Synthesis of isothiocyanate derivatives and biological activities of H2S releasing compounds

Abstract

Inflammation involves various pathways and signaling processes to eliminate detrimental stimuli including various pathogens and cell damage. Prolonged inflammation is referred to as chronic inflammation and is related to numerous diseases including cancer. Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are well known and widely used drug class against inflammation due to their anti-inflammatory activities, mostly for their action on cyclooxygenase (COX) pathways. For the past few decades, NSAIDs have also drawn attention for their anticancer activities. Besides their widespread use, long-term use of NSAIDs leads to several disorders including cardiovascular disruptions and gastrointestinal damage. To overcome these undesired effects, novel compounds with high proficiency and fewer side effects are needed. Hydrogen sulfide (H2S) is considered as the third endogenous gasotransmitter molecule following nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO). It has various physiological properties in mammalian cells including maintenance of homeostasis and cytoprotection. Besides its physiological properties, H2S is also effective against cancer cell survival. H2S releasing NSAIDs are thought to be potent agents for the prevention of cancer due to their anti-inflammatory and anticancer activities. On the other hand, isothiocyanates (ITCs), which happen to release H2S, are naturally found in cruciferous vegetables and are known for their anticancer activities. In this study, H2S releasing compounds (S1-S19) and ITC derivatives (I1-I3) were tested for their anticancer activities. Accordingly, among all H2S releasing compounds, S6 and S8 showed promising antiproliferative activity in MCF-7 breast and PC-3 prostate cancer cell lines with IC50 values lower than 100 µM. ITC derivatives were synthesized and their structures were confirmed with various spectrophotometric techniques. Then, they were also tested for their antiproliferative activities and compounds I1 and I2 showed promising growth inhibition in MCF-7, PC-3 and, HT-29 cell lines at 100 µM. IC50 values were found in PC-3 as 70.7 µM and 39.9 µM, in MCF-7 as 52.2 µM and 48.1 µM for I1 and I2, respectively. In HT-29 cells, only compound I2 was found effective and the IC50 value was 39 µM. Compound I1 was able to increase Bax/Bcl-2 gene expression levels related to the apoptosis process by 1.58-fold in MCF-7 cells. Also, all three isothiocyanate derivatives showed preferable slow H2S release as control ITC compounds sulforaphane and MIC-1 over 4 hours time period. Overall, compounds S6, S8, I1 and, I2 could be promising anticancer agents for the treatment or prevention of cancer.

İnflamasyon, çeşitli patojenler ve hücre hasarı dahil olmak üzere zararlı uyaranları ortadan kaldırmak için çeşitli yolaklar ve uyarı işlemleri içeren bir süreçtir. Uzun süreli inflamasyon, kronik inflamasyon olarak adlandırılır ve kanser dahil çok sayıda hastalıkla ilişkilidir. Steroid olmayan anti-inflamatuar ilaçlar (NSAID'ler), çeşitli anti-inflamatuar etkinlikleri ile, çoğunlukla siklooksijenaz (COX) yolakları üzerindeki etkileri nedeniyle inflamasyona karşı iyi tanınan ve yaygın olarak kullanılan ilaç sınıfıdır. Son birkaç yıldır, NSAID'ler antikanser etkinlikleri ile de dikkat çekmiştir. Yaygın kullanımlarının yanı sıra, NSAID'lerin uzun süreli kullanımı, kardiyovasküler bozukluklar ve gastrointestinal hasar dahil olmak üzere birçok rahatsızlığa yol açmaktadır. Bu istenmeyen etkilerin üstesinden gelmek için yüksek yeterliliğe ve daha az yan etkiye sahip yeni bileşiklere ihtiyaç vardır. Hidrojen sülfür (H2S), nitrik oksit (NO) ve karbon monoksitten (CO) sonra gelen üçüncü endojen gaz aktarıcı (gazotransmitter) moleküldür. Memeli hücrelerinde homeostazın korunması ve sitoproteksiyon dahil olmak üzere çeşitli fizyolojik özelliklere sahiptir. H2S, fizyolojik özelliklerinin yanı sıra kanser hücresinin hayatta kalmasına karşı da etkilidir. H2S salan NSAID'lerin, anti-inflamatuar ve antikanser etkinliklerinden dolayı kanserin önlenmesi için güçlü ajanlar olduğu düşünülmektedir. Öte yandan, H2S salmalarıyla da bilinen izotiyosiyanatlar (ITC'ler), doğal olarak turpgillerde bulunur ve antikanser etkinlikleri ile bilinir. Bu çalışmada, H2S salan bileşikler (S1-S19) ve ITC türevleri (I1-I3), antikanser etkinlikleri için denenmiştir. Buna göre, tüm H2S salan bileşikler arasında, S6 ve S8, 100 µM'den düşük IC50 değerleri ile MCF-7 meme ve PC-3 prostat kanseri hücre hatlarında umut vadeden antiproliferatif etkinlik göstermiştir. Bu süreçte, ITC türevleri sentezlenmiştir ve yapıları çeşitli spektrofotometrik tekniklerle doğrulanmıştır. Daha sonra, bu bileşikler de antiproliferatif etkinlikleri açısından denenmişler ve I1 ve I2 bileşikleri, 100 µM'da MCF-7, PC-3 ve HT-29 hücre hatlarında umut vadeden antiproliferatif etkinlik göstermiştir. I1 ve I2 bileşikleri için IC50 değerleri sırasıyla, PC-3'te 70,7 µM ve 39,9 µM, MCF-7'de sırasıyla 52,2 µM ve 48,1 µM olarak bulunmuştur. HT-29 hücrelerinde sadece I2 bileşiği etken bulunmuştur ve IC50 değeri 39 µM olarak hesaplanmıştır. I1 bileşiği apoptoz süreciyle ilişkili Bax/Bcl-2 gen ekspresyonu oranını MCF-7 hücrelerinde 1,58 kat artırmıştır. Ayrıca, üç izotiyosiyanat türevinin tümü, 4 saatlik süreç boyunca tercih edilen salınım olan yavaş H2S salınımı göstermiştir. Bu sonuçlar bilinen izotiyosiyanatlar (ITCler) olan ve kontrol grubu olarak kullanılan sülforafan ve MIC-1 ile uyumlu sonuçlar göstermiştir. Sonuç olarak, S6, S8, I1 ve I2 bileşikleri kanser tedavisi ve önlenmesi için umut vadeden antikanser ajanları olabilir.