Síntesis de análogos fosforados de la vitamina D3 y estudio de su actividad antitumoral

Abstract

A pesar de los grandes avances logrados en el diagnóstico y tratamiento de las enfermedades oncológicas, la sobrevida de los pacientes se ha alargado mínimamente en algunos tipos de cáncer. Por ello, resulta fundamental profundizar la búsqueda y desarrollo de terapias novedosas evaluando nuevos blancos moleculares y nuevos agentes quimioterapéuticos. La forma hormonalmente activa de la vitamina D3, el 1α, 25-dihidroxiVitamina D3 o calcitriol, tiene efectos antitumorales en varios tipos de cáncer pero presenta hipercalcemia como efecto secundario, lo que dificulta la administración de la dosis necesaria para inducir una respuesta antitumoral. Es por ello, que se busca diseñar racionalmente análogos del calcitriol que posean mayores o iguales efectos antitumorales, pero que carezcan de la actividad hipercalcemiante. En este sentido, análogos de la vitamina D que poseen un grupo fosfonato en su cadena lateral han mostrado tener baja actividad calcémica. Teniendo en cuenta estos antecedentes, previamente a este trabajo de Tesis Doctoral, se diseñó y sintetizó un análogo del calcitriol denominado EM1, que contiene un grupo alquinilfosfonato en su cadena lateral. Este análogo demostró poseer potentes efectos antitumorales in vitro en diferentes líneas celulares cancerosas e in vivo en modelos animales de cáncer, y carecer de actividad hipercalcemiante en ratones, demostrando que es un buen candidato para el tratamiento de algunos tipos de cáncer. Por lo tanto, en base a la evidencia previa sobre los potentes efectos antitumorales del análogo sintético EM1; en este trabajo de Tesis Doctoral, nos propusimos sintetizar nuevos análogos fosforados de la vitamina D3, introduciendo modificaciones en la cadena lateral del análogo EM1 a partir de reducciones parciales, síntesis de oxanálogos, así como también síntesis de vinilfosfonatos vía química de cupratos y/o complejos de titanio, adición con pentacloruro de fósforo o clorofosfato de dietilo; y síntesis de bisfosfonatos. Las distintas alternativas fueron ensayadas en primera instancia con sustratos modelos, con el objeto de optimizar las condiciones de reacción para luego trabajar sobre el biciclo CD del análogo EM1. En cuanto a la estrategia de reducción, con sustratos modelos se logró controlar la reducción parcial del alquinilfosfonato, sin embargo, cuando dichas condiciones se emplearon con el biciclo CD, no se pudo controlar el grado de avance de la misma, conduciendo a la obtención del producto de reducción total del triple enlace. Además, una alternativa que se evaluó para sintetizar vinilfosfonatos, es la adición de complejos de titanio sobre alquinilfosfonatos pero lamentablemente, los resultados no fueron los esperados. Otra opción contemplada dentro del plan de trabajo, fue la adición de cupratos sobre alquinilfosfonatos. De este modo, obtuvimos vinilfosfonatos di y trisustituidos con rendimientos buenos y moderados en sustratos modelos y biciclo CD del análogo EM1. En la presente Tesis Doctoral se describe la síntesis, caracterización, evaluación biológica y computacional de un nuevo análogo del calcitriol denominado SG, el cual es un derivado del EM1. Este análogo se sintetizó a partir de la química de cupratos, y presenta un grupo vinilfosfonato disustituido en su cadena lateral. Por otra parte, se describen los métodos elegidos para la preparación de los precursores del análogo SG, como son, la síntesis del biciclo CD a partir del diol de Inhoffen y el óxido de fosfina portador del anillo A. La construcción del sistema triénico, se realizó mediante la reacción de Wittig-Horner, a través del acoplamiento entre la cetona de Grundmann con la cadena lateral modificada y el anión del óxido de fosfina. Este método permite construir el sistema triénico de manera eficiente, estereoselectiva y en condiciones suaves en las últimas etapas de síntesis. Posteriormente, se evaluó la actividad calcemiante y acción antitumoral del análogo SG, comparando sus efectos con los ejercidos por el calcitriol y el análogo EM1, con el fin de realizar estudios estructura actividad. Pudimos demostrar que SG no presenta efectos hipercalcemiantes in vivo en ratones, resultados similares al análogo sintético EM1, aunque sus efectos biológicos sobre diferentes líneas tumorales in vitro fueron escasos. Por último, realizamos los estudios in sílico de modelado y dinámica computacional para poder comprender los efectos biológicos diferenciales entre ambos análogos, y pudimos evidenciar que debido a la modificación estructural en la cadena lateral entre el vinilfosfonato SG y el alquinilfosfonato EM1, hay una considerable variación en la energía de unión específica con el receptor de vitamina D (VDR), debido a una interacción diferencial, que se refleja en los cambios observados en los efectos antitumorales. De este modo, podemos concluir que el análogo SG tiene menor afinidad al VDR, lo cual sugiere que es un mal ligando y modulador en comparación con el análogo EM1.

Despite of the great advances made in the diagnosis and treatment of oncological diseases, patient outcome has improved minimally in some types of cancer. Therefore, it is essential to deepen the search and development of novel therapies by evaluating new molecular targets and new chemotherapeutic agents. The hormonally active form of vitamin D3, 1α,25-dihydroxyVitamin D3 or calcitriol, has antitumor effects in several types of cancer but displays hypercalcemia as secondary effect, making it difficult to administer the necessary dose to induce an antitumor response. For this reason, the aim is to rationally design calcitriol analogues that display greater or equal antitumor effects, but lack hypercalcemic activity. In this regard, vitamin D analogues that have a phosphonate group in their side chain have been shown to have low calcemic activity. Taking into account these antecedents, before this Doctoral Thesis work, a calcitriol analogue called EM1 was designed and synthesized, which contains an alkynylphosphonate group in its side chain. This analogue was shown to have potent antitumor effects in vitro in differents cancer cell lines and in vivo in animal models assays, and to lack in vivo hypercalcemic activity in mice, showing that it is a good candidate for the treatment of some types of cancer. Therefore, based on previous evidence on the potent antitumor effects of the synthetic EM1 analogue; this doctoral thesis work, we set out to synthesize new phosphorous analogues of vitamin D3, introducing modifications in the side chain of the EM1 analogue from partial reductions, synthesis of oxanalogues, as well as synthesis of vinylphosphonates via chemical cuprates and/or titanium complexes, added with phosphorous pentachloride or diethyl chlorophosphate; and synthesis of bisphosphonates. The different alternatives were first tested with model substrates, in order to optimize the conditions of reaction and then work on the CD bicycle of the EM1 analogue. Regarding the reduction strategy, with models substrates it was possible to control the partial reduction of the alkynylphosphonate, however, when these conditions were used with the CD bicycle, the degree of advancement of the same could not be controlled, leading to obtaining the product of total reduction of the triple bond. In addition, an alternative that was evaluated to synthesize vinylphosphonates is the addition of titanium complexes on alkynylphosphonates, but unfortunately, the results were not as expected. Another option contemplated within the work plan was the addition of cuprates over alkynylphosphonates. In this way, we obtained di and trisubstituted vinylphosphonates with good and moderate yields on model substrates and CD bicycle of the EM1 analogue. This doctoral thesis describes the synthesis, characterization, biological and computational evaluation of a new calcitriol analogue called SG, which is a derivative of EM1. This analogue was synthesized from cuprate chemistry, and has a disubstituted vinylphosphonate group on its side chain. On the other hand, the methods chosen for the preparation of the SG analogue precursors are described, such as the synthesis of the CD bicycle from the diol Inhoffen and the phosphine oxide carrying ring A. The construction of the trienic system is performed by the Wittig-Horner reaction, through the coupling between Grundmann's ketone with the modified side chain and the phosphine oxide anion. This method allows to build the triene system efficiently, stereoselectively and under mild conditions in the last stages of synthesis. Subsequently, the calcemic activity and antitumor action of the SG analogue was evaluated, comparing its effects with those exerted by calcitriol and the EM1 analogue, in order to carry out structure-activity studies. We were able to show that SG does not have hypercalcemic effects in vivo in mice, similar results to the synthetic EM1 analogue, although its biological effects on different tumor lines in vitro were scarce. Finally, we carried out in silico modeling and computational dynamics studies in order to understand the differential biological effects between both analogues, and we were able to show that due to the structural modification in the side chain between vinylphosphonate SG and alkynylphosphonate EM1, there is considerable variation in the specific binding energy with the vitamin D receptor (VDR), due to a differential interaction, which is reflected in the changes observed in the antitumor effects. Thus, we can conclude that the SG analogue has a lower affinity to VDR, which suggests that it is not a good ligand and modulator compared to the EM1 analogue.