Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


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554

METAL CARBONYLS FOR CO-BASED THERAPIES: CHALLENGES AND SUCCESSES

Fe

N

N



N

N

CO



N

N

N



N

N

N



N4Py

N

N



N

N

O



N

N

N



N

N

N



N

N

N



N

N

Tpmen



SBPy3

PaPy3


[Fe


II

(N5)CO)]


z

CORM scaffold



Figure 41.4

Monocarbonyl complexes of the [Fe

II

(CO)(N5)]



z

+

type.



are problematic in this respect, because once the CO is lost and the complex starts to oxidize, its chemistry becomes totally

different from that of the original species and its scaffold is also rather different. Even the [RuCl

2

(DMSO)


4

] complex is a

false negative control for CORM-2 because the chemistry of the Ru(CO)

3

Cl



2

(DMSO) (the active component of CORM-2;

Eq.1) is started by its water–gas shift reaction with water at the physiological pH.

The oldest example (1933) of a reversible CO carrier, [Fe(l-cysteinate)

2

(CO)


2

]

2



, was reexamined and the complex

mixture of isomers reinterpreted in favor of the predominance of the cis-Fe(CO)

2

species [102]. Since it is easily assembled



from Fe

2

+



, CO, and cysteine, it could be formed close to sites of HO activity. Its toxicity is very low, yet it is totally

inactive in the NO inhibition anti-inflammatory tests.

Breaking the usual dominance of 18-electron complexes in middle group transition metal organometallic chemistry,

Zobi and coworkers [103] developed a remarkable series of 17-electron cis-trans-[Re

II

(CO)


2

Br

2



L

2

] complexes that are very



efficient and competent CORMs and protect neonatal rat ventricular cardiomyocytes in an ischemia/reperfusion model in

vitro. Only monodentate pyridine and imidazole-type ligands elicit the carbonylation of deoxy-Mb. The t

1/2


value is sensitive

to ligand substitution and pH, the pH being below the physiologic pH value (e.g., at pH 5.8). The ischemia-reperfusion tests

cleanly reveal two crucial findings: (i) the rate of CO release in the Mb assay (t

1/2


) does not determine the cytoprotective

effect and (ii) the compounds that offer best protection are those that do not permeate cell membranes. In this way, the

most effective compound was the one with L

= benzimidazole (Fig. 41.3), which is also the slowest releaser in the Mb

assay. The compound with L

= 4-picoline (Fig. 41.3) is a faster releaser but enters the cells and kills them.

The next big step from here was the synthesis of B

12

-ReCORM-2 (Fig. 41.3), which is the adduct of cyanocobalamin



(vitamin B12) with the 17-electron fragment [Re(CO)

2

(H



2

O)Br


2

] [104].


When administered at the “onset of reperfusion,” B

12

-ReCORM-2 is strongly cytoprotective in the ischemia-reperfusion



of neonatal rat cardiomyocytes (NRC) in culture. The introduction of the biological ligand improved not only the solubility

but also the activity and stability of the original [Re

II

(CO)


2

] fragment. B

12

-ReCORM-2 does not penetrate cells. It does not



impair the oxygen consumption of the NRC under the conditions of cytoprotection but shows acute antioxidant properties

at the “onset of reperfusion,” which is attributed to the oxidation of the low valent Re(II) to the final ReO

4



.



This system represents a major advance toward pharmaceutically acceptable CORMs because it provides important

insights into the relationship between the CORM and the cell, which are necessary for the appearance of therapeutic

activity, and also because it shows how the presence of biocompatible coordination spheres can improve the activity of

CORMs. B


12

-ReCORM-2 undergoes rapid hydrolysis losing the two Br

ligands before releasing CO. A Re



I

(CO) species

was identified by ESI-MS, showing that a reduction of the Re(II) takes place in the process. A study on the mechanism

of the decomposition of the parent [Re

II

(CO)


2

Br

4



]

2



proposes that such reduction is carried out by Br

-

as summarized in



Scheme 41.1.

Interestingly, the CO seems to be released from the stable Re(I) species upon oxidation, forming perrhenate. This oxidation

parallels the formation of polyoxomolybdates from the oxidation of the Mo(0) complexes such as ALF186.


THERAPEUTIC DELIVERY OF CO

555

[Re(CO)


2

Br

4



]

2



[Re(CO)

2

(H



2

O)

3



Br]

+

[Re(CO)



2

(H

2



O)

3

Br]



ReO

4

−  



+ CO

+H

2



O

−Br


+Br


−BrO


O

2



Scheme 41.1

Decomposition of the 17-electron [Re(CO)

2

Br

4



]

2



in aqueous medium.

Enzyme-Triggered CO Release: ET-CORMs

In 2011, the first example of enzymatically triggered CO releasing molecules

(ET-CORM) was published [105]. These acyloxycyclohexadiene– iron tricarbonyl complexes are activated by esterase

cleavage, producing the unstable diene-alcohol intermediate, which isomerizes to the ene-one complex (Scheme 41.2). Loss of

this labile ligand allows rapid access of O

2

to the coordination sphere of the Fe(CO)



3

fragment, which irreversibly decomposes

to release CO, the ene-one ligand, and Fe

n

+

ions. This trigger mechanism was substantiated by CO-release experiments



(Mb assay) and by the inhibition of NO production in the LPS-induced RAW246.7 macrophage cellular assay. Complexes

such as ET

ac

-CORM-1 only released CO to deoxy-Mb and only inhibited NO production in the LPS-induced macrophage



assay in the presence of an esterase. The best complex studied, ET

ac

-CORM-1 (Fig. 41.5), is a very potent inhibitor of



iNOS in this macrophage test (30% NO inhibition at 5

μM), although it still has some toxicity. The (acyloxydiene)Fe(CO)

3

complexes prepared do not respond equally to all esterases or lipases. Instead, each one of them seems to have a preference



for a given type of esterase unless they are not very pure. This characteristic is very important because it brings an additional

level of selectivity to the activation process. An extended variation of the substituents at the acyloxydiene ligand enabled

the first structure–activity relationships: (i) high biological activity requires the acyl group to lie outside the diene system

(dashed acyl in Scheme 41.2); (ii) increasing bulk of the acyl group decreases both NO inhibition activity and toxicity;

(iii) introduction of a second acyloxy ester increases both NO inhibition activity and toxicity; and (iv) methylation of

the ring (dashed methyl substituents in Scheme 41.2) strongly decreases toxicity only at the cost of a small decrease

in activity. This led to the selection of the two complexes ET

ac

,-CORM-1 and ET



ac

-CORM-2 (Fig. 41.5) as the best

compounds, although the higher toxicity of ET

ac

-CORM-2 makes ET



ac

-CORM-1 the overall best choice of the compounds

studied.

The possibility to control biological activity through the ligand sphere had been mentioned by several authors before,

but this study was the first to be published with a rational framework for equipping CORMs with tissue or cell-specific

active targeting. This approach has now been extended to a phosphatase-triggered CORM by decorating the diene ligand

with phosphoryloxy groups as depicted in Scheme 41.2 [106].

Although the screening of phosphatases is still limited and unsatisfactory, the proof-of-concept was obtained based on

the same platform of tests, that is CO release and iNOS inhibition promoted by the (phosphoryloxydiene)Fe(CO)

3

CORMs



in the presence of phosphatases. Interestingly, the more favored position of the phosphoryloxy substituent is now in the

“inner” position (ET

P

-CORM-1) (Fig. 41.5) of the diene ligand instead of the “outer” position (ET



P

-CORM-2) that was

favored for the esterase-triggered acyloxy complexes (ET

ac

-CORM-1).



(OC)

3

Fe O



O

R

(OC)



3

Fe OH


(OC)

3

Fe



O

CO

Esterase



(OC)

3

Fe O



P

H

3



CO

O



Phosphatase

O

Oxidative



O

O

R'



Decomposition

Scheme 41.2

Reaction pathways of enzyme-triggered CORMs.



556

METAL CARBONYLS FOR CO-BASED THERAPIES: CHALLENGES AND SUCCESSES

(OC)

3

Fe O



P

H

3



CO

O



O

(OC)


3

Fe

O



P OCH

3

O



O

ET



P

-CORM-1


ET

P

-CORM-2



ET

ac

-CORM-1



(OC)

3

Fe



O

O

(OC)



3

Fe

O



O

O

O



ET

ac

-CORM-2



Figure 41.5

Enzyme-triggered CORMs.



Light-Triggered CO Release: PhotoCORMs

Cleavage of the M–CO bonds by light is a general property of MCCs and

its first application to CO release used Mn

2

(CO)



10

irradiation to deliver CO to the mice kidneys in vivo [107]. In 2008,

Schatzschneider [108] reported that the photolysis of [(tpm)Mn(CO)

3

]



+

(tpm


= tris(pyrazolyl)methane) releases 2 equiv of

CO and results in a potent cytotoxic agent toward HT29 human colon cancer cells comparable to 5-fluorouracil (5-FU),

an established anticancer drug. The biological action remains to be definitely assigned to CO, the decarbonylated metal

fragment, or both. Importantly, Raman microscopy revealed that [(tpm)Mn(CO)

3

]

+



accumulates preferably at the cell wall

and nucleus [109]. Active targeting of [(tpm)Mn(CO)

3

]

+



to the tumor tissue was approached by appending specific peptides

to the tpm ligand [110]. Passive targeting through the enhanced permeability and retention effect of tumoral tissues was

approached by grafting the [Mn

I

(CO)



3

]

+



motif on the surface of SiO

2

nanoparticles [111] or polymeric methacrylate-based



backbones [112].

The complex [Fe

II

(CO)(N4Py)]



2

+

(Fig. 41.4) provides a similar platform for photodynamic therapy of cancer [113].



More in tune with the usual biological activity of CO, photoCORMs based on the [Mn

I

(CO)



3

]

+



fragment and tripodal

polypyridine amine ligands effectively relax isolated aortic rings [114], whereas cis-[Fe(CO)

2

(SCH


2

CH

2



NH

2

)



2

] activates

BK

Ca

2



+

channels [115].

The photoCORM field was recently reviewed and attention called to the need to define the therapeutic targets to treat

with CO or the decarbonylated metal fragment [116, 117]. PhotoCORMs have the great advantage that they have a “clean”

triggering mode where an “onset” of therapy can be accurately defined and literally “switched on” by the use of a light

source. However, their use will certainly remain limited to administration within hospital settings under strict medical/surgical

control. In this way, photoCORMs share common limitations with CO inhalation.

41.3.4

Making Pharmaceutically Acceptable or Druglike CORMS

At Alfama the ultimate goal is to develop CORMs that can be taken by any patient in the absence of direct medical

assistance, that is, in ambulatory regimen. Therefore, CORMs must be pharmaceutically acceptable and behave like other

regular drugs or prodrugs. They must be stable to air, water and blood, soluble in water, toxicologically safe, therapeutically

effective and potent, and exhibit a recognizable and acceptable pharmacokinetic profile. Ideally, each one of them must be

equipped to target a specific tissue where it decomposes and delivers the CO. Although producing many arguments in favor

of CORM therapy, the experimental CORMs lacked such druglike properties. ALF062 and CORM-2 are not water soluble,

whereas CORM-3 and ALF186 are decomposed by aqueous, aerobic, biologically compatible solutions at physiological pH,

as well as by plasma or blood, thereby losing any kind of controllable pharmacokinetic profile or tissue specificity.

In early 2009, Alfama put together a methodology to produce druglike CORMs by selecting and assembling the building

units of the model CORM depicted below (Fig. 41.6) in order to enable the final prodrug to target and specifically release

therapeutic CO at the disease site [118].

This model CORM has three layers: the central metal ion, the first coordination sphere (inner sphere) formed by

the ligands directly attached to the metal including the active principle CO, and an outer sphere (drug sphere) formed

by the distal functional groups appended to the ligands, which largely control the solubility, biocompatibility, targeting,


THERAPEUTIC DELIVERY OF CO

557

Water-solubilizing group

e.g., sugar, phosphate, carboxylate

Aminoacid

or peptide

Targeting

vector

Ionizable or



labile ligand

Pharmacophore

L4

L5

L6



L3

L2

c



M

Outer coordination sphere 

ADME and PK control

Inner coordination sphere 

CO release control

Figure 41.6

Conceptual model of a druglike CORM. The number of CO ligands can be greater than 1 and the other ancillary ligands

(L2–L6) can be the same or different. Distal substituents are just given as possible examples. ADME, administration, distribution,

metabolism, and excretion; PK, pharmacokinetics.

pharmacological [absorption, distribution, metabolism, and excretion (ADME), pharmacokinetics (PK)], and toxicological

properties of the prodrug. A wealth of data obtained from the broad screening of several hundred MCCs helped defining

the inner sphere, whereas available tools of medicinal chemistry, metal-based drugs [119, 120], and radiopharmaceutical

carbonyls, [M

I

(CO)


3

L

3



]

z

±

(M



=

99m


Tc and Re) [64, 121], provide much of the information necessary to build the drug

sphere.


Most importantly, the process requires the a priori identification of the disease to be treated by CO. The nature of

the tissue, the specificities of the disease, and even of the type of drug administration are fundamental to define the

types of functions of the outer sphere that guarantee adequate targeting of the drug. We have already mentioned the

liver targeting obtained with ALF492 (Fig. 41.2) [82]. The choice of the tissues to treat helps in selecting the best local

triggers that promote the cleavage of the inner sphere and initiate the release of CO. Among other factors, this chemistry

is dependent on the metal, the choice of which is of paramount importance. The toxicity of a complex does not depend

solely on the metal, rather on the whole molecule. However, CORMs decompose, generating new metal fragments that

may accumulate and/or become toxic. Our contention is that the choices are reduced to Mn(I), Re(I–II), Fe(0), Fe(II),

Ru(II), and Mo(0–IV) [118]. If one accounts for nonchemical arguments and prejudice against metals often met even

in the drug-development industry, this choice may be even narrower. In general, inner spheres should obey the 18-

electron rule although the paramagnetic, 17-electron Re(II) CORMs developed by Zobi et al. [104] really shattered this

paradigm. Any ancillary ligand is allowed, in principle, unless open toxicity forbids. The combination of such ligands in

the inner sphere dictates CORM stability, trigger type, and CO-release profile. Here is where the organometallic chemist

has the most exciting playground because the number of options is very large, not necessarily obvious, and eventually

redundant.

At Alfama, the medical indication chosen was the treatment (rescue) of acute liver failure induced by acetaminophen

(Tylenol

®

, paracetamol), where the activity of CO gas had already been demonstrated in animal models (Fig. 41.7) [51]. The



treatment is restricted to the critical care room where injectable drugs are preferred [122]. The goal was to obtain a CORM

providing total liver rescue within a wide time window, enabling later onset of treatment after intoxication challenge, thus

outperforming the present treatment with N-acetylcysteine.

The metal chosen was Mo(0), the ligand sphere was tested for a very large variety of combinations of CO with C, N, O,

S, and P ligands in the Mo(CO)

5

L, Mo(CO)



4

L

2



, and Mo(CO)

3

L



3

stoichiometries. The ligands were decorated with functions

that provide for enhanced solubility in water at physiological pH but had also tunable lipophilicity to gain liver specificity

and avoid rapid excretion.



558

METAL CARBONYLS FOR CO-BASED THERAPIES: CHALLENGES AND SUCCESSES

Mo

CO

C



N

C

HO



2

C

C



CO

OC

C



N

C

HO



2

C

N



C

CO

2



H

R

1



R

2

R



2

R

1



R

2

R



1

Figure 41.7

General structure of the family of CORMs selected for treatment of acute liver failure, induced by acetaminophen (Tylenol

®

,

paracetamol) poisoning. The lead compound, ALF794, corresponds to R



1

, R


2

= CH


3

[123].


New compounds were pushed along a pass/fail multistep testing protocol that followed the order: water solubility;

stability in water, plasma, and whole blood; and hemolysis. Each failure resulted in the compound being discarded. Those

passing the hemolysis test entered cytotoxicity tests in several cell lines, and, when positively cleared, entered the in vivo

animal model test. The best readouts of acute liver failure rescue were obtained for the family of isocyanide derivatives

Mo(CO)

3

(CNCR



1

R

2



COOH)

3

.



Such readouts include the inhibition of liver cell death measured by the dose-dependent reduction of the levels of the

transaminase (ALT) and confirmed by liver histology, and total survival in a lethal model of acetaminophen poisoning

[123]. Variation of the R

1

and R



2

substituents allowed the fine tuning of the biological activity and ADME properties.

None of these compounds carbonylated whole blood in vitro. However, in vivo, low, sustained levels of COHb appeared

in circulation, suggesting metabolic activation. Indeed, both rat and human liver microsomes accelerate the release of CO

from the best compounds, relative to release in buffer. The distribution of CO in the tissues revealed a very high level of

liver specificity that correlated directly with the biological activity in vivo. The PK profile of the more active compound

Mo(CO)

3

(CNCMe



2

COOH)


3

(ALF794) was very much like that of a regular drug and straightforward to determine by

standard HPLC methods. Last, but not least, in vivo acute toxicity is unusually low [maximum tolerated dose (MTD)

>

1000 mg/kg]. ALF794 has, therefore, a full pharmacologically acceptable, druglike profile and its development is being



pursued.

41.4

FINAL REMARKS AND PERSPECTIVES

The biology and chemistry that was described in the sections above shows that CO is a very powerful therapeutic principle

and that metal carbonyls can mediate the delivery of CO in a pharmacologically useful manner. However, to meet this

goal, the design of CORMs requires inputs beyond simple CO-release kinetics and cell toxicity assays. The pharmaceutical

CORMs of the future must have properties that are similar to those common to any other drug or prodrug in terms of

physical–chemical and biocompatibility properties, toxicological safety, efficacy, potency, and general pharmacological

ADME and PK properties. If we can prepare CORMs that specifically reach the disease targets and release CO there, we

will certainly make many useful drugs. Moreover, the production of CORMs should be much more cost effective than that

of most modern therapeutic approaches— such as recombinant proteins, antibodies, gene therapy, or, more recently, cell

therapy. However, in order to achieve this end, it is necessary that the organometallic chemists learn to speak beyond their

usual jargon and collaborate with other specialists, namely, pharmacologists, drug developers, physiologists, and medical

doctors who can show them the profiles and properties of the drugs that are needed. These 11 years of CORM development

have taken us over a number of barriers and it is now clear that making metal carbonyl complexes with real pharmacological

application is not only possible but will be part of the future of organometallic chemistry.



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