Study on the Discovery of Potential Anticancer Agents

Abstract

All cells in the body contain DNA and normally, cells in the body grow and divide at a controlled rate. However, when a cell’s DNA is damaged and the body system is unable to repair it, the cell will begin to behave in an abnormal way; grow uncontrollably, invade surrounding tissue, travel to other parts of the body (metastasize), live longer than normal cells, and attract blood vessels that help cancers to grow. This abnormal behavior of the cell is called as cancer. Cancer represents one of the most mortal issues of mankind and its prevention and understanding to treat have continuously studied. There are many types of standard treatments available to help control and manage cancer, including surgery, radiation, and chemotherapy. Today, treatments are being developed that attack cancer in ways that are different from standard chemotherapy. Some of these new treatments, like molecular targeted therapies (MTT), are already accessible to help treat certain types of cancer. MTT can block or slow the growth of certain types of cancer, while minimizing harm to normal cells, because they are designed to specifically target cancer cells. The development of anticancer drugs focus on approach of MTT and the systematic investigation in our research resulted in targeting inhibition strategy against GSK-3β and tubulin polymerization. For each set of subject considered, a number of analogues were prepared, in order to approach a structure activity relationship studies. Initially, four different types of compounds as GSK-3β inhibitors were designed based on their binding mode analysis in GSK-3β crystal structure. The pyridopyrimidindione, bensotriazole, pyrazolo[4,3-d]pyrimidinone and 3-aminoindazole derivatives were synthesized and evaluated for their in vitro anticancer activity against various human cancer cell lines. The structure-activity relationships of synthesized compounds at several substituents have been explained. Among them, pyridopyrimidindione compounds were potent with above 80%, while their IC50 activity showed moderate result with by 20 uM. 3-aminoindazole derivatives efficiently inhibited tumor cell proliferation and enzyme inhibition against GSK-3β was also selectively active over Aurora A. Compound 29h was most potent with 48 nM of IC50 value. Binding mode of active compounds and structure-activity relationship was explained by docking simulation. For the next part, the aryloxazole compounds as vascular disrupting agents were designed based on the computation modeling with colchicines binding site. The designed compounds were synthesized and their cytotoxicity was evaluated with HL-60 tumor cell line. After screening, several compounds were selected for tumor vascular disrupting activity, molecular stability, vascular disrupting effect (HUVEC) and tubulin polymerization inhibition (TPI). As results, some compounds were highly potent and two compounds were chosen in final for in vivo. Compound 45-52 (R1=2-F, R2=3,5-OMe) was the most potent with 10.3 nM of IC50 value against HL-60 and with 30 ng/mL of vascular disrupting concentration. While its microsomal stability was 15% for human and 16.6% for mice, respectively. Compound 45-49 (R1=2-F, R2=3,5-Cl) having 60.5 nM value of IC50 showed more stable compound (82% for human, 49% for mice). The title compounds also exhibited excellent TPI activity. In in vivo, compound 45-49 reduced 42% of tumor size at 100 mg/kg, however compound 45-52 showed no tumor reducing activity in size. All of results demonstrate the importance of study of arlyoxazole analogues as vascular disrupting agents and 3-aminoindazol for GSK-3β inhibition. Therefore, it is worthwhile to investigate these classes of compounds in widen direction. ;세포의 규칙적인 성장과 분열은 DNA의 손상에 의해서 정상적인 세포 분열 조절이 불가능게 된다. 이와 같은 비정상적인 세포는 정상세포와는 달리 그 성장이 빠르고 주위의 세포조직과 신체 기관을 침식하며, 과도한 성장에 필요한 혈관 형성을 유도하는 특징을 갖고 있다. 이러한 세포들을 암세포라 하는데 암은 인류에게 가장 치명적인 질병의 하나로 이에 대한 이해와 예방이 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 이루어지는 항암치료는 수술, 방사선치료, 화학요법등이 있지만 오늘날 새로이 사용되고 있는 치료법으로 분자타겟요법 (molecular targeted therapies, MTT)이 있으며 이는 특정 암세포를 타겟으로 고안되어 암치료에 효과적이며, 특히 정상세포의 손상을 최소화하고 암세포의 성장을 저해하는 특성을 가지고 있다. 이러한 취지하에 본 논문은 새로운 항암제의 개발로 글리코겐 합성 카이네즈-3베타와 튜블린을 타겟으로 하는 효과적인 항암제를 디자인, 합성하였으며 각각의 치환체에 따른 구조와 생리 활성에 대한 상관성을 연구하였다. 먼저, 글리코겐 합성 카이네즈-3베타 저해제는 카이네즈의 결정구조와 여러가지 라이간드의 결합형태를 연구한 후 이와 유사한 결합 형태를 형성할 것으로 예상되는 4개의 새로운 구조를 각각 디자인, 합성하였다. 다양한 암세포와 타겟 카이네즈를 사용하여 저해활성도(%)를 측정하였다. 그 중 3-아미노인다졸 유도체는 우수한 카이네즈 저해효과를 나타내었으며, 화합물 29h는 48 nM (IC50)의 활성을 보여 가장 우수한 화합물이였다. 화합물29h의 생리활성도를 컴퓨터 시뮬레이션를 이용하여 카이네즈 내의 결합부위와 화합물의 결합 구조 연구를 알아보았다. 다음으로 혈관생성 저해효과가 있을 것으로 예상되는 아릴 옥사졸계의 화합물을 위해 콜치신 결합부위에 대한 연구를 하였으며 이를 통해 새로운 화합물을 컴퓨터 도안하였다. 도안된 화합물들을 합성하여 전골수구성 백혈 세포 (HL-60)의 생리 활성 억제를 측정하였으며, 그 중 우수한 화합물들을 선택하여 혈관억제효과, 마이크로좀 내에서의 안정성, 튜블린 억제 효과를 측정하였다. 그 결과, 화합물 45-49와 45-52를 선택하여 실제 마우스에서 인위적으로 형성된 종양의 크기를 억제하는 효과를 (in vivo) 측정하였다. 화합물 45-49는 100 mg/kg을 투입하였을 경우 42%의 종양의 크기를 줄이는 효과가 있었으나 화합물45-52는 이러한 효과가 없는 것으로 나타났다. 항암제 개발을 위해 글리코겐 합성 카이네즈-3베타의 활성 저해제로 3-아미노인다졸계를, 혈관생성 저해제로 아릴 옥사졸계의 화합물을 합성하였으며 위의 화합물들은 각각 우수한 생리활성 억제제로서의 효과를 보였으며 이러한 연구 결과를 기반으로 하여 두 화합물을 이용한 항암제의 추후 연구가 기대되는 바 이다.