PL240524B1

PL240524B1 - Nanoconjugate of [60]fullerene-diglycine derivative with gemcitabine, method of its preparation and its application

Info

Publication number: PL240524B1
Application number: PL428457A
Authority: PL
Inventors: Maciej Serda; Paweł Nalepa; Robert Gawecki; Anna Mrozek-Wilczkiewicz; Robert Musioł
Original assignee: Univ Slaski
Priority date: 2018-12-31
Filing date: 2018-12-31
Publication date: 2022-04-19
Also published as: PL428457A1

Description

PL 240 524 B1PL 240 524 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest nanokoniugat diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną, sposób jego otrzymywania oraz jego zastosowanie.The subject of the invention is a nanoconjugate of diglycine derivative [60] of fullerene with gemcitabine, the method of its preparation and its application.

Dużym problemem badawczym dla współczesnych naukowców zajmujących się tematyką chemii medycznej jest synteza skutecznych leków przeciwnowotworowych, działających selektywnie na nowotwór trzustki i piersi. Obecnie gemcytabiną jest standardem w leczeniu raka trzustki, a także pomocniczo w przypadku nowotworów piersi i jajników. Farmaceutyk ten należy do szerokiej grupy antymetabolitów pirymidyny, wpływających na zatrzymanie replikacji DNA komórki i prowadzących do tzw. programowej śmierci apoptozy. Niestety skuteczność tego polarnego leku w przypadku przerzutujących stadiów nowotworu trzustki jest wysoce niesatysfakcjonująca, co wynika bezpośrednio z jego szybkiego metabolizmu do nieaktywnej formy monofosforanu, a także rozkładu gemcytabiny przez nukleazy. W związku z tym prowadzone są intensywne badania nad nowymi nanoterapeutykami oraz nanoformulacjami, jak również selektywnymi metodami dostarczania gemcytabiny do tkanek nowotworowych, co wyraża się między innymi w zgłoszeniach patentowych i udzielonych patentach, przykładowo US8044034B2 oraz US20170319482A1, opisujących odpowiednio formulacje liposomowe oraz skwalenowe gemcytabiny.A major research problem for modern scientists dealing with the subject of medical chemistry is the synthesis of effective anti-cancer drugs, selectively acting on pancreatic and breast cancer. Currently, gemcitabine is standard in the treatment of pancreatic cancer as well as an adjunct to breast and ovarian cancer. This pharmaceutical belongs to a wide group of pyrimidine antimetabolites, which stop the replication of the cell's DNA and lead to the so-called programmatic death of apoptosis. Unfortunately, the efficacy of this polar drug in the metastatic stages of pancreatic cancer is highly unsatisfactory as a direct result of its rapid metabolism to the inactive form of monophosphate as well as the breakdown of gemcitabine by nuclease. Therefore, intensive research is carried out on new nanotherapeutics and nanoformulations, as well as selective methods of gemcitabine delivery to neoplastic tissues, which is expressed, among others, in patent applications and granted patents, for example US8044034B2 and US20170319482A1, describing gemcitabine liposomal and squalene formulations, respectively.

Dotychczas nie ujawniono bezpośrednich połączeń kowalencyjnych [60]fullerenu lub pochodnych z gemcytabiną. Tymczasem takie połączenie może wykazywać pożądane cechy obu substancji, to jest aktywność leku ze zdolnością fullerenów do lokalizacji w obrębie guza. Zaletą takiego układu jest możliwość wykorzystania nanocząsteczkowych pochodnych fullerenów jako nośniki dla cząsteczek różnych leków. Struktura takiej możliwej do wykorzystania pochodnej diglicynowej [60]fullerenu jest przedstawiona na Wzorze 1.To date, no direct covalent connections [60] of fullerene or derivatives with gemcitabine have been disclosed. Meanwhile, such a combination may show the desired characteristics of both substances, i.e. drug activity with the ability of fullerenes to localize within the tumor. The advantage of such a system is the possibility of using nanoparticle fullerene derivatives as carriers for molecules of various drugs. The structure of such a usable diglycine derivative [60] of fullerene is shown in Formula 1.

Istotę wynalazku stanowi nanokoniugat diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną, o strukturze przedstawionej na Wzorze 2. Nanokoniugat ten charakteryzuje się wysoką rozpuszczalnością w wodzie oraz silnym działaniem przeciwnowotworowym, potwierdzonym na liniach komórkowych nowotworu trzustki AsPC-1, PAN-02 oraz nowotworu piersi MCF-7. Powyższy nanoterapeutyk może być wykorzystany do otrzymywania kompozycji farmaceutycznych, skutecznych w leczeniu chorób nowotworowych, a zwłaszcza nowotworów trzustki lub piersi.The essence of the invention is a nanoconjugate of diglycine derivative [60] of fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2. This nanoconjugate is characterized by high water solubility and strong antitumor activity, confirmed on the cell lines of the AsPC-1, PAN-02 pancreatic cancer and MCF breast cancer. -7. The above nanotherapeutic agent can be used for the preparation of pharmaceutical compositions effective in the treatment of neoplastic diseases, especially pancreatic or breast neoplasms.

Istotę wynalazku stanowi również sposób otrzymywania nanokoniugatu diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną, o strukturze przedstawionej na Wzorze 2, który to sposób przedstawiony jest na Schemacie 1 i polega na tym, że diglicynową pochodną [60]fullerenu, ekwiwalent, o strukturze przedstawionej na Wzorze 1 rozpuszcza się w mieszaninie wody albo buforu koniugacyjnego w postaci wodnego roztworu kwasu 2-(N-morfolino)-etanosulfonowego o stężeniu poniżej 20%, korzystnie 10%, z dodatkiem od 1 do 5 ekwiwalentów chlorowodorku gemcytabiny w stosunku masowym do diglicynowej pochodnej [60]fullerenu oraz od 1 do 5 ekwiwalentów roztworu koniugacyjnego w stosunku masowym do diglicynowej pochodnej [60]fullerenu, a otrzymaną mieszaninę reakcyjną miesza się w temperaturze od 10 do 50°C, korzystnie w temperaturze pokojowej, w czasie nie krótszym niż 12 godzin, po czym otrzymany nanokoniugat oczyszcza się metodą dializy z wykorzystaniem membran o odpowiednim odcięciu masy, korzystnie 1000 Da.The essence of the invention is also a method of obtaining nanoconjugate of diglycine derivative [60] of fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2, which method is presented in Scheme 1 and consists in the fact that diglycin derivative [60] of fullerene, equivalent, with the structure shown in Formula 1 is dissolved in a mixture of water or a conjugation buffer in the form of an aqueous solution of 2- (N-morpholino) -ethanesulfonic acid with a concentration of less than 20%, preferably 10%, with the addition of 1 to 5 equivalents of gemcitabine hydrochloride by weight to the diglycine derivative [ 60] fullerene and from 1 to 5 equivalents of the conjugation solution in mass ratio to the diglycine derivative of [60] fullerene, and the obtained reaction mixture is stirred at a temperature of 10 to 50 ° C, preferably at room temperature, for not less than 12 hours, the obtained nanoconjugate is then purified by dialysis using membranes with an appropriate mass cut-off, preferably 1000 Da.

Korzystnie, jako roztwór koniugacyjny stosuje się roztwór następujących rozpuszczonych w buforze koniugacyjnym związków koniugujących: chlorowodorek N-(3-dimetylaminopropylo)-N’-etylokarbodiimidu (EDCI) oraz korzystnie N-hydroksy imid kwasu bursztynowego (NHS), które mogą być podane w czasie koniugacji jednocześnie lub też oddzielnie.Preferably, a solution of the following conjugating compounds dissolved in the conjugation buffer is used as the conjugation solution: N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDCI) and preferably N-hydroxy succinimide (NHS), which can be administered over time conjugation simultaneously or separately.

Diglicynowa pochodna [60]fullerenu o strukturze przedstawionej na Wzorze 1 stanowiąca związek wyjściowy do otrzymania pochodnej zastrzeganej w niniejszym zgłoszeniu oraz sposób jej otrzymywania są przedstawione w równoległym zgłoszeniu tego samego zgłaszającego o nr zgłoszenia P.428469.The diglycine derivative [60] of fullerene with the structure shown in Formula 1 as the starting compound for the preparation of the derivative claimed in this application and the method of its preparation are presented in the parallel application of the same applicant with application number P.428469.

Istotę wynalazku stanowi również zastosowanie nanokoniugatu diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną, o strukturze przedstawionej na Wzorze 2, do wytwarzania leku o działaniu przeciwnowotworowym, wykorzystywanego w leczeniu nowotworów trzustki lub nowotworów piersi.The essence of the invention is also the use of nanoconjugate diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2, for the preparation of an antineoplastic drug used in the treatment of pancreatic or breast tumors.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie lepiej zobrazowane na poniższych przykładach oraz na rysunku, na którym na wzorze 1 przedstawiono pochodną diglicynową [60]fullerenu; na wzorze 2 - nanokoniugat pochodnej diglicynowej [60]fullerenu z gemcytabiną; na schemacie 1 - przebieg sposobu otrzymywania nanokoniugatu diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną; na fig. 1 - widmo masowe ESI-MS nanokoniugatu C60-gemcytabina, według Wzoru 2 z charakterystycznym pikiem przy 2690 m/z, dla jonizacji dodatniej i napięcia 50 V (obliczona masa nanokoniugatu C60-gemcytabinaThe solution according to the invention will be better illustrated in the following examples and in the drawing in which the diglycine derivative of [60] fullerene in formula 1 is shown; in the formula 2 - nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine; Scheme 1 - the course of the method of obtaining nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine; in Fig. 1 - ESI-MS mass spectrum of C60-gemcitabine nanoconjugate according to Formula 2 with a characteristic peak at 2690 m / z, for positive ionization and voltage 50 V (calculated mass of C60-gemcitabine nanoconjugate

PL 240 524 B1PL 240 524 B1

[M+Na]⁺ wynosi 2690 Da); natomiast w Tabeli 1 - profil cytotoksyczności nanokoniugatu C60-gemcytabina dla nowotworów trzustki i piersi.[M + Na] ⁺ is 2690 Da); while in Table 1 - the cytotoxicity profile of the C60-gemcitabine nanoconjugate for pancreatic and breast neoplasms.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Otrzymywanie nanokoniugatu diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną.Preparation of nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine.

Jako buforu do reakcji koniugacji gemcytabiny z prekursorem diglicynowym używano 10% wodnego roztworu kwasu 2-(N-morfolino)-etanosulfonowego (MES). W celu przeprowadzenia reakcji koniugacji rozpuszczono 0,397 g MES w 3,97 ml wody i wymieszano zawartość. Następnie odważono chlorowodorek N-(3-dimetylaminopropylo)-N’-etylokarbodiimidu (EDCI) (6,60 mg, 34,4 μmol), N-hydroksyimid kwasu bursztynowego (NHS) (3,96 mg, 34,4 μmol) oraz chlorowodorek gemcytabiny (GEM) (10,32 mg, 34,4 μmol). Do powyższych reagentów dodano 2 ml 10% roztworu MES i mieszano zawartość przez 5 minut na mieszadle magnetycznym. Następnie tak przygotowany roztwór dodawano do fiolki reakcyjnej (10 ml), w której znajdowała się diglicynowa pochodna [60]fullerenu (30,00 mg, 13,8 μmol). Po 15 minutach mieszania w temperaturze pokojowej fiolkę z mieszaniną reakcyjną okryto folią aluminiową i pozostawiono na mieszadle magnetycznym na czas 94 h. Wytworzony w ten sposób nanokoniugat oczyszczano, stosując technikę dializy z zastosowaniem membrany celulozowej o odcięciu masy 1000 Da. W tym celu, zawartość naczynia reakcyjnego przeniesiono do woreczka dializacyjnego (Spectrum Labs, USA), a następnie przepłukując fiolkę wodą, uzupełniono zawartość woreczka dializacyjnego. Rozpoczęto dializę trwającą 10 dób. Po tym okresie przelano zawartość woreczka dializacyjnego (przepłukując go wodą) do kolby 50 ml, odparowano większość rozpuszczalnika, a powstały produkt poddano liofilizacji. Otrzymano w ten sposób 29,42 mg (78,6%) nanokoniugatu pochodnej diglicynowej [60]fullerenu z gemcytabiną w postaci brązowego ciała stałego. Ponadto, obecność oraz czystość chromatograficzną finalnego nanokoniugatu potwierdzono przy użyciu techniki spektrometrii masowej ESI-MS oraz analizy HPLC.A 10% aqueous solution of 2- (N-morpholino) -ethanesulfonic acid (MES) was used as a buffer for the conjugation reaction of gemcitabine with the diglycin precursor. For the conjugation reaction, 0.397 g of MES was dissolved in 3.97 ml of water and the contents were mixed. Then N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDCI) (6.60 mg, 34.4 μmol), N-hydroxy succinimide (NHS) (3.96 mg, 34.4 μmol) was weighed and gemcitabine hydrochloride (GEM) (10.32 mg, 34.4 μmol). 2 ml of a 10% MES solution was added to the above reagents and the contents were mixed for 5 minutes on a magnetic stirrer. Then, the solution prepared in this way was added to the reaction vial (10 ml) containing the diglycine derivative of [60] fullerene (30.00 mg, 13.8 μmol). After 15 minutes of stirring at room temperature, the vial with the reaction mixture was covered with aluminum foil and left on a magnetic stirrer for 94 h. The nanoconjugate obtained in this way was purified by dialysis using a cellulose membrane with a 1000 Da weight cut. For this purpose, the contents of the reaction vessel were transferred to a dialysis bag (Spectrum Labs, USA), and then, by rinsing the vial with water, the contents of the dialysis bag were replenished. Dialysis was started for 10 days. After this period, the contents of the dialysis bag (by rinsing it with water) were poured into a 50 ml flask, most of the solvent was evaporated and the resulting product was subjected to lyophilization. Thus, 29.42 mg (78.6%) of diglycine derivative [60] fullerene derivative nanoconjugate with gemcitabine was obtained in the form of a brown solid. In addition, the presence and chromatographic purity of the final nanoconjugate was confirmed by ESI-MS mass spectrometry and HPLC analysis.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Reakcję koniugacji prowadzono w podwójnie dejonizowanej wodzie. W tym celu odważono chlorowodorek N-(3-dimetylaminopropylo)-N’-etylokarbodiimidu (EDCI) (13,2 mg, 68,8 μmol), N-hydroksyimid kwasu bursztynowego (NHS) (7,92 mg, 68,8 μmol) oraz chlorowodorek gemcytabiny (GEM) (20,64 mg, 68,8 μmol). Do powyższych reagentów dodano 3 ml wody i mieszano zawartość przez 5 minut na mieszadle magnetycznym. Następnie tak przygotowany roztwór dodawano do fiolki reakcyjnej (10 ml), w której znajdowała się diglicynową pochodna [60]fullerenu (30,00 mg, 13,8 μmol). Po 15 minutach mieszania w temperaturze pokojowej fiolkę z mieszaniną reakcyjną okryto folią aluminiową i pozostawiono na mieszadle magnetycznym na czas 5 dni. Wytworzony w ten sposób nanokoniugat oczyszczano, stosując technikę dializy z zastosowaniem membrany celulozowej o odcięciu masy 1000 Da. Rozpoczęto dializę trwającą 10 dób. Po tym okresie przelano zawartość woreczka dializacyjnego (przepłukując go wodą) do kolby 50 ml, odparowano większość rozpuszczalnika, a powstały produkt poddano liofilizacji. Otrzymano w ten sposób nanokoniugat pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną, w postaci brązowego ciała stałego o wydajności powyżej 50%. Ponadto, obecność oraz czystość chromatograficzną finalnego nanokoniugatu potwierdzono przy użyciu techniki spektrometrii masowej ESIMS oraz analizy HPLC.The conjugation reaction was performed in double-deionized water. For this purpose, N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDCI) (13.2 mg, 68.8 μmol), N-hydroxy succinimide (NHS) (7.92 mg, 68.8 μmol) was weighed. ) and gemcitabine hydrochloride (GEM) (20.64 mg, 68.8 μmol). 3 ml of water was added to the above reagents and the contents were mixed for 5 minutes on a magnetic stirrer. Then, the solution prepared in this way was added to the reaction vial (10 ml) containing the diglycine derivative [60] of fullerene (30.00 mg, 13.8 μmol). After 15 minutes of stirring at room temperature, the vial with the reaction mixture was covered with aluminum foil and left on a magnetic stirrer for 5 days. The thus produced nanoconjugate was purified by dialysis using a cellulose membrane with a 1000 Da weight cut. Dialysis was started for 10 days. After this period, the contents of the dialysis bag (by rinsing it with water) were poured into a 50 ml flask, most of the solvent was evaporated and the resulting product was subjected to lyophilization. Thus, a nanoconjugate of [60] fullerene derivative with gemcitabine was obtained in the form of a brown solid with a yield of more than 50%. In addition, the presence and chromatographic purity of the final nanoconjugate was confirmed using ESIMS mass spectrometry and HPLC analysis.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Działanie cytotoksyczne względem komórek nowotworów trzustki (linie komórkowe Panc-1, AsPC-1, PAN-02) oraz nowotworu piersi (linia komórkowa MCF-7).Cytotoxic activity against pancreatic cancer cells (Panc-1, AsPC-1, PAN-02 cell lines) and breast cancer (MCF-7 cell line).

Cytotoksyczność nanokoniugatu diglicynowej pochodnej [60]fullerenu z gemcytabiną oznaczano wobec komórek ludzkiego nowotworu trzustki Panc-1 oraz AsPC-1, mysiego nowotworu trzustki PAN-O2 oraz komórek ludzkiego nowotworu piersi MCF-7. W tym celu wysiewano komórki nowotworowe - 9 tysięcy komórek/dołek (po 100 μL/dołek) i umieszczono płytki na 24 godziny w cieplarce. Aplikacja związku: rozpuszczono związek w medium hodowlanym w celu przygotowania roztworów o następujących stężeniach: 0,1 mg/ml oraz 1 mg/ml, a następnie dodano do każdego dołka po 200 μL odpowiedniego roztworu. Następnie, po 24 godzinach przeprowadzono test oznaczający cytotoksyczność (MTS). Wyniki testów biologicznych przedstawiono w Tabeli 1. W wyniku przeprowadzonych eksperymentów stwierdzono cytotoksyczności badanej pochodnej dla linii PAN-02 oraz MCF-7. Przedstawione wyniki badań wskazują, iż powyższy rozpuszczalny w wodzie nanokoniugat może znaleźć zastosowanie do otrzymywania leków do efektywnego leczenia nowotworów piersi oraz trzustki.The cytotoxicity of the nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine was determined against Panc-1 and AsPC-1 human pancreatic cancer cells, PAN-O2 mouse pancreatic cancer and MCF-7 human breast cancer cells. For this purpose, tumor cells - 9,000 cells / well (100 µL / well) were seeded and the plates were placed in an incubator for 24 hours. Application of the compound: the compound was dissolved in the culture medium to prepare solutions with the following concentrations: 0.1 mg / ml and 1 mg / ml, and then 200 μL of the appropriate solution was added to each well. A cytotoxicity assay (MTS) was then performed 24 hours later. The results of biological tests are presented in Table 1. As a result of the conducted experiments, the tested derivative was found to be cytotoxic for the PAN-02 and MCF-7 lines. The presented research results indicate that the above water-soluble nanoconjugate can be used for the preparation of drugs for the effective treatment of breast and pancreatic cancers.

Claims

a d 4

Cytotoxic activity against human fibroblasts of the NHDF lineage.

The cytotoxicity of the diglycin derivative [60] fullerene nanoconjugate was determined against NHDF fibroblast cells. Cells were seeded - 8,000 cells / well (100 µL / well) and the plates were placed in an incubator for 24 hours. Application of the compound: the compound was dissolved in the culture medium to prepare solutions with the following concentrations: 0.1 mg / ml and 1 mg / ml, and then 200 μL of the appropriate solution was added to each well. A cytotoxicity assay (MTS) was then performed 24 hours later. The test results are presented in Table 1. As a result of the conducted experiments, no cytotoxicity of the tested derivative was found in the above concentration range on the given cell lines. The presented research results are particularly interesting as they indicate that the obtained nanoconjugate of diglycine derivative [60] of fullerene acts selectively against neoplastic cells, being non-toxic for normal cells in the studied concentration range.

P r z k ł a d 5

The use of nanoconjugate diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2, for the manufacture of a medicament (pharmaceutical composition) with antitumor activity.

The pharmaceutical composition in the form of a solution was prepared by dissolving 0.25 mg of nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine in 3 ml of purified water and diluting to 100 ml in an aqueous phosphate buffer solution.

The composition obtained in this way can be used in anti-cancer therapy for breast and pancreatic tumors.

Patent claims

1. Nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2.

2. The method of obtaining nanoconjugate of diglycine derivative [60] fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2, characterized in that diglycine derivative [60] of fullerene, equivalent, with the structure shown in Formula 1 is dissolved in a mixture of water or a conjugation buffer in the form of an aqueous solution of 2- (N-morpholino) -ethanesulfonic acid with a concentration below 20%, preferably 10%, with the addition of 1 to 5 equivalents of gemcitabine hydrochloride by weight to the diglycine derivative [60] of fullerene and 1 to 5 equivalents of the conjugation solution in mass ratio to the diglycine derivative of [60] fullerene, and the obtained reaction mixture is stirred at a temperature of 10 to 50 ° C, preferably at room temperature, for not less than 12 hours, after which the obtained nanoconjugate is purified by dialysis using membranes with a suitable mass cut, preferably 1000 Da.

3. The method according to p. 2. The method of claim 2, characterized in that a solution of the following conjugating compounds dissolved in the conjugation buffer is used as the conjugation solution: N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDCI) and preferably N-hydroxy succinimide (NHS), which can be administered simultaneously or separately during conjugation.

4. The use of nanoconjugate diglycine derivative [60] of fullerene with gemcitabine, with the structure shown in Formula 2, for the preparation of an antitumor drug used in the treatment of pancreatic or breast tumors.