Dokument: Neue zytotoxische Naturstoffe aus marinen Invertebraten

Titel:	Neue zytotoxische Naturstoffe aus marinen Invertebraten
Weiterer Titel:	New cytotoxic natural products from marine invertebrates
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=28271
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20140203-150253-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Pham, Cong-Dat [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,44 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.02.2014 / geändert 03.02.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Proksch, Peter [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Kassack, Matthias U. [Gutachter]
Stichwörter:	marine heterocycles cytotoxic invertebrates
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Mehr als 50% aller heutigen Medikamente auf dem Markt stammen von Naturstoffen ab. Traditionell wurden terrestrische Pflanzen als die Hauptproduzenten von Naturstoffen angesehen. Mit der Entdeckung der Antibiotika Anfang des 20.Jahrhunderts begann eine umfassende Suche nach Wirkstoffen aus Bakterien und Schimmelpilzen. Im Gegensatz zu ihren terrestrischen Vertretern, die seit als 4000 Jahren als Wirkstoffe Anwendung finden, waren marine Naturstoffe noch kaum erforscht. Erst mit der Entwicklung von Drucklufttauchgeräten (engl. SCUBA für self contained underwater breathing apparatus) vor etwa 60 Jahren konnte mit den Ozeanen eine neue Quelle für zukünftige Pharmazeutika erschlossen werden. Seitdem wurden mehr als 10000 neue marine Wirkstoffe mit interessanten pharmazeutische Eigenschaften entdeckt. Im ewigen Kampf gegen Krankheiten und Arzneimittelresistenzen wurden Tausende von möglichen Antiinfektiva und antitumoralen Wirkstoffen gefunden. Einige davon sind derzeit in präklinischen und klinischen Studien. Im Jahr 2010 wurde Halaven® (Eribulinmesylat) in die – bis jetzt noch kurze – Liste der von der FDA/EMEA zugelassenen marinen Medikamente aufgenommen. Auf der Liste befinden sich momentan Prialt® (Ziconotid), Yondelis® (Trabectedin oder ET-743), Cytosar-U® (Cytarabin), Vira-A® (Vidarabin) and Adcetris® (Brentuximab). Heute sind marine Organismen wie Schwämme und Seescheiden mehr und mehr in den Fokus der Naturstoffforschung gerückt, da sie aufgrund ihrer Ortsgebundenheit hochwirksame Metaboliten produzieren müssen, um sich vor Fressfeinden und Lebenraumkonkurrenten zu schützen. Zytotoxische, antimikrobielle, antimykotische and antifouling Aktivitäten zählen zu den geläufigsten Wirkungen aus diesen Organismen. Die aus solchen Organismen isolierten Stoffe sind strukturell so einzigartig und komplex, dass der Gebrauch von hochmodernen Techniken und Geräten auf dem neuesten Stand der Dinge für die Strukturaufkärung unverzichtbar ist, wie beispielsweise 1D&2D NMR Spektroskopie (1H, 13C, 15N, DEPT, COSY, HMQC, HMBC) einschließlich dem Einsatz von hochempfindlichen Probenköpfen und J-gekoppelte Experimente und hochauflösende Massenspektrometrie. Manchmal ist auch der Einsatz von chemischen Methoden wie organische Synthese oder Derivatisierungsreaktion für Konfigurationsbestimmung von Nöten, um eine komplette Strukturaufklärung zu erreichen. In dieser Arbeit wurden insgesamt 15 sekundäre Metaboliten aus zwei Schwämmen und einer Seescheide isoliert, von denen sieben als neu identifiziert wurden. Zusätzlich wurde eine Substanz vollsynthetisch präpariert. Die isolierten Stoffe wurden auf ihre zytotoxischen Eigenschaften untersucht. Dabei wurden verschiedene Bioassays und Tumorzelllinien verwendet. In der vorliegenden Dissertation wurden die schon in wissenschaftlichen Journals veröffentlichten oder zur Veröffentlichung eingereichten Ergebnisse in Form von ihren entsprechenden Manuskripten dargestellt: Polycarpa aurata Der Rohextrakt der Seescheide Polycarpa aurata lieferte sechs Substanzen, von denen zwei neu sind. Fünf von ihnen sind Abbauprodukte von Polycarpin, einem schwefelhaltigen Alkaloid mit einem 5 gliedrigen Heterozyklus und einer 4-Methoxyphenyl-Teilstruktur. Bei der anderen Substanz handelt es sich um N,N-didesmethylgrossularin-1, ein α-Carbolinalkaloid. Die neuen Substanzen, Polycarpathiamin A und B, besitzen einen 3-amino-1,2,4-thiadiazol Ring. Die Strukturen wurden mithilfe von 1D, 2D NMR, and HRESIMS Messungen zweifelsfrei aufgeklärt. Weiterhin wurde die gesuchte heterozyklische Teilstruktur durch Vergleichen mit einem vollsynthetisierten Analogon, dem 3-Dimethylamino-5-benzoyl-1,2,4-thiadiazol, bestätigt. Polycarpathiamin A und die bekannten Substanzen Polycarpaurine C and N,N-Didesmethylgrossularin-1 zeigten eine signifikante zytotoxische Aktivität gegenüber murinen L5178Y Lymphomen. Aaptos suberitoides Durch chromatographische Auftrennung des Rohextrakts von Aaptos suberitoides wurden acht Benzo[de][1,6]naphthyridinalkaloide (Aaptaminderivate) isoliert, von denen vier neue Naturstoffe sind. Die Strukuren der isolierten Substanzen wurden mithilfe von 1D, 2D NMR, and HRESIMS Messungen eindeutig bestimmt. Alle Substanzen wurden auf Zytotoxizität getestet, unter denen nur eine neue und zwei bekannte Metaboliten, Aaptamin and Demethylaaptamin, gegen murine L5178Y Lymphome eine nennenswerte Aktivität aufweisen. Desweiteren wurden Strukturaktivitätsbeziehungen von Aaptaminderivaten in dieser Studie diskutiert. Callyspongia sp. In dieser Studie wird die Isolierung eines neuen Makrolids, Callyspogiolid, beschrieben, das einen 14 gliedrigen Ring besitzt. Ferner ist es das erste Makrolid überhaupt, das in einem Callyspongia Schwamm gefunden wurde. Seine planare Struktur wurde eindeutig per 1D, 2D NMR, und HRESIMS Messungen aufgeklärt. Die relative Konfiguration des Makrozyklus erhielt man nach Analyse und Interpretation von Kopplungskonstanten von 1H zu 13C über einfache und mehrere Atombindungen, erhalten durch HSQC-HECADE. Eine Bestimmung der absoluten Konfiguration eines Stereozentrums bei C-12 nach der Mosher Methode war nicht möglich, da die Bildung der entsprechenden Mosher-Ester durch sterische Hinderung bei C-21verhindert wurde. Callyspongiolid war hoch aktiv gegen murine L5178Y Lymphome, Jurkat T-lymphozyten and Ramos B-lymphozyten. Außerdem wurde mit der Substanz ein Apoptose-Induktions-Assay nach Nicoletti durchgeführt. Jedoch konnte die zytotoxische Wirkung von Callyspongiolide bei Zugabe von QVD-OPh, einem Caspase-Inhibitor, nicht blockiert werden. Aufgrund dieser Tatsache wird ein Caspase-unabhängiger Zelltod postuliert. Im letzten Kapitel werden mögliche Biosynthesewege, Wirkmechanismen und der biogenetische Ursprung der isolierten Substanzen diskutiert. More than 50% of all pharmaceuticals on the market are based on natural products. Traditionally, terrestrial plants were the major source for natural products. With the discovery of antibiotics in the early 20th century began a thorough search for pharmaceuticals from bacterial and fungal sources. Whereas the terrestrial environment has been screened for sources of new drugs for more than 4,000 years, until recently, the marine environment was to a large extent inaccessible for such investigations. Only the advent of SCUBA diving techniques about 60 years granted access to this thitherto almost completely untapped source of natural products. Since then more than 10,000 new metabolites have been isolated and described from marine organisms, many of them possess highly interesting pharmaceutical properties. In the everlasting combat against diseases and drug resistances thousands of anti-infective and anticancer drugs have been identified and are being tested in pre-clinical and clinical trials. In 2010 Halaven® (eribulin mesylate) was introduced to the - yet short - list of FDA/EMEA approved marine derived therapeutic drugs consisting of Prialt® (also known as ziconotide), Yondelis® (known also as trabectedin or ET-743), Cytosar-U® (cytarabine), Vira-A® (vidarabine) and Adcetris® (brentuximab). Much focus is laid on sessile organisms such as sponges and ascidians, as they are bound to produce highly bioactive chemical defensives for their own survival from which potent therapeutic drug may be developed. Common biological activities include cytotoxicity, antimicrobial, antifungal and antifouling activities. The compounds isolated from these organisms possess chemical structures which are so unique and complex that structure elucidation is rendered more difficult and modern state-of-the-art techniques and devices have to be employed, e.g. advanced 1D&2D NMR spectroscopy (1H, 13C, 15N, DEPT, COSY, HMQC, HMBC) including the usage of highly sensitive probes and J coupled experiments and high resolution mass spectrometry. Sometimes chemical approaches have to be made such as proof synthesis or derivatisation reactions for configurational studies, in order to achieve a complete structure elucidation. Overall, in this work 15 secondary metabolites were isolated from two sponges and one ascidian, of which 7 are identified as new natural products. Additionally, one compound was obtained through total synthesis. The isolated compounds were examined for their cytotoxicity using different assays and cancer cell lines. In the present dissertation, results already published in scientific journals or submitted for publication are presented in the form of the respective manuscripts: Polycarpa aurata From the crude extract of the ascidian Polycarpa aurata six compounds were isolated, two of which were identified as new. Five of them are metabolites of the dimeric sulfur containing alkaloid polycarpine which features a 4-methoxyphenyl substructure and a five membered heterocyclic system. The other is N,N-didesmethylgrossularine-1, a α-carboline alkaloid. The new compounds, polycarpathiamine A and B, contain a 3-amino-1,2,4-thiadiazole ring and their structures were unambiguously determined by 1D, 2D NMR, and HRESIMS measurements and further confirmed by comparison with a closely related analogue, 3-dimethylamino-5-benzoyl-1,2,4-thiadiazole, that was prepared by chemical synthesis. Polycarpathiamine A and the known compounds polycarpaurine C and N,N-didesmethylgrossularine-1 showed significant cytotoxic activity against L5178Y murine lymphoma cells. Aaptos suberitoides Chromatographic separation of the crude extract of the sponge Aaptos suberitoides yielded eight benzo[de][1,6]naphthyridine alkaloids (aaptamine derivatives) of which four were identified as new. The structures of the isolated compounds were unambiguously determined by 1D, 2D NMR, and HRESIMS measurements. All compounds were tested for cytotoxic activity, among which only one new compound and two known compounds, aaptamine and demethylaaptamine, were found to be active against L5178Y murine lymphoma cells. Furthermore, considerations on the structure activity relationship of the isolated aaptamine congeners were made in this study. Callyspongia sp. Sponges belonging to the genus Callyspongia have proven to be rich sources of various cytotoxic substances, such as polyketides, polyacetylenes, alkaloids, and cyclic peptides. Macrolides, however, have not been reported from this genus prior to this study. In the search for bioactive metabolites from marine organisms, the methanolic extract of the sponge Callyspongia sp., collected in Indonesia, was found to completely inhibit the growth of the murine lymphoma cell line L5178Y at a concentration of 10 μg/mL. Chromatographic separation of the extract afforded a new bioactive macrolide, named callyspongiolide. The planar structure was unambiguously elucidated by means of 1D, 2D NMR, and HRESIMS measurements. The relative configuration of the macrocyclic core was established by analysing and interpreting the short and long range 1H to 13C coupling constants obtained from HSQC-HECADE. The absolute configuration at C-21 could not be assigned using the Mosher’s method because the formation of the corresponding esters failed due to steric hindrance of C-21. Callyspongiolide exhibited strong activity against L51578 murine lymphoma cells, Jurkat T-lymphocytes and Ramos B-lymphocytes. Furthermore, it was subjected to an apoptosis induction assay (Nicoletti assay). However, the effect of callyspongiolide on viability could not be blocked by the parallel treatment with QVD-OPh, a caspase-inhibitor, thus suggesting a caspase independent induction of cell death. In the final chapter possible biosynthetic pathways, mechanisms of action and the biogenetic origin of the isolated compounds are discussed.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie
Dokument erstellt am:	03.02.2014
Dateien geändert am:	03.02.2014
Promotionsantrag am:	11.11.2013
Datum der Promotion:	28.01.2014