Ghent University Academic Bibliography

Advanced

QSAR-directed design, synthesis and evaluation of anti-invasive chalcones and analogues

Bart Roman UGent (2012)
abstract
Wereldwijd sterven jaarlijks 7,6 miljoen mensen aan de gevolgen van ‘kanker’, de overkoepelende uitdrukking voor een zeer diverse verzameling van maligne neoplasma’s. Het begrijpen en bestrijden van deze kwaadaardige aandoeningen is en blijft dan ook een van de omvangrijkste uitdagingen waar de mensheid in haar zin naar overleving en vooruitgang mee wordt geconfronteerd. In de voorbije dertig jaar is enorme progressie geboekt in onze inzichten in de biochemische processen die een gezonde cel laten uitgroeien tot zijn maligne tegenhanger. Overkoepelende en essentiële kenmerken die daarbij verworven worden door alle typen van kanker zijn (i) het vermogen tot een snelle en ongelimiteerde celdeling en (ii) de capaciteit om aangrenzende weefsels te invaderen, en langs deze weg andere plaatsen in het lichaam te koloniseren (metastasering). Hoewel chirurgie, radiotherapie en de klassieke chemotherapeutica een krachtig antwoord bieden op primaire tumorgroei, het gevolg van het eerstgenoemde kenmerk, mediëren zij slechts geringe respons in vergevorderde ontwikkelingsstadia, als metastasen (uitzaaiingen) zijn ontstaan. Effectieve behandelingsmethoden in deze fase van de ziekte zijn tot op heden onbestaande, waardoor 90% van de kankergerelateerde mortaliteit vandaag te wijten is aan de gevolgen van metastasering. Het doel van het huidige onderzoek was dan ook om nieuwe, effectieve middelen te ontwikkelen, specifiek gericht op het bestrijden van de eerste en noodzakelijke stap in de vorming van metastasen: de invasie van kankercellen in aangrenzende weefsels. Dergelijke moleculen zouden van enorme waarde zijn in de behandeling van kanker. In deze context heeft het screeningsprogramma voor anti-invasieve stoffen van de Bracke-groep in de voorbije decennia een unieke dataset gecompileerd voor de in vitro anti-invasieve activiteit van honderden stoffen. Deze bibliotheek diende bijgevolg als uitgangspunt in onze zoektocht. Bij nader onderzoek van deze set werd onze aandacht getrokken door chalconen (1,3 diarylpropenonen) en verwante verbindingen, die een anti-invasief gedrag vertoonden tot op 1 μmol.L-1. De 1,3-diarylpropenonen werden bijgevolg beschouwd als 'hitverbindingen', en opgenomen in een 'hit-to-lead'-type programma. Synthese en structuur-activiteitsrelaties : In een eerste deel van het werk is gefocust op het verhogen van de activiteit van de chalconen via de optimalisatie van het decoratiepatroon van hun aromatische ringen. De screeningsdatabase werd daartoe uitgebreid met 33 synthetische analogen. Structuur-activiteitsrelatie (SAR)-analyses leverden echter geen duidelijke inzichten in de factoren die de activiteit van de 1,3-diarylpropenonen beïnvloeden. Daarom werd een kwantitatief structuur-activiteitsrelatie (QSAR)-model voor de activiteit van de uitgebreide dataset ontwikkeld, dat ons in staat stelde om gericht chalconen te synthetiseren met een gunstige activiteitsvoorspelling. Dit model werd met succes gevalideerd ten opzichte van een externe, structureel gevarieerde dataset, en kan de activiteit voorspellen van verbindingen die werkzaam zijn bij submicromolaire concentraties. In dit eerste deel van het werk werd bovendien een uitzonderlijk krachtig anti-invasief chalcon X gesynthetiseerd, dat werkzaam bleek tot op 10 nmol.L-1. Uit verder SAR-onderzoek bleek dat 2- en 3-atoomslinkers tussen beide aromaten het meest interessant leken voor activiteit, en dat de actieve geometrie van chalconen wellicht eerder bij de s-trans dan bij de s cis-conformatie aanleunt. Aan het eind van dit eerste werkpakket kon chalcon X (structuur confidentieel) als meest interessante leadkandidaat naar voor geschoven worden. Deze molecule koppelt een buitengewoon hoge activiteit (10 nmol.L-1) aan een selectieve toxiciteit voor borstkankercellen bij 10 μmol.L-1. Bovendien gaat de anti-invasieve activiteit bij nanomolaire concentraties niet gepaard met toxiciteit ten aanzien van de kankercellen. Deze observaties wijzen op een anti-invasief werkingsmechanisme dat niet louter gebaseerd is op antiproliferatieve activiteit. Bijgevolg werd propenon X geselecteerd voor verdere leadvalidatiestudies, die een tweede luik van het onderzoek uitmaakten. Leadvalidatie : Toxiciteit. In eerste instantie werd een voorlopig inzicht in het toxiciteitsprofiel van chalcon X verkregen. Tijdens verkennende in vitro-experimenten rezen geen bezwaren ten aanzien van de veiligheid van de molecule. Voorts werden bij een 14-dagen durend toxiciteitsexperiment in muizen geen acute effecten waargenomen bij doseringen tot 160 μg.kg-1. Bevestiging van de activiteit. Een ander aspect van leadvalidatie omvat het uitvoeren van aanvullende experimenten ter verifiëring van de activiteit van de leadkandidaten, zowel in vitro als in vivo. Uitgebreidere in vitro testen bevestigden de sterk anti-invasieve effecten van X ten aanzien van zowel borstkanker-, melanoma- als ovariumcarcinoomcellen. Om een eerste beeld te verkrijgen van het in vivo potentieel van chalcon X ten opzichte van borstkankercellen, werd een metastase-experiment in naakte muizen uitgevoerd, met intracardiale inoculatie van kankercellen. Overlevingstijd werd gekozen als het enige eindpunt in deze preliminaire in vivo-studie. Er werd een significante toename in overlevingstijd waargenomen (p = 0,018) voor behandelde dieren ten opzichte van de onbehandelde controlegroep. Werkingsmechanisme : In een laatste deel van het onderzoek werd gezocht naar het werkingsmechanisme van chalcon X. Hoewel in deze studies geen ‘target’ werd geïdentificeerd, konden wel een aantal mogelijke mechanismen worden uitgesloten, wat richting geeft aan toekomstig onderzoek. Het anti-invasief karakter van chalcon X bleek niet het gevolg van het beïnvloeden van de celgroei. Daarnaast is geen stimulerend effect op celaggregatie waargenomen. Een interessant verband trad evenwel naar voren tussen chalcon X, E-cadherine-expressie en E2, waarop verder dient te worden ingegaan. Bovendien vertoonde chalcon X ook een gering proapoptotisch effect. Verder konden andere mechanismen die vaak worden geassocieerd met chalconen, zoals de remming van tubulinepolymerisatie, worden uitgesloten. Samenvattend kan er gesteld worden dat anti-invasieve chalconen met een buitengewoon hoge in vitro activiteit zijn bereid, met verbinding X als een exponent hiervan. Deze laatste molecule wordt momenteel verder onderzocht in aanvullende leadvalidatie-experimenten. Tot op heden zijn geen problemen gerezen op het gebied van toxiciteit, en bemoedigende resultaten werden verkregen in preliminaire dierproeven. Drie hoofdlijnen voor toekomstig onderzoek kunnen worden geschetst: - verdere in vitro en in vivo leadvalidatie van chalconen; - ontwikkeling van bijkomende klassen van chalconanaloga; dit kan leiden tot de ontdekking van bijkomende sterk anti-invasieve stoffen, en kan meer licht werpen op de SAR van chalconen; - verdere studie naar het werkingsmechanisme van chalcon X.
Please use this url to cite or link to this publication:
author
promoter
UGent and UGent
organization
alternative title
QSAR-gestuurde design, synthese en evaluatie van anti-invasieve chalconen en analogen
year
type
dissertation (monograph)
subject
keyword
chalcones, QSAR, invasion, cancer, natural products, drug design, in vitro, in vivo, antineoplastic
pages
XXII, 400 pages
publisher
Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering
place of publication
Ghent, Belgium
defense location
Gent : Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen (A0.030)
defense date
2012-05-31 15:30
ISBN
9789059895270
language
English
UGent publication?
yes
classification
D1
id
2109755
handle
http://hdl.handle.net/1854/LU-2109755
date created
2012-05-21 14:04:34
date last changed
2012-05-22 08:45:34
@phdthesis{2109755,
  abstract     = {Wereldwijd sterven jaarlijks 7,6 miljoen mensen aan de gevolgen van {\textquoteleft}kanker{\textquoteright}, de overkoepelende uitdrukking voor een zeer diverse verzameling van maligne neoplasma{\textquoteright}s. Het begrijpen en bestrijden van deze kwaadaardige aandoeningen is en blijft dan ook een van de omvangrijkste uitdagingen waar de mensheid in haar zin naar overleving en vooruitgang mee wordt geconfronteerd.
In de voorbije dertig jaar is enorme progressie geboekt in onze inzichten in de biochemische processen die een gezonde cel laten uitgroeien tot zijn maligne tegenhanger. Overkoepelende en essenti{\"e}le kenmerken die daarbij verworven worden door alle typen van kanker zijn (i) het vermogen tot een snelle en ongelimiteerde celdeling en (ii) de capaciteit om aangrenzende weefsels te invaderen, en langs deze weg andere plaatsen in het lichaam te koloniseren (metastasering).
Hoewel chirurgie, radiotherapie en de klassieke chemotherapeutica een krachtig antwoord bieden op primaire tumorgroei, het gevolg van het eerstgenoemde kenmerk, medi{\"e}ren zij slechts geringe respons in vergevorderde ontwikkelingsstadia, als metastasen (uitzaaiingen) zijn ontstaan. Effectieve behandelingsmethoden in deze fase van de ziekte zijn tot op heden onbestaande, waardoor 90\% van de kankergerelateerde mortaliteit vandaag te wijten is aan de gevolgen van metastasering.
Het doel van het huidige onderzoek was dan ook om nieuwe, effectieve middelen te ontwikkelen, specifiek gericht op het bestrijden van de eerste en noodzakelijke stap in de vorming van metastasen: de invasie van kankercellen in aangrenzende weefsels. Dergelijke moleculen zouden van enorme waarde zijn in de behandeling van kanker.
In deze context heeft het screeningsprogramma voor anti-invasieve stoffen van de Bracke-groep in de voorbije decennia een unieke dataset gecompileerd voor de in vitro anti-invasieve activiteit van honderden stoffen. Deze bibliotheek diende bijgevolg als uitgangspunt in onze zoektocht. Bij nader onderzoek van deze set werd onze aandacht getrokken door chalconen (1,3 diarylpropenonen) en verwante verbindingen, die een anti-invasief gedrag vertoonden tot op 1 \ensuremath{\mu}mol.L-1. De 1,3-diarylpropenonen werden bijgevolg beschouwd als 'hitverbindingen', en opgenomen in een 'hit-to-lead'-type programma.
Synthese en structuur-activiteitsrelaties : In een eerste deel van het werk is gefocust op het verhogen van de activiteit van de chalconen via de optimalisatie van het decoratiepatroon van hun aromatische ringen. De screeningsdatabase werd daartoe uitgebreid met 33 synthetische analogen.
Structuur-activiteitsrelatie (SAR)-analyses leverden echter geen duidelijke inzichten in de factoren die de activiteit van de 1,3-diarylpropenonen be{\"i}nvloeden. Daarom werd een kwantitatief structuur-activiteitsrelatie (QSAR)-model voor de activiteit van de uitgebreide dataset ontwikkeld, dat ons in staat stelde om gericht chalconen te synthetiseren met een gunstige activiteitsvoorspelling. Dit model werd met succes gevalideerd ten opzichte van een externe, structureel gevarieerde dataset, en kan de activiteit voorspellen van verbindingen die werkzaam zijn bij submicromolaire concentraties. In dit eerste deel van het werk werd bovendien een uitzonderlijk krachtig anti-invasief chalcon X gesynthetiseerd, dat werkzaam bleek tot op 10 nmol.L-1.
Uit verder SAR-onderzoek bleek dat 2- en 3-atoomslinkers tussen beide aromaten het meest interessant leken voor activiteit, en dat de actieve geometrie van chalconen wellicht eerder bij de s-trans dan bij de s cis-conformatie aanleunt.
Aan het eind van dit eerste werkpakket kon chalcon X (structuur confidentieel) als meest interessante leadkandidaat naar voor geschoven worden. Deze molecule koppelt een buitengewoon hoge activiteit (10 nmol.L-1) aan een selectieve toxiciteit voor borstkankercellen bij 10 \ensuremath{\mu}mol.L-1. Bovendien gaat de anti-invasieve activiteit bij nanomolaire concentraties niet gepaard met toxiciteit ten aanzien van de kankercellen. Deze observaties wijzen op een anti-invasief werkingsmechanisme dat niet louter gebaseerd is op antiproliferatieve activiteit. Bijgevolg werd propenon X geselecteerd voor verdere leadvalidatiestudies, die een tweede luik van het onderzoek uitmaakten.
Leadvalidatie : Toxiciteit. In eerste instantie werd een voorlopig inzicht in het toxiciteitsprofiel van chalcon X verkregen. Tijdens verkennende in vitro-experimenten rezen geen bezwaren ten aanzien van de veiligheid van de molecule. Voorts werden bij een 14-dagen durend toxiciteitsexperiment in muizen geen acute effecten waargenomen bij doseringen tot 160 \ensuremath{\mu}g.kg-1.
Bevestiging van de activiteit. Een ander aspect van leadvalidatie omvat het uitvoeren van aanvullende experimenten ter verifi{\"e}ring van de activiteit van de leadkandidaten, zowel in vitro als in vivo. Uitgebreidere in vitro testen bevestigden de sterk anti-invasieve effecten van X ten aanzien van zowel borstkanker-, melanoma- als ovariumcarcinoomcellen. Om een eerste beeld te verkrijgen van het in vivo potentieel van chalcon X ten opzichte van borstkankercellen, werd een metastase-experiment in naakte muizen uitgevoerd, met intracardiale inoculatie van kankercellen. Overlevingstijd werd gekozen als het enige eindpunt in deze preliminaire in vivo-studie. Er werd een significante toename in overlevingstijd waargenomen (p = 0,018) voor behandelde dieren ten opzichte van de onbehandelde controlegroep.
Werkingsmechanisme : In een laatste deel van het onderzoek werd gezocht naar het werkingsmechanisme van chalcon X. Hoewel in deze studies geen {\textquoteleft}target{\textquoteright} werd ge{\"i}dentificeerd, konden wel een aantal mogelijke mechanismen worden uitgesloten, wat richting geeft aan toekomstig onderzoek. Het anti-invasief karakter van chalcon X bleek niet het gevolg van het be{\"i}nvloeden van de celgroei. Daarnaast is geen stimulerend effect op celaggregatie waargenomen. Een interessant verband trad evenwel naar voren tussen chalcon X, E-cadherine-expressie en E2, waarop verder dient te worden ingegaan. Bovendien vertoonde chalcon X ook een gering proapoptotisch effect. Verder konden andere mechanismen die vaak worden geassocieerd met chalconen, zoals de remming van tubulinepolymerisatie, worden uitgesloten.
Samenvattend kan er gesteld worden dat anti-invasieve chalconen met een buitengewoon hoge in vitro activiteit zijn bereid, met verbinding X als een exponent hiervan. Deze laatste molecule wordt momenteel verder onderzocht in aanvullende leadvalidatie-experimenten. Tot op heden zijn geen problemen gerezen op het gebied van toxiciteit, en bemoedigende resultaten werden verkregen in preliminaire dierproeven. Drie hoofdlijnen voor toekomstig onderzoek kunnen worden geschetst:
- verdere in vitro en in vivo leadvalidatie van chalconen;
- ontwikkeling van bijkomende klassen van chalconanaloga; dit kan leiden tot de ontdekking van bijkomende sterk anti-invasieve stoffen, en kan meer licht werpen op de SAR van chalconen;
- verdere studie naar het werkingsmechanisme van chalcon X.},
  author       = {Roman, Bart},
  isbn         = {9789059895270},
  keyword      = {chalcones,QSAR,invasion,cancer,natural products,drug design,in vitro,in vivo,antineoplastic},
  language     = {eng},
  pages        = {XXII, 400},
  publisher    = {Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering},
  school       = {Ghent University},
  title        = {QSAR-directed design, synthesis and evaluation of anti-invasive chalcones and analogues},
  year         = {2012},
}

Chicago
Roman, Bart. 2012. “QSAR-directed Design, Synthesis and Evaluation of Anti-invasive Chalcones and Analogues”. Ghent, Belgium: Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering.
APA
Roman, B. (2012). QSAR-directed design, synthesis and evaluation of anti-invasive chalcones and analogues. Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering, Ghent, Belgium.
Vancouver
1.
Roman B. QSAR-directed design, synthesis and evaluation of anti-invasive chalcones and analogues. [Ghent, Belgium]: Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering; 2012.
MLA
Roman, Bart. “QSAR-directed Design, Synthesis and Evaluation of Anti-invasive Chalcones and Analogues.” 2012 : n. pag. Print.