Synteza, badania spektroskopowe i strukturalne oraz ocena właściwości przeciwnowotworowych nowych pochodnych kolchicyny - Majcher-Uchańska, Urszula (My University, 2020)
Przedmiotem rozprawy doktorskiej zatytułowanej „Synteza, badania spektroskopowe i strukturalne oraz ocena właściwości przeciwnowotworowych nowych pochodnych kolchicyny” była chemiczna modyfikacja kolchicyny w pozycji C(4) w pierścieniu A, w pozycji C(7) w pierścieniu B oraz w pozycji C(10) w pierścieniu C. Kolchicyna jest głównym pseudoalkaloidem izolowanym z Colchicum autumnale i Gloriosa superba. Kolchicyna jest jedną z najstarszych substancji leczniczych znanych ludzkości. Klinicznie kolchicyna jest stosowana w leczeniu rodzinnej gorączki śródziemnomorskiej, dnie moczanowej czy chorobie Behceta. W rozprawie doktorskiej przedstawiono syntezę i właściwości mocznikowych, uretanowych, aminowych pochodnych kolchicyny i tiokolchicyny. W celu potwierdzenia struktury i określenia czystości otrzymanych związków wykorzystano techniki spektroskopowe np. spektrometrię mas (ESI-MS), analizę elementarną (EA), spektroskopię w podczerwieni (FT-IR) oraz spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (1H NMR, 13C NMR). W przypadku dwóch pochodnych kolchicyny wykonano dodatkowo analizę krystalograficzną we współpracy z prof. Janem Janczakiem z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk. We współpracy z naukowcami z polskich i zagranicznych ośrodków naukowych (zespołem prof. Joanny Wietrzyk z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej Polskiej Akademii Nauk, dr Alicją Urbaniak i prof. Timothym C. Chambersem z Zakładu Biochemii i Biologii Molekularnej na Uniwersytecie Nauk Medycznych w Arkansas, USA) przeprowadzono badania aktywności biologicznej nowych związków. Do oceny aktywności przeciwnowotworowej kolchicyny i jej mocznikowych pochodnych wykorzystano linie komórek ludzkich nowotworów. Dla kolchicyny i jej najaktywniejszych pochodnych wykonano analizę cyklu komórkowego oraz badanie wpływu na organizację mikrotubul w komórkach nowotworowych za pomocą metod immunofluorescencyjnych. Dodatkowo oceniono aktywność wybranych związków w stosunku do komórek pierwotnej ostrej białaczki limfoblastycznej (ALL) oraz nowotworu piersi (BC) (badania in vitro i ex vivo). Dzięki współpracy z prof. Jackiem Tuszyńskim z Wydziału Onkologii na Uniwersytecie Alberta w Kanadzie przeprowadzono dokowanie molekularne otrzymanych pochodnych kolchicyny do kolchicynowego miejsca wiążącego (ang. colchicine binding site CBS), zbadano ich interakcje z βI tubuliną w oraz obliczono energię wiązania otrzymanych związków z docelowym miejscem wiążącym w tubulinie. Przeprowadzenie wszystkich wyżej wymienionych badań pozwoliło na zaobserwowanie zależności pomiędzy strukturą a aktywnością biologiczną otrzymanych związków (ang. structure-activity relationship). Aktywność biologiczna pochodnych kolchicyny silnie zależy od chemicznej natury wprowadzonego łańcucha alifatycznego w pozycji C(7) czy C(10) oraz heteroatomu (Cl, Br, I) wprowadzonego w pozycji C(4). Najbardziej aktywnymi związkami okazały się pochodne niewielkich podstawnikach (krótkie łańcuchy alifatyczne). Uretanowe pochodne wykazywały dużo lepszą aktywność przeciwnowotworową niż pochodne mocznikowe czy aminowe. Przedstawione badania w niniejszej rozprawie doktorskiej nad modyfikacją chemiczną znanego związku naturalnego - kolchicyny udowodniły jednoznacznie, że modyfikacja chemiczna tego związku może doprowadzić do analogów cechujących się większą cytotoksycznością i lepszą selektywnością działania oraz synergistycznym działaniem z wybranymi lekami przeciwnowotworowymi.

The subject of the doctoral dissertation entitled "Synthesis, spectroscopic and structural studies and evaluation of the anti-cancer properties of new colchicine derivatives" was chemical modification of colchicine at position C(4) in ring A, at position C(7) in ring B and at position C (10) in ring C. Colchicine is the major pseudoalkaloid isolated from Colchicum autumnale and Gloriosa superba and is one of the oldest healing substances known to mankind. Clinically, colchicine is used to treat Familial Mediterranean fever, gout and Behcet's disease. In the dissertation the syntheses and properties of urea, urethane and amine derivatives of colchicine and thiocolchicine has been described. In order to confirm the structure and to determine the purity of the obtained compounds, several spectroscopic techniques like electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS), infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H and 13C NMR) were used. The crystallographic analysis of two crystalline derivatives of colchicine was performed in cooperation with Prof. Jan Janczak from the Institute of Low Temperature and Structure Research, PAS. In cooperation with scientists from Polish and foreign research centres (Prof. Joanna Wietrzyk's team from the Institute of Immunology and Experimental Therapy of the Polish Academy of Sciences or Dr. Alicja Urbaniak and Prof. Timothy C. Chambers from the Department of Biochemistry and Molecular Biology at the University of Medical Sciences in Arkansas) the biological activity of the new compounds were tested using several human cancer cell lines. Moreover, for colchicine and its most active derivatives the cell cycle analysis was performed and the influence of these compounds on microtubule organization in cancer cells was tested using immunofluorescence methods. Additionally, the activity of the compounds against acute lymphoblastic leukaemia (ALL) and breast cancer (BC) (in vitro and ex vivo studies) was evaluated. In cooperation with Prof. Jacek Tuszyński from the Faculty of Oncology at the University of Alberta, molecular docking of the obtained colchicine derivatives was performed showing the interactions of colchicine derivatives with the colchicine binding site (CBS) of βI tubulin. Results of the above-mentioned studies allowed concluding about the structure-activity relationship. The biological activity of colchicine derivatives strongly was found to depend on the chemical nature of the introduced aliphatic chain at C(7) or C (10) position and the heteroatom (Cl, Br, I) introduced at C (4) position. The most active compounds turned out to be the derivatives with small substituents (short aliphatic chains). Urethane derivatives showed much better in vitro antitumor activity than urea or amine derivatives. The studies presented in this doctoral dissertation on the chemical modification of colchicine have clearly proven that the chemical modification of this compound may lead to analogues characterized by greater cytotoxicity and better selectivity of action than anticancer drugs as well as synergistic action with selected anticancer drugs.
Synthesis, spectroscopic and structural studies and evaluation of anticancer properties of new colchicine derivatives
Wydział Chemii
Keywords: kolchicyna; tiokolchicyna; aktywność przeciwnowotworowa; inhibitor miejsca wiązania kolchicyny; tubulina; colchicine; thiocolchicine; antiproliferative activity; colchicine binding site inhibitor; tubulin