Study of mechanism of action of the phototoxicity of drugs and of new natural compounds endowed with antiproliferative activity

Study of mechanism of action of the phototoxicity of drugs and of new natural compounds endowed with antiproliferative activity. In recent years it has been observed an increase of clinical cases on the phototoxicity of drugs, this fact is probably due to changes in lifestyle and to a greater number of drugs present on the market. In this study we have examined the mechanisms of phototoxicity of Fluvastatin and the Pitavastatin two HMG-CoA reductase inhibitors. Initially it was observed that these drugs when in aqueous solution, can form different photoproducts, after the irradiation with UVA . The photoproducts were separated by HPLC and characterized by mass spectrometry and NMR. For the fluvastatin it was isolated a photoproduct in sufficent quantity ( FP6), while for pitavastatin were isolated two photoproduct (PP3 and PP4). The phototoxicity of these drugs and that of their photoproduct were tested on the human keratinocytes cell line NCTC 2544. The cell phototoxicity was evaluated by the MTT test after 72h from the irradiation, in presence of the two drugs and submitted at different doses of UVA and different concentrations. The photoproducts were also evaluate for they potential phototoxicity. The results obtained show a reduction in the cell viability dependent of the dose of UVA administered and of the concentration of drug used, and interestingly it was noted that the photoproducts are much more phototoxic than the parent compound. After through the use of the flow cytometry it was demonstrate that these drugs and their photoproduct are able to induce necrosis as a major made of cell death as a result of the incorporation of the propidium in the irradiated cell in the presence of the compounds examined . Furthermore, this was confirmed also by a strong depletion of the cellular ATP level and by the absence of mitochondrial depolarization. Moreover further experiments have shown an increase of intracellular calcium due to a damage induced to the cell membrane after the phototoxic insult. To confirm this hypothesis we have observed after treatment high levels of membrane lipids peroxidation. This data suggest that the phototoxic mechanism of these drugs are mediatates by the formation of photoproducts and/or reactive species (radicals, ROS) have the membrane cell as target over which they exercise their photoxic effects. Another study carried out in this thesis regards the analysis of natural compounds as anticancer agents. The substances present in nature have for centuries known for their healing proprieties and in the last years have become very important for the research and the development of new drugs, in fact many of them have a natural origin. The compounds evaluated were extracted from Ferula the ferula communis, ferulago campestris and of the ferula glauca, a plant belonging to the family of Umbrellifere. These plants have been much studied for their antimicrobial, estrogenic, and antiviral activity and for their cytotoxic properties. Initially was evaluated the cytotoxicity of different compounds on six cell line, three lines from solid tumors and three leukemia cell lines. From this screening we have identified four compounds structurally related to daucane esters endowed with high cytotoxicity activity especially on the leukemic cell lines. The activity of the four compound was analyzed on the cell cycle and for their proapoptotic activity . Of these four compounds, all showed a block of cell cycle in the G1 phase but only two have a high proapoptotic activity, so we proceeded to further study these compounds named DE 8, and DE 11. In the leukemia T-cell line Jurkat, it was evaluated the ROS production (reactive oxygen species) and it was examined the mitochondrial potential, and it was observed after one hour of incubation, a high ROS production while the depolarization of mitochondrial potential occurred later at longer times, indicating that the ROS production is due to the molecule itself, and not as a result of the mitochondrial depolarization. To confirm that the cell death occurred for the early ROS production, the cells were incubated with well-known scavenger of ROS such as Nacetylcisteine, Tocoferol e Butylhydroxyanisol. The results obtained have showed a significant increase of the cellular survival in the cell treated with DE-8 togheter with the inhibitor of ROS, respect to the cells treated alone with the compound. The cell were incubated also with the an Pancaspase inhibitor, Z-Vad, demonstrating also in this case un increase of the cellular viability, suggesting that the apoptosis is caspase- dependent

Studio del meccanismo d’azione della fototossicità di farmaci e di nuovi composti naturali ad azione antiproliferativa. Negli ultimi anni è stato osservato un aumento di casi clinici riguardanti la fototossicità dei farmaci, e questo fatto probabilmente è dovuto a cambiamenti di stile di vita e a un maggior numero di farmaci presenti sul mercato. In questo studio sono stati esaminati i meccanismi di fototossicità di due farmaci inibitori della HMG-CoA riduttasi: la Fluvastatina e la Pitavastatina. Inizialmente è stato osservato che questi farmaci in soluzione acquosa, sono in grado di formare dei fotoprodotti, in seguito ad irradiazione con raggi UVA. Questi fotoprodotti sono stati separati attraverso HPLC e caratterizzati mediante spettrometria di massa e NMR. Per quanto riguarda la fluvastatina è stato isolato un fotoprodotto (FP6) in quantità sufficiente, mentre per la pitavastatina sono stati isolati due fotoprodotti (PP3 e PP4). La fototossicità di questi farmaci e dei loro fotoprodotti, è stata testata su una linea di cheratinociti umani NCTC-2544. La fototossicità cellulare è stata valutata attraverso il test del MTT dopo 72 ore dall’irradiazione, in presenza dei due farmaci e dei loro fotoprodotti sottoposti a diverse dosi di UVA. I risultati ottenuti mostrano una riduzione della vitalità cellulare dipendente dalla dose di UVA somministratisi e dalla concentrazione utilizzata e in maniera interessante è stato notato che i fotoprodotti risultano essere molto più fototossici del farmaco di partenza. Successivamente grazie all’uso della citometria a flusso, è stato dimostrato che questi farmaci e i loro fotoprodotti sono in grado di indurre necrosi come meccanismo principale di morte cellulare, come risulta dalla rapida incorporazione di ioduro di propidio nelle cellule irradiate in presenza dei composti in esame. Ciò è stato inoltre confermato anche da una forte deplezione dei livelli cellulari di ATP senza che vi sia alcuna depolarizzazione del potenziale mitocondriale. Ulteriori studi hanno mostrato un incremento di calcio a livello citoplasmatico dovuto a un ingresso di calcio extracellulare causato probabilmente da danni indotti alla membrana cellulare in seguito all’insulto fototossico. A conferma di questa ipotesi abbiamo osservato dopo trattamento un elevato livello di perossidazione dei lipidi di membrana. Questi dati suggeriscono che questi farmaci attraverso la formazione di fotoprodotti e/o specie reattive (radicali ROS) presentano come bersaglio la membrana cellulare sulla quale esercitano i loro effetti fototossici. Un altra ricerca svolta in questo dottorato ha riguardato lo studio di composti naturali come antitumorali. Le sostanze presenti in natura sono da secoli conosciute per le loro proprietà curative e negli ultimi anni sono divenuti molto importanti per la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci infatti molti di essi hanno origine naturale. I composti valutati sono stati isolati dalla Ferula, dalla ferula communis, ferulago campestris e dalla ferula glauca, una pianta facente parte della famiglia delle Umbrellifere. Queste piante sono state molto studiate per la loro attività antimicrobica estrogenica, antivirale e con proprietà citotossiche, in vitro antilesmanica e antiproliferativa. Inizialmente è stata valutata la citotossicità dei diversi composti su sei linee cellulari: 3 linee provenienti da tumori solidi e 3 linee leucemiche. Da questo screening sono stati individuati quattro composti strutturalmente correlati a Daucano Esteri che presentano una buona attività citotossica elevata attività citotossica soprattutto sulle linee leucemiche. Successivamente è stata analizzata l’attività dei quattro composti sul ciclo cellulare e la loro attività proapoptotica Di questi quattro composti tutti hanno mostrato un blocco del ciclo cellulare in fase G1 ma solo due presentano un’ elevata attività proapototica così si è proceduto allo studio approfondito solo di due composti denominati DE-8 e DE-11. E’ stata valutata la produzione di ROS (Reactive Oxygen Species) ed è stato esaminato il potenziale mitocondriale, andando così ad osservare che già dopo 1h dall’incubazione con il composto si aveva un elevata produzione di ROS mentre la depolarizzazione del potenziale mitocondriale avveniva successivamente , a tempi più lunghi, indicando che la produzione di ROS era dovuta alla molecola in se e non come conseguenza della depolarizzazione mitocondriale. Per confermare che la morte cellulare avveniva per la produzione precoce di ROS le cellule sono state incubate con scavenger dei ROS quali N-acetilcisteina, Tocoferolo e Butilidrossianisolo. I risultati ottenuti hanno dimostrato un significativo aumento della sopravvivenza cellulare delle cellule trattate con DE-8 insieme ad inibitori dei ROS rispetto alle cellule trattate solo con il composto. Successivamente le cellule sono state incubate anche con un inibitore pancaspasico, lo Z-Vad, dimostrando anche in questo caso un aumento della vitalità cellulare, suggerendo che l’apoptosi è caspasi dipendente