Synthesis and biological activities of polyphenolic hybrids: evaluation of anti-cancer, anti-inflammatory and antioxidant activities

Abstract

Os compostos polifenólicos constituem uma classe de metabolitos secundários de plantas, mas existe também uma enorme quantidade de derivados sintéticos ou semi-sintéticos contendo múltiplas unidades fenólicas. Estes compostos apresentam importantes características biológicas, que dependem das suas estruturas básicas. Certos derivados desta família de compostos, tais como flavonoides, cromonas e cumarinas contribuem para os benefícios da dieta humana, e partilham o núcleo de benzopiran-(2 e 4)-ona ou benzofuran-3-ona. A presente dissertação inclui uma introdução geral e três capítulos que descrevem as novas rotas sintéticas estabelecidas para a preparação de novos híbridos de diversos compostos polifenólicos, assim como a sua elucidação estrutural e termina com a presentação dos resultados da avaliação biológica desses mesmos compostos. No segundo capítulo discute-se a preparação de híbridos de pirimidina- e imidazolidina-polifenóis, especialmente a síntese diastereoseletiva de novos híbridos benzofuran-3-ona-hidantoína e derivados de uracilo. A rota sintética envolve a ação de carbodiimidas sobre os ácidos cromona-(2- e 3)-carboxílicos num só passo ou em dois passos sequenciais, catalisada por uma base orgânica ou inorgânica. O terceiro capítulo descreve reações do tipo adições conjugadas 1,4 - hetero-ciclisações em cascata de compostos 1,3-dicarbonílicos em ácido cromona-3-carboxílico catalisadas por uma base orgânica, que originaram novas cromonas, cromanonas e flavonas polissubstituídas. As bispiranonas [bispiran-2 e 4)-onas] foram elaboradas numa reacção de acoplamento da 4-hidroxicumarina ou da lactona do ácido triacético com o ácido cromona-3-carboxílico ou precursores formil-funcionalizados (ω-formil-2’-hydroxy acetofenonas e cromona-3-carbaldeídos) utilizando organocatálise básica. Finalmente, alargou-se o estudo das adições conjugadas 1,4 para uma variedade de 4-hidroxipiran-2-onas e cetonas α,β-insaturadas para originar novos análogos de warfarina. Obteve-se uma variedade de estruturas complexas por hibridação das unidades de 4-hidroxicumarina ou da lactona do ácido triacético com os novos derivados de cromonas polissubstituídas. Todos as reações foram executadas em condições suaves e ambientalmente favoráveis, utilizando a 4-pirrolidinopiridina como organocatalisador básico. As estruturas dos novos híbridos polifenólicos foram caracterizados por técnicas espectroscópicas de alta resolução, incluindo espectroscopia de ressonância magnética nuclear (1D e 2D) e por difractometria de raios-X, que nos permitiram resolver o complexidade estrutural dos compostos sintetizados. O quarto capítulo apresenta os resultados da avaliação biológica obtidos com os híbridos polifenólicos sintetizados neste trabalho, mostrando a possibilidade de seu envolvimento na terapia do cancro. A maioria dos compostos foram avaliados quanto ao seu efeito sobre a citotoxicidade e proliferação de células leucémicas e ao seu envolvimento na regulação de via pró-inflamatória NF-kB, na qual, os híbridos de biscumarinas exibiram actividades elevadas (IC50 = 6-19 μM para inibição de NF-kB depois de 8 horas de incubação e IC50 = 15-39 μM para efeitos citotóxicos em células cancerosas, após 24 horas de incubação). Uma inibição moderada das enzimas HDAC e Cdc25 foi induzida pelos derivados de benzofuran-3-ona-hidantoína. Catorze dos novos derivados polifenólicos polissubstituídos, tendo como estrutura básica a benzopiran-4-ona, foram avaliados pela sua actividade quimiopreventiva do cancro mediada pela indução de sinalização citoprotectora Nrf2 (fator 2 relacionado com o fator nuclear da proteína E2) e capacidade para inibir a proliferação das células de cancro da mama. Os derivados da classe das cromanonas foram identificados como os indutores mais potentes da actividade Nrf2. As concentrações necessárias para aumentar a actividade de luciferase em 10 vezes (C10) foram de 2,8-21,3 μM. Todos os novos híbridos polifenólicos que apresentam atividade citotóxica e anti-proliferativa não afectam o crescimento de células saudáveis periféricas do sangue (PBMC) (IC50 > 50 μM), indicando a sua seletividade para as células cancerosas e sugerindo que alguns deles são estruturalmente interessantes para posteriores análises. A avaliação da atividade antioxidante utilizando os testes do radical livre DPPH e o poder redutor do ião férrico FRAP foram realizados em algumas estruturas híbridas polifenólicas.

Polyphenolic compounds represent a class of secondary metabolites of plants, but there are also a great number of synthetic or semi-synthetic derivatives characterized by the presence of multiples phenol moieties. Polyphenolic compounds underlie a number of biological characteristics such as the metabolic and therapeutic properties which depends on their basic phenolic structure. Certain members of this class, like flavonoids, chromones and coumarins contribute to the therapeutic benefits of the human diet, they all share the benzopyran-(2 or 4)-one or benzofuran-3-one nucleus. The present dissertation includes a general introduction and three main chapters describing the new synthetic methodologies established for the production of new polyphenolic hybrids, their fine structural elucidation and their biological application in cancer therapy involving redox-regulation and inflammation pathways The second chapter discusses the preparation of pyrimidine- and imidazolidine- based polyphenolic hybrids, especially the diastereoselective synthesis of new benzofuran-3-one-hydantoin hybrids and uracil derivatives. The organic synthetic route starts by the organic/inorganic base-catalyzed action of carbodiimides on chromone-(2 and 3)-carboxylic acids in a one-pot reaction or sequential steps. The third chapter describes the application of basic organocatalysis in the 1,4-conjugate additions / heterocyclisations tandem processes of 1,3-dicarbonyls on chromone-3-carboxylic acid leading to novel polysubstituted- chromones, chromanones and flavones. The bispyranone scaffold [bispyran-(2 and 4)-ones] have been elaborated in a one-step coupling reaction of 4-hydroxycoumarin or triacetic acid lactone with chromone-3-carboxylic acid or formyl-functionalized precursors (ω-formyl-2’-hydroxyacetophenones and chromone-3-carbaldehydes). Finally, the application of the 1,4-conjugate addition approach is extended to a variety of 4-hydroxypyran-2-ones reacting with α,β-unsaturated ketones, including chalcones, to give the new warfarin-analogues. Also a variety of complex structures have been obtained by hybridizing 4-hydroxycoumarin or triacetic acid lactone units with the newly synthesized poly-substituted- chromones. All the above organic reactions proceeds in mild and environmentally friendly conditions using 4-pyrrolidinopyridine as basic organocatalyst. The structures of the novel polyphenolic hybrids have been characterized by high resolution spectroscopic techniques including extensive 1D, 2D-NMR and single-crystal X-ray diffractometry which largely helped to solve the structural complexity. The fourth chapter briefly introduces the biological screenings performed on the novel synthesized polyphenolic hybrids showing their possible involvement in cancer therapy. Most of the newly obtained molecules have been evaluated for their effect on cytotoxicity and proliferation of leukemic cell lines and their involvement in regulation of NF-κB pro-inflammatory pathway, in which the biscoumarin hybrids exhibited high activities (IC50 = 6-19 μM for NF-κB inhibition after 8 hours of incubation and IC50 = 15-39 μM for cytotoxic effects on cancer cell after 24 hours of incubation). Moderate inhibitions of HDAC and Cdc25 enzymes are noticed for the previously mentioned benzofuran-3-one-hydantoin candidates. Fourteen polysubstituted benzopyran-4-one based polyphenolics were examined for their cancer chemopreventive activity mediated by induction of cytoprotective Nrf2 (nuclear factor E2-related protein 2) signalling and their ability to inhibit proliferation of breast cancer cells. Derivatives of the chromanone class were identified as the most potent inducers of Nrf2 activity. The concentrations required to increase luciferase activity by 10-fold (C10) were 2.8-21.3 μM. All the new cytotoxic and anti-proliferative polyphenolic hybrids did not affect the growth of healthy peripheral blood mononuclear cells (PBMC) (IC50 > 50 μM), indicating their selectivity for cancer cells, which make some of them interesting lead structure for further analyses. Antioxidant activity evaluations using DPPH free radical scavenging and ferric ion reducing FRAP tests have been carried out on some underlined polyphenolic hybrid structures.