Sintesi e valutazione biologica di nuovi complessi di Cu2+ e Ga3+ con leganti ditiocarbammici per l'imaging diagnostico e la terapia antitumorale

Copper is an essential metal for our organism and it belongs to the group 11 in the periodic table. Thanks to its chemical and physical features it is an effective candidate within diagnostic imaging and antitumor therapy as radioactive isotope and metal complex, respectively. 64Cu is a β+ emitter radioactive isotope, ideal to be used in PET (Positron Emission Tomography) imaging. This technology allows to obtain body images in order to identify and quantify biological and biochemical in vivo processes. Several copper compounds were synthesized and studied but only one complex with a thiosemicarbazone ligand entered in clinical trial and no copper-64 compound is still put in the market. Copper is a much studied metal even as therapeutic agent, since its concentration is very high in tumor tissues and it is involved in the angiogenetic process associated to cellular growth. These remarks, with the cisplatin success as anticancer agent and the relative interest created around the chance to develop new therapeutic agents, led to design and synthesize copper complexes able to act selectively into the tumor tissue, even against cisplatin resistant cells and without systemic toxic effects. With the aim to design new chelating systems able to be used as diagnostic agents in nuclear medicine with the radioactive isotope 64Cu and as potential anticancer agents, a neutral square-planar [Cu(DTC-Ln)2] complexes library was developed where DTC = dithiocarbamate. Dithiocarbamates are ligands, just widely studied inside our research group, able to coordinate the metal center by means of two sulfur atoms. They have the chance to be conjugated with bioactive molecules in order to obtain potential specific target systems. Moreover, recently some dithiocarbamates showed to form spontaneously stable Cu(II) complexes, able to inhibit the proteasoma chymotrypsinic-like activity inducing apoptosis in several cancer cells. Therefore use of a very wide range of structurally different dithiocarbamate ligands has the aim to evaluate possible relationship between the chemical structure and the cytotoxic activity. The complexes were prepared with the application of several synthetic procedures using CuCl2•2H2O as starting material. The complexes were completely characterized via elemental analysis, spectroscopic techniques (IR and UV-Vis) and ESI(+) mass spectrometry. In vitro citotoxicity against several human cancer cells, resistant and not to cisplatin, was tested for all copper complexes. Then, coordination chemistry was transferred to a radioactive tracer level with the radionuclide copper-64 and it was evaluated if this labeling system could be applied as radiopharmaceutical. In particular, the synthetic procedures were optimized and labeling efficiency and in vitro stability were tested. Finally, a series of uptake experiments were performed with human breast cancer cells (MCF-7) both with the cold complexes and the analogous radioactive complexes in order to learn more about the accumulation patterns whereby this class of compounds shown its citotoxic activity. Also gallium presents chemical and physical characteristics which make it a very interesting metal both in diagnostics and in therapy. In fact, gallium-68 is a β+-emitter isotope which can be easily produced by means of a portable generator and it allows to obtain high quality PET images, comparable with PET images made with fluorine-18, the most used radionuclide in diagnostic imaging, and so gallium-68 gained an increasing interest for nuclear medicine applications. Several gallium complexes were synthesized and studied and some of these were very effective and they entered in clinical trial. But, despite these promising results, no gallium compound is still put in the market. Gallium is a very employed metal just in therapy, thanks to its anticancer properties and for many decades ordinary gallium salts are used as antitumor agents. The excellent results obtained led to the design of metal based complexes able to act selectively against cancer cells, without without systemic toxic effects. With the aim to project new chelating systems for a radiopharmacetical application with gallium-68 and to develop new anticancer agents a neutral [Ga(DTC-Ln)3] complexes library was prepared with dithiocarbamate ligands, chosen for their interesting properties, just listed above. The complexes were prepared with the application of several synthetic procedures using Ga(NO3)3•6H2O as starting material. The compounds were characterized by means of elemental analysis, spectroscopic techniques (IR, NMR) and X-ray diffraction. In vitro citoxicity was tested against two human cancer cell lines for some of these complexes and, finally, it was evaluated the yield of these compounds in pH dependence in order to perform some considerations before transferring coordination chemistry to a radioactive tracer level with gallium-68 which is obtained from the generator by means of an acid solution.

Il rame è un metallo essenziale per il nostro organismo appartenente al gruppo 11 della tavola periodica. Grazie alle sue caratteristiche chimiche e fisiche è un valido candidato nell'ambito della diagnostica per immagini come isotopo radioattivo e nella terapia antitumorale come complesso metallico. Il 64Cu è un isotopo radioattivo β+ emittente ottimo per essere utilizzato nella diagnostica per immagini di tipo PET. Questa tecnica permette infatti l'ottenimento di immagini del corpo umano allo scopo di identificare e quantificare in vivo processi biologici e biochimici. Diversi composti di rame sono stati sintetizzati e studiati ma solo un complesso con un legante tiosemicarbazone è entrato in fase avanzata di sperimentazione clinica e nessun prodotto a base di 64Cu è ancora stato immesso in commercio. Il rame risulta essere un metallo molto studiato anche in ambito terapeutico, dal momento che la sua concentrazione è particolarmente elevata nei tessuti tumorali ed è coinvolto nel processo di angiogenesi associato alla crescita tumorale. Queste osservazioni, unite al successo ottenuto dal cisplatino come agente antitumorale e al conseguente interesse nato attorno alla possibilità di sviluppare nuovi composti metallici come agenti terapeutici, hanno portato alla progettazione e alla sintesi di complessi di rame in grado di agire selettivamente a livello del tumore, senza effetti tossici a livello sistemico e attivi anche nei confronti di linee cellulari resistenti al cisplatino. Con l'obiettivo di progettare dei nuovi sistemi chelanti in grado di essere utilizzati da un lato a scopo diagnostico in medicina nucleare con l'utilizzo del isotopo radioattivo 64Cu e dall'altro a scopo terapeutico come potenziali antitumorali, è stata sviluppata una libreria di complessi neutri a geometria quadrato planare di Cu2+ con leganti bidentati del tipo [Cu(DTC-Ln)2] dove DTC = ditiocarbammato. I ditiocarbammati sono dei leganti, ampiamente studiati all'interno del nostro gruppo di ricerca, in grado di legare il metallo attraverso due atomi di zolfo, con la possibilità di essere derivatizzati con molecole biologicamente attive per ottenere dei potenziali sistemi target specifici. Recentemente, inoltre, alcuni ditiocarbammati hanno dimostrato di formare spontaneamente complessi stabili di Cu(II)(10), in grado di inibire l’attività chimotripsinica del proteasoma inducendo apoptosi in differenti tipi di cellule tumorali. L'utilizzo di una serie molto ampia di leganti ditiocarbammici strutturalmente diversi ha, quindi, l'obiettivo di valutare possibili relazioni tra la struttura chimica e l’attività citotossica. I complessi sono stati preparati attraverso l'applicazione di diverse vie sintetiche che utilizzano come materiale di partenza CuCl2•2H2O. I complessi ottenuti sono stati caratterizzati mediante analisi elementare, tecniche spettroscopiche (IR e UV-Vis) e spettrometria di massa ESI(+). Di tutti i composti ottenuti è stata testata la citotossicità in vitro nei confronti di linee cellulari tumorali resistenti e non al cisplatino, composto a base metallica di riferimento. Successivamente la chimica di coordinazione è stata trasferita a livello di tracciante con il radionuclide 64Cu ed è stato valutato se questo sistema di marcatura può essere applicato in ambito radiofarmaceutico. In particolare, sono state ottimizzate le procedure sintetiche ed è stata testata l’efficienza di marcatura e il profilo di stabilità in vitro del sistema. Infine sono stati effettuati una serie di esperimenti di uptake in cellule di tumore alla mammella MCF-7 sia con i composti non radioattivi che con gli analoghi radiomarcati allo scopo di approfondire i meccanismi di accumulo cellulare attraverso i quali questa classe di composti esplica la sua attività citotossica. Anche il gallio ha caratteristiche chimiche e fisiche che lo rendono un metallo molto interessante sia a livello diagnostico che terapeutico. Infatti, il 68Ga è un isotopo radioattivo β+ emittente che può essere facilmente prodotto mediante generatore portatile e consente di ottenere immagini PET di ottima qualità, paragonabili a quelle ottenute con il 18F isotopo attualmente di elezione nella diagnostica, riscuotendo un interesse sempre più elevato. Diversi complessi di gallio sono stati sintetizzati e studiati, alcuni sono risultati molto efficaci potendo così entrare in fase avanzata di sperimentazione clinica. Ma nonostante i promettenti risultati nessun composto è ancora stato immesso in commercio. Il gallio risulta essere un metallo molto impiegato anche in terapia, grazie alle sue proprietà antineoplastiche e da diversi decenni semplici sali di gallio sono utilizzati come antitumorali. Gli ottimi risultati ottenuti hanno portato alla progettazione di complessi metal based in grado di agire selettivamente a livello del tumore, senza effetti tossici a livello sistemico e attivi anche nei confronti di linee cellulari resistenti al cisplatino. Con l'obiettivo di progettare dei nuovi sistemi chelanti per una applicazione radiofarmaceutica con l’isotopo 68Ga da un lato e lo sviluppo di nuovi agenti antitumorali dall’altro, è stata sviluppata una libreria di complessi neutri di Ga3+ con leganti bidentati del tipo [Ga(DTC-Ln)3] con leganti ditiocarbammici, selezionati per le loro caratteristiche già elencate in precedenza. I complessi sono stati preparati attraverso l'applicazione di diverse vie sintetiche che utilizzano come materiale di partenza Ga(NO3)3•6H2O. I composti ottenuti sono stati caratterizzati mediante analisi elementare, tecniche spettroscopiche (IR, NMR) e diffrattometria ai raggi X. Di alcuni complessi è stata testata la citotossicità in vitro nei confronti di due diverse linee cellulari tumorali ed, infine è stata testata la resa di formazione dei complessi in funzione del pH al fine di eseguire delle valutazioni preliminari prima di trasferire la chimica di coordinazione a livello di tracciante con l’isotopo radioattivo 68Ga che viene eluito da generatore per mezzo di soluzione acida.