uzspbgmuУчёные записки Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени академика И. П. ПавловаThe Scientific Notes of the Pavlov University1607-41812541-8807Academician I.P. Pavlov First St. Petersburg State Medical University10.24884/1607-4181-2024-31-3-79-88uzspbgmu-1079Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ РАБОТЫORIGINAL PAPERSСинтез и изучение цитотоксической активности ДНК-тропных 4-диметиламиностирил-производных йодидов N-метил-пиримидобензимидазолияSynthesis and cytotoxic activity investigations of DNA-tropic 4-dimethylaminostyryl derivatives of N-methyl-pyrimidobenzimidazolium iodideshttps://orcid.org/0000-0002-5640-4077ПапоновБ. В.PaponovB. V.

Папонов Борис Владимирович, кандидат химических наук, ассистент кафедры общей и биорганической химии 

197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8 

Paponov Boris V., Cand. of Sci. (Chem.), Associate Professor of the Department of General and Bioorganic Chemistry 

6-8, L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022 

paponov.orgchem@gmail.comСоколоваА. Н.SokolovaA. N.

Соколова Анастасия Николаевна, студент 

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 24-26/49 

Sokolova Anastasiya N., Student 

26, Moskovski ave., Saint Petersburg, 190013 

ЗдереваП. С.ZderevaP. S.

Здерева Полина Сергеевна, учащаяся 

190103, Санкт-Петербург, Лермонтовский пр., д. 54 

Zdereva Polina S., Student 

54, Lermontovsky ave., Saint Petersburg, 190103 

https://orcid.org/0000-0003-2230-6767ЦымбалС. А.TsymbalS. A.

Цымбал Сергей Алексеевич, кандидат химических наук, ассистент химико-биологического кластера (СКАМТ)

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49 

Tsymbal Sergey A., Cand. of Sci. (Chem.), Assistant of the Chemical and Biological Cluster (SCAMT) 

49, Kronverksky ave., Saint Petersburg, 197101 

ШемчукО. С.ShemchukO. S.

Шемчук Ольга Сергеевна, аспирант кафедры общей и биорганической химии 

197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8 

Shemchuk Olga S., Postgraduate Student of the Department of General and Bioorganic Chemistry 

6-8, L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022 

https://orcid.org/0000-0001-8174-7461МайстренкоД. Н.MaystrenkoD. N.

Майстренко Дмитрий Николаевич, доктор медицинских наук, директор 

197758, Санкт-Петербург, поселок Песочный, ул. Ленинградская, д. 70 

Maystrenko Dmitry N., Dr. of Sci (Med.), Head 

70, Leningradskaya str., Pesochny settlement, Saint Petersburg, 197758 

https://orcid.org/0000-0003-3882-1720МолчановО. Е.MolchanovO. E.

Молчанов Олег Евгеньевич, доктор медицинских наук, руководитель отдела фундаментальных исследований 

197758, Санкт-Петербург, поселок Песочный, ул. Ленинградская, д. 70 

Molchanov Oleg E., Dr. of Sci. (Med.), Head of the Department of Fundamental Researches

70, Leningradskaya str., Pesochny settlement, Saint Petersburg, 197758 

https://orcid.org/0000-0003-2239-2044СеменовК. Н.SemenovK. N.

Семенов Константин Николаевич, доктор химических наук, зав. кафедрой общей и биорганической химии 

197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8 

Semenov Konstantin N., Dr. of Sci. (Chem.), Head of the Department of General and Bioorganic Chemistry

6-8, L’va Tolstogo str., Saint Petersburg, 197022 

Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И. П. ПавловаРоссияPavlov UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)РоссияSaint-Petersburg State Institute of TechnologyRussian FederationЛицей № 280 имени М. Ю. ЛермонтоваРоссияM. Yu. Lermontov Saint-Petersburg School № 280Russian FederationСанкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптикиРоссияInformation Technologies, Mechanics and Optics UniversityRussian FederationРоссийский научный центр радиологии и хирургических технологий имени академика A. M. ГрановаРоссияRussian Scientific Center of Radiology and Surgical Technologies named after Academician A.M. GranovRussian Federation2024120820243137988Copyright © Папонов Б.В., Соколова А.Н., Здерева П.С., Цымбал С.А., Шемчук О.С., Майстренко Д.Н., Молчанов О.Е., Семенов К.Н., 20242024Папонов Б.В., Соколова А.Н., Здерева П.С., Цымбал С.А., Шемчук О.С., Майстренко Д.Н., Молчанов О.Е., Семенов К.Н.Paponov B.V., Sokolova A.N., Zdereva P.S., Tsymbal S.A., Shemchuk O.S., Maystrenko D.N., Molchanov O.E., Semenov K.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sci-notes.ru/jour/article/view/1079Введение

Введение. В связи с возникновением у многих видов опухолевых заболеваний множественной лекарственной устойчивости (МЛУ) к существующим препаратам химиотерапии создание принципиально новых соединений с выраженной цитотоксической активностью является одной из приоритетных задач современной медицинской химии.

Цель

Цель. Синтез ДНК-тропных гетероциклических систем, содержащих кватернизованный атом азота и один или два стирильных фрагмента в качестве боковых цепей. Синтезированные соединения должны обладать выраженной цитотоксической активностью, а также эффективно связываться с макромолекулами ДНК.

Методы и материалы

Методы и материалы. В работе были синтезированы 2 новых соединения, содержащие ядро 10-метил-замещенного пиримидобензимидазолия и 1 или 2 4-диметиламиностирильных фрагмента в качестве боковых цепей. Полученные соединения инфицировали методами масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии. В работе были изучены электронные спектры данных соединений. В ходе исследования была доказана их возможность связывания с макромолекулами ДНК. На четырех клеточных линиях была изучена цитотоксичность синтезированных соединений.

Результаты

Результаты. Целевые соединения были получены в результате четырехстадийного синтеза. Чистота целевых продуктов была подтверждена при помощи методов ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии. Из электронных спектров поглощения видно, что синтезированные соединения являются эффективными цианиновыми красителями с максимумами поглощения в темно-красной и темно-фиолетовой областях видимого спектра для моно и бис 4-диметиламиностирильных производных соответственно. Показано, что синтезированные соединения образуют устойчивые комплексы с макромолекулами ДНК, при этом наблюдается значительное углубление окраски растворов. Соединения проявили выраженную цитотоксическую активность в in vitro эксперименте на ряде онкотрансформированных клеточных линий. Следует отметить высокую цитотоксическую активность соединений по отношению к клеткам рака молочной железы, крайне устойчивым к химиотерапии.

Заключение

Заключение. 4-диметиламиностирил-производные йодидов N-метил-пиримидобензимидазолия нуждаются в дальнейшем исследовании как новые перспективные соединения с выраженной противоопухолевой активностью.

Introduction

Introduction. The creation of new compounds with pronounced cytotoxic activity is one of the priority goals in modern medicinal chemistry due to the emergence of multidrug resistance (MDR) to existing chemotherapy drugs for many types of tumour diseases.

The objective was the synthesis of DNA-tropic heterocyclic systems containing a quaternized nitrogen atom and one or two styryl moieties as side chains. The synthesized compounds must have pronounced cytotoxic activity and moreover bind with DNA macromolecules effectively.

Methods and materials

Methods and materials. In this paper, 2 new compounds containing a 10-methyl substituted pyrimidobenzimidazolium core and 1 or 2 4-dimethylaminostyryl moieties as side chains were synthesized. The structures of targeting compounds were confirmed using mass spectrometry and NMR spectroscopy methods. The electronic spectra of these compounds were studied in this work. The investigations of targeting compounds proved their ability to bind with DNA macromolecules. The cytotoxicity of the synthesized compounds was studied on four cell lines.

Results

Results. The target compounds were obtained in four-stage synthetic procedure. The purity of the target products was confirmed using NMR spectroscopy and mass spectrometry. The synthesized compounds are effective cyanine dyes with absorption maxima in the dark red and dark violet regions of the visible spectrum for mono and bis 4-dimethylaminostyryl derivatives, respectively in the its electronic absorption spectra. Both of the synthesized compounds can form a stable complex with DNA macromolecules with a significant deepening of the colour in the solutions. The compounds showed pronounced cytotoxic activity in in vitro experiments on a number of cancer-transformed cell lines. The target compounds were shown a high cytotoxic activity against triple-negative breast cancer cells, which are extremely resistant to chemotherapy.

Conclusion

Conclusion. 4-Dimethylaminostyryl derivatives of N-methyl-pyrimidobenzimidazolium iodides require a further study as new promising compounds with pronounced antitumor activity.

метиновые красителиазолоазиныкватернизованный атом азотастирильный заместительцитотоксичностьДНК-тропностьmethine dyesazoloazinesquaternized nitrogen atomstyryl substituentcytotoxicityDNA-bindingРабота была выполнена при поддержке госзадания «Создание препарата на основе наноформинновационных синтетических противоопухолевых антибиотиков, включающих гетероциклические системы с кватернизованным атомом азота и стирильными фрагментами в виде конъюгатов с векторами адресной доставки к микроокружению опухоли». Регистрационный номер ЕГИСУ: 1023022200055-4-3.2.21;3.1.3.The work was carried out with the support of the state task «Creation of a drug based on nanoforminnovation synthetic antitumor antibiotics, including heterocyclic systems with a quaternized nitrogen atom and styryl fragments in the form of conjugates with vectors of targeted delivery to the tumor microenvironment». USAIS registration number: 1023022200055-4-3.2.21;3.1.3.ReferencesArshad N., Mir M. I., Perveen F. et al. Investigations on anticancer potentials by DNA binding and cytotoxicity studies for newly synthesized and characterized imidazolidine and thiazolidine-based isatin derivatives // J. Anwar, Molecules. ‒ 2022. ‒ Vol. 27. ‒ P. 354.Arshad N., Mir M. I., Perveen F. et al. Investigations on anticancer potentials by DNA binding and cytotoxicity studies for newly synthesized and characterized imidazolidine and thiazolidine-based isatin derivatives // J. Anwar, Molecules. 2022;27:354.Minotti G., Menna P., Salvatorelli E. et al. Anthracyclines: Molecular advances and pharmacologic developments in antitumor activity and cardiotoxicity // Pharmacological Reviews. ‒ 2004. ‒ Vol. 56, № 2. ‒ P. 185. https://doi.org/10.1124/pr.56.2.6.Minotti G., Menna P., Salvatorelli E. et al. Anthracyclines: Molecular advances and pharmacologic developments in antitumor activity and cardiotoxicity // Pharmacological Reviews. 2004;56(2):185. https://doi.org/10.1124/pr.56.2.6Delgado J. L., Hsieh C.­M., Chan N.­L. Topoisomerases as anticancer targets // Biochem J. ‒ 2018. ‒ Vol. 475, № 2. ‒ P. 373. https://doi.org/10.1042/bcj20160583.Delgado J. L., Hsieh C.-M., Chan N.-L. Topoisomerases as anticancer targets // Biochem J. 2018;475(2):373. https://doi.org/10.1042/bcj20160583.Kelland L. The resurgence of platinum-based cancer chemotherapy // Nature Reviews Cancer. ‒ 2007. ‒ Vol. 7. ‒ P. 573–584. https://doi.org/10.1038/nrc2167.Kelland L. The resurgence of platinum-based cancer chemotherapy // Nature Reviews Cancer. 2007;7:573–584. https://doi.org/10.1038/nrc2167.Zhong L., Li Y., Xiong L. et al. Small molecules in targeted cancer therapy: advances, challenges, and future perspectives // Signal Transduct Target Ther. ‒ 2021. ‒ Vol. 6. ‒ P. 201.Zhong L., Li Y., Xiong L. et al. Small molecules in targeted cancer therapy: advances, challenges, and future perspectives // Signal Transduct Target Ther. 2021;6:201.Bereiter­Hahn J. Dimethylaminostyrylmethylpyridiniumiodine (DASPMI) as a fluorescent probe for mitochondria in situ // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. ‒ 1976. ‒ Vol. 423. ‒ P. 1. https://doi.org/10.1016/0005-2728(76)90096-7.Bereiter-Hahn J. Dimethylaminostyrylmethylpyridiniumiodine (DASPMI) as a fluorescent probe for mitochondria in situ // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 1976;423:1. https://doi.org/10.1016/0005-2728(76)90096-7.Ramadass R., Bereiter­Hahn J. How DASPMI Reveals mitochondrial membrane potential: fluorescence decay kinetics and steady-state anisotropy in living cells // Biophysical Journal. ‒ 2008. ‒ Vol. 95. ‒ P. 4068. https://doi.org/10.1529/biophysj.108.135079.Ramadass R., Bereiter-Hahn J. How DASPMI Reveals mitochondrial membrane potential: fluorescence decay kinetics and steady-state anisotropy in living cells // Biophysical Journal. 2008;95:4068. https://doi.org/10.1529/biophysj.108.135079.Sahoo D., Bhattacharya P., Chakravorti S. Quest for Mode of Binding of 2-(4-(Dimethylamino)styryl)-1-methylpyridinium Iodide with Calf Thymus DNA // J. Phys. Chem. B. ‒ 2010. ‒ Vol. 114. ‒ P. 2044. https://doi.org/10.1021/jp910766q.Sahoo D., Bhattacharya P., Chakravorti S. Quest for Mode of Binding of 2-(4-(Dimethylamino)styryl)-1-methylpyridinium Iodide with Calf Thymus DNA // J. Phys. Chem. B. 2010;114:2044. https://doi.org/10.1021/jp910766q.Bahner C. T., Pace E. S., Prevost R. Quaternary salts of styryl pyridines and quinolines // J. Am. Chem. Soc. ‒ 1951. ‒ Vol. 73. ‒ P. 3407. https://doi.org/10.1021/ja01151a120.Bahner C. T., Pace E. S., Prevost R. Quaternary salts of styryl pyridines and quinolines // J. Am. Chem. Soc. 1951;73:3407. https://doi.org/10.1021/ja01151a120.Hughes В., Bates A. L., Вahner С. Т. et al. Regression of transplanted rat lymphoma no. 8 following oral administration of either 4-(p-Dimethylaminostyryl) quinoline Methiodide or Methochloride // Proc. Soc. Exptl. Biol.and Med. ‒ 1955. ‒ Vol. 88. ‒ P. 230.Hughes В., Bates A. L., Вahner С. Т. et al. Regression of transplanted rat lymphoma no. 8 following oral administration of either 4-(p-Dimethylaminostyryl) quinoline Methiodide or Methochloride // Proc. Soc. Exptl. Biol.and Med. 1955;88:230.Lewis M. R., Hughes B. Differences in responses to styryl quinoline compounds exhibited by native neoplasms in inbred rats // Anat Res. ‒ 1955. ‒ Vol. 121. ‒ P. 329.Lewis M. R., Hughes B. Differences in responses to styryl quinoline compounds exhibited by native neoplasms in inbred rats // Anat Res. 1955;121:329.Gutsulyak B. M. Biological activity of quinolinium salts // Russ. Chem. Rev. ‒ 1972. ‒ Vol. 41, № 2. ‒ P. 187. https://doi.org/10.1070/RC1972v041n02ABEH002038.Gutsulyak B. M. Biological activity of quinolinium salts // Russ. Chem. Rev. 1972;41(2):187. https://doi.org/10.1070/RC1972v041n02ABEH002038.Fortuna C. G., Barresi V., Berellini G. et al. Design and synthesis of trans 2-(furan-2-yl)vinyl heteroaromatic iodides with antitumour activity// Bioorganic & Medicinal Chemistry. ‒ 2008. ‒ Vol. 16. ‒ P. 4150. https://doi.org/10.1016/j.bmc.2007.12.042.Fortuna C. G., Barresi V., Berellini G. et al. Design and synthesis of trans 2-(furan-2-yl)vinyl heteroaromatic iodides with antitumour activity // Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2008;16:4150. https://doi.org/10.1016/j.bmc.2007.12.042.Mazzoli A., Spalletti A., Carlotti B. et al. Spectroscopic Investigation of Interactions of New Potential Anticancer Drugs with DNA and Non-Ionic Micelles // J. Phys. Chem. B. ‒ 2015. ‒ Vol. 119, № 4. ‒ P. 1483. https://doi.org/10.1021/jp510360u.Mazzoli A., Spalletti A., Carlotti B. et al. Spectroscopic Investigation of Interactions of New Potential Anticancer Drugs with DNA and Non-Ionic Micelles // J. Phys. Chem. B. 2015;119(4):1483. https://doi.org/10.1021/jp510360u.Bonaccorso C., Naletova I., Satriano C. et al. New Di(heteroaryl)ethenes as apoptotic anti-proliferative agents towards breast cancer: design, one-pot synthesis and in vitro evaluation // Chemistry Select. ‒ 2020. ‒ Vol. 28. ‒ P. 2581. https://doi.org/10.1002/slct.201903502.Bonaccorso C., Naletova I., Satriano C. et al. New Di(heteroaryl)ethenes as apoptotic anti-proliferative agents towards breast cancer: design, one-pot synthesis and in vitro evaluation // Chemistry Select. 2020;28:2581. https://doi.org/10.1002/slct.201903502.Sha X.­L., Niu J.­Y., Sun R. et al. Synthesis and optical properties of cyanine dyes with an aromatic azonia skeleton // Org. Chem. Front. ‒ 2018. ‒ Vol. 5. ‒ P. 555. https://doi.org/10.1039/C7QO00889A.Sha X.-L., Niu J.-Y., Sun R. et al. Synthesis and optical properties of cyanine dyes with an aromatic azonia skeleton // Org. Chem. Front. 2018;5:555. https://doi.org/10.1039/C7QO00889A.Chen Y., Wei X.­R., Sun R. et al. The application of azonia-cyanine dyes for nucleic acids imaging in mitochondria // Sensors and Actuators B: Chemical. ‒ 2019. ‒ Vol. 281. ‒ P. 499. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.10.146.Chen Y., Wei X.-R., Sun R. et al. The application of azonia-cyanine dyes for nucleic acids imaging in mitochondria // Sensors and Actuators B: Chemical. 2019;281:499. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.10.146.Sha X.­L., Yang X.­Z., Wei X.­R. et al. A mitochondria/lysosome-targeting fluorescence probe based on azoniacyanine dye and its application in nitroreductase detection // Sensors and Actuators B: Chemical. ‒ 2020. ‒ Vol. 307. ‒ P. 127653. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127653.Sha X.-L., Yang X.-Z., Wei X.-R. et al. A mitochondria/lysosome-targeting fluorescence probe based on azoniacyanine dye and its application in nitroreductase detection // Sensors and Actuators B: Chemical. 2020;307:127653. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127653.Xie X., Zuffo M., Teulade­Fichou M.­P. et al. Identification of optimal fluorescent probes for G-quadruplex nucleic acids through systematic exploration of mono- and distyryl dye libraries // Beilstein J. Org. Chem. ‒ 2019. ‒ Vol. 15. ‒ P. 1872‒1889. https://doi.org/10.3762/bjoc.15.183.Xie X., Zuffo M., Teulade-Fichou M.-P. et al. Identification of optimal fluorescent probes for G-quadruplex nucleic acids through systematic exploration of mono- and distyryl dye libraries // Beilstein J. Org. Chem. 2019;15:1872‒1889. https://doi.org/10.3762/bjoc.15.183.Shulga S. M., Chuiguk V. A. Polymethine dyes from thiazolo [3, 2-alpha] pyrimidine and pyrimido [2, 1-beta] benzothiazole salts // Ukr. Chem. Journal. ‒ 1973. ‒ Vol. 39. ‒ P. 1151‒1155.Shulga S. M., Chuiguk V. A. Polymethine dyes from thiazolo [3, 2-alpha] pyrimidine and pyrimido [2, 1-beta] benzothiazole salts // Ukr. Chem. Journal. 1973; 39:1151‒1155.Pilyugin V. S., Sapozhnikov Yu. E., Davydov A. M. et al. 13C NMR spectra and biological activity of N-(1Hbenzimidazol-2-yl)benzamides // Russian Journal of General Chemistry. ‒ 2006. ‒ Vol. 76. ‒ P. 1653–1659. https://doi.org/10.1134/s1070363206100264.Pilyugin V. S., Sapozhnikov Yu. E., Davydov A. M. et al. 13C NMR spectra and biological activity of N-(1Hbenzimidazol-2-yl)benzamides // Russian Journal of General Chemistry. 2006;76:1653–1659. https://doi.org/10.1134/s1070363206100264.Пожарский А. Ф., Анисимова В. А., Цупак Е. Б. Практические работы по химии гетероциклов. ‒ Ростовна-Дону : Изд-во Ростовского ун-та, 1988.Pozharsky A. F., Anisimova V.A., Tsupak E. B. Practical work in heterocyclic chemistry. Rostov-on-Don, Rostov University Ed, 1988. (In Russ.).Kreutzberger A., Leger M. Antiarrhythmika. I. 2,4-dialkylpyrimido[1,2- a ]benzimidazole // Journal of Heterocyclic Chemistry. ‒ 1981. ‒ Vol. 18, № 8. ‒ P. 1587–1588. https://doi.org/10.1002/jhet.5570180819.Kreutzberger A., Leger M. Antiarrhythmika. I. 2,4-dialkylpyrimido[1,2- a ]benzimidazole // Journal of Heterocyclic Chemistry. 1981;18(8):1587–1588. https://doi.org/10.1002/jhet.5570180819.Hori M., Tanaka K., Kataoka T. et al. Generation of [1,2,4]triazolo[1,5-a]pyrimidine N-ylides and their ring transformation reactions // Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions. ‒ 1985. ‒ Vol. 1. ‒ P. 2333. https://doi.org/10.1039/P19850002333.Hori M., Tanaka K., Kataoka T. et al. Generation of [1,2,4]triazolo[1,5-a]pyrimidine N-ylides and their ring transformation reactions // Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions. 1985;1:2333. https://doi.org/10.1039/P19850002333.Голубушина Г. М., Чуйгук В. А. Конденсация солей 2-аминобензимидазолов с β-дикетонами и β-хлорвинилкетонами // Укр. Хим. Журнал. ‒ 1971. ‒ Т. 11. ‒ С. 1132.Golubushina G. M., Chuiguk V. A. The Condensation of 2-aminobenzimidazole salts with β-diketones and β-Chlorovinylketones // Ukr. Chem. Journal. 1971;11:1132. (In Russ.).Barros A. S., Costa E. C., Nunes A. S. et al. Comparative study of the therapeutic effect of Doxorubicin and Resveratrol combination on 2D and 3D (spheroids) cell culture models // International Journal of Pharmaceutics. ‒ 2018. ‒ Vol. 551, № 1–2. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.09.016.Barros A. S., Costa E. C., Nunes A. S. et al. Comparative study of the therapeutic effect of Doxorubicin and Resveratrol combination on 2D and 3D (spheroids) cell culture models // International Journal of Pharmaceutics. 2018;551(1–2). https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.09.016.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.