Novel antiblastic Ru(III)-, Cu(II)- and Au(III)-based coordination compounds: from rational design, synthesis and physico-chemical characterization to nanoformulation, targeted delivery and in vitro evaluation.

There is an essential contribution of inorganic medicinal chemistry in the pharmacopeia. In particular, platinum-based drugs revolutionized the anticancer chemotherapy, and nowadays they find wide application in the treatment of several solid tumors. Nevertheless, their effectiveness is paralleled with severe side-toxicity and the onset of drug resistance. In order to obtain compounds with a better chemotherapeutic index and increased bioavailability, several metal-based compounds have been designed and investigated in the last decades. On these grounds, we present here the synthesis and characterization of a library of coordination compounds containing a biologically-active metal center, namely Ru(III), Cu(II), and Au(III), and one or more dithiocarbamato (DTC) ligands, derived from cyclic amines (aliphatic or aromatic). Several techniques have been used to characterize the compounds, such as elemental analysis, X-ray crystallography, ESI-MS, 1H-NMR spectroscopy, FT-IR and UV-Vis spectrophotometries, highlighting different electronic behaviors generated by the DTC substituents. Moreover, the synthetized compounds were tested for their antiproliferative activity against two tumor models. This screening pointed out the druglikeness of some derivatives, which have been successively encapsulated in micellar nanocarriers, being also carbohydrate-functionalized on their hydrophilic surface for a cancer-selective delivery exploiting the Warburg effect. In particular, the nonionic surfactant block copolymer Pluronic® F127 (PF127) has been chemically modified with sugars and the derivatives characterized by means of NMR and FT-IR. Then, the two Lead Compounds have been loaded into the hydrophobic core of PF127 non- and cancer-targeting micelles. These nanoformulations have been studied for their dimensions (DLS, TEM) and stability, and tested for their cytotoxicity. The promising results obtained with these nanosystems, accompanied by preliminary in vitro mechanistic studies, open intriguing perspectives for the use of this solubility-increasing and neoplasia-targeting strategy for our anticancer metal-DTC complexes. In conclusion, this work is the basis for optimizing the investigated nanoformulations, followed by future pre-clinical in vivo studies on animal models to evaluate i) their carrier capabilities, ii) the cancer-selective release of the cytotoxic cargo, iii) the stability and PK, iv) the anticancer activity and v) the acute/chronic toxicity.

Nella farmacopea odierna vi è un contributo essenziale della chimica farmaceutica inorganica. In particolare, la chemioterapia oncologica è stata rivoluzionata dai farmaci a base di platino, i quali al giorno d’oggi trovano ampio utilizzo nella terapia di molte neoplasie solide. Tuttavia, tale efficacia è controbilanciata dalla tossicità di tali composti, così come dall’insorgenza di resistenza al trattamento. Per questo motivo, negli ultimi decenni sono stati progettati e studiati diversi composti a base di metalli, al fine di migliorare l’indice chemioterapico e la biodisponibilità. Con queste premesse, in questo lavoro di dottorato viene presentata la sintesi e la caratterizzazione di una libreria di composti di coordinazione contenenti un centro metallico attivo biologicamente, ovvero Ru(III), Cu(II) e Au(III), e uno o più leganti ditiocarbammici derivanti da ammine cicliche (alifatiche o aromatiche). Le diverse tecniche spettroscopiche utilizzate per la caratterizzazione di questi complessi, quali l’analisi elementare, la cristallografia a raggi X, ESI-MS, spettroscopia 1H-NMR, spettrofotometrie FT-IR e UV-Vis, hanno evidenziato comportamenti elettronici diversi generati dai sostituenti del legante ditiocarbammico. Inoltre, la citotossicità dei composti sintetizzati è stata analizzata su due modelli tumorali umani. I risultati ottenuti hanno dimostrato le ottime proprietà farmacologiche di alcuni complessi, candidandoli ad un ulteriore sviluppo. Di conseguenza, essi sono stati incapsulati in micelle polimeriche funzionalizzate convenientemente con carboidrati, al fine di veicolare selettivamente l’intero sistema supramolecolare verso le cellule tumorali, sfruttando l’effetto Warburg. Al fine di eseguire questi studi, il Pluronico® F127 (PF127), un tensioattivo non ionico co-polimerico, è stato modificato chimicamente per legare degli zuccheri e successivamente caratterizzato mediante NMR e FT-IR. Quindi i due composti Lead sono stati caricati sia in micelle di PF127 sia in micelle di PF127 funzionalizzate con carboidrati; le risultanti formulazioni sono state studiate per la loro dimensione (DLS, TEM) e stabilità e successivamente testate in vitro per la loro attività citotossica. I risultati promettenti ottenuti con questi nanosistemi, accompagnati da studi meccanicistici preliminari in vitro, aprono prospettive interessanti per l’utilizzo di questa strategia capace di aumentare la solubilità dei complessi ditiocarbammici nonché di guidarli selettivamente verso le cellule tumorali. In conclusione, questo lavoro rappresenta il punto di partenza per l’ottimizzazione delle nanoformulazioni precedentemente analizzate. Esso sarà seguito in futuro da studi pre-clinici in vivo su modelli animali, al fine di verificare i) la capacità di trasporto delle micelle, ii) la loro capacità di rilascio del complesso citotossico contenuto in prossimità dell’ambiente tumorale, iii) la stabilità e la farmacocinetica degli aggregati, iv) l’attività tumorale e v) le tossicità cronica e acuta.