lines. The most potent derivative of each series was also tested in the non tumoral BJ cell line, to evaluate their selectivity. The leukemia Jurkat cell line, in which the antiproliferative assays had the best results for both series, was selected to the execution of further biological assays. The most potent derivative of the first series was compound 2.9, which bears an imidazole ring conjugated to an α,β-unsaturated ketone in the ring A, has a reduced ring C and a methyl ester at C-30 position. This compound had an IC50 value of 1.1μM on Jurkat cells, which was 96-fold more potent than glycyrrhetinic acid and was also 4-fold more selective toward that cells. Further biological studies showed that compound 2.9 is a potent inducer of apoptosis that activates both the intrinsic and extrinsic pathways, as early as at 6 hours of treatment. In the second group of derivatives, compound 3.16, with a cleaved ring A, a reduced ring C and an alanine methyl ester chain at C-30 position, was the more active compound. It had an IC50 value of 6.1 μM on Jurkat cells, which was 17-fold more potent than that of glycyrrhetinic acid, and was up to 10 times more selective toward that cells. Preliminary mechanism investigation indicated that the antiproliferative activity of compound 3.16 was due to cell cycle arrest at the S phase and induction of apoptosis. Overall, this work contributed with two new panels of novel glycyrrhetinic acid derivatives with enhanced potency and selectivity that warrant to be further studied.

O cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo e prevê-se que a sua incidência aumente significativamente nas próximas décadas. Apesar dos avanços científicos alcançados na sua investigação, os fármacos anticancerígenos disponíveis na prática clínica corrente apresentam várias limitações de eficácia e segurança. Estes dados refletem a urgência no desenvolvimento de novos fármacos em quimioterapia. Os produtos naturais têm sido a fonte principal de novos protótipos para o desenvolvimento de fármacos antitumorais. De facto, alguns medicamentos antineoplásicos derivados de compostos naturais constituem ainda a base da quimioterapia. Os triterpenóides pentacíclicos são um grupo de compostos naturais, amplamente distribuídos nas plantas, que apresentam uma grande variedade de atividades biológicas, incluindo antitumoral. Estes compostos têm demonstrado modular várias vias de sinalização e alvos moleculares do cancro, o que aumentou o seu interesse como protótipos para o desenvolvimento de novos fármacos. O ácido glicirretínico é um triterpenóide pentacíclico que atua em vários alvos moleculares no cancro e que pode ser extraído em grande quantidade da sua fonte natural, o que o torna num protótipo comercialmente disponível e acessível. O principal objetivo desta tese de doutoramento foi a síntese e a avaliação biológica de novos derivados do ácido glicirretínico, com o objetivo de melhorar a sua atividade antitumoral. Este trabalho seguiu duas estratégias principais de semissíntese para modificar a estrutura do ácido glicirretínico: a introdução de diferentes anéis heterocíclicos conjugados com uma cetona α,β-insaturada no seu anel A, e a abertura do anel A juntamente com o acoplamento de um aminoácido. As estruturas dos novos derivados foram elucidadas com recurso a diferentes técnicas, incluindo espectroscopia de infravermelho, espectrometria de massa e ressonância magnética nuclear. A atividade antiproliferativa dos derivados do ácido glicirretínico foi testada em várias linhas celulares humanas, de diferentes tipos de cancro. O derivado mais potente de cada série foi também testado na linha de células BJ não tumorais, para avaliar a sua seletividade. A linha celular Jurkat, na qual se obtiveram os melhores resultados de inibição de proliferação para ambas as séries, foi selecionada para a realização de ensaios biológicos adicionais. O derivado mais potente da primeira série foi o composto 2.9, que possui um anel imidazol conjugado a uma cetona α, β-insaturada no anel A, tem um anel C reduzido e um éster metílico na posição C-30. Este composto apresentou um valor de IC50 de 1.1 μM nas células Jurkat, sendo assim 96 vezes mais potente do que o ácido glicirretínico e também demonstrou ser 4 vezes mais seletivo para essas células. Estudos biológicos adicionais mostraram que o composto 2.9 é um potente indutor de apoptose que ativa ambas as vias intrínseca e extrínseca, tendo este efeito sido detetado logo ao final de 6 horas de tratamento. No segundo grupo de derivados, o composto 3.16, com o anel A clivado, o anel C reduzido e uma cadeia de éster metílico de alanina na posição C-30, demonstrou ser o composto mais ativo. O seu valor de IC50 foi de 6.1 μM nas células Jurkat, sendo por isso 17 vezes mais potente do que o ácido glicirretínico e também demonstrou ser pelo menos 10 vezes mais seletivo para estas células. A investigação preliminar do seu mecanismo de ação indicou que a atividade antiproliferativa do composto 3.16 foi devida à paragem do ciclo celular na fase S e à indução de apoptose. Em suma, este trabalho contribuiu com dois novos painéis de derivados do ácido glicirretínico com potência e seletividade melhoradas e que merecem um estudo mais aprofundado.