Механизмы цитотоксической активности пиррол-карбоксамидов в отношении опухолевых клеточных сублиний с множественной лекарственной устойчивостью

Введение. Вещества, именуемые митотическими ядами и влияющие на динамическое состояние микротрубочек веретена деления, являются хорошо известными и эффективными химиотерапевтическими препаратами. эти вещества связываются с микротрубочками, влияя тем самым на процессы полимеризации или деполимеризации тубулина, что в конечном счете приводит к остановке клеточного цикла в M-фазе (митотическая катастрофа) и последующей гибели клеток по механизму апоптоза. В предыдущих исследованиях мы показали высокую цитотоксическую и противоопухолевую активность пиррол-карбоксамидов (пк) (пк-61 и пк-84) в отношении широкого спектра опухолевых клеточных линий эпителиального происхождения, включая трижды негативный рак молочной железы, рак легких и предстательной железы.

Цель исследования – изучить цитотоксическую активность пк-61 и пк-84 в отношении опухолевых клеточных линий с множественной лекарственной устойчивостью.

Материалы и методы. Исследования проводили на клеточных линиях трижды негативного рака молочной железы, резистентного к паклитакселу (HCC1806 Tx-R), и остеосаркомы, резистентной к доксорубицину (SaOS-2 Dox-R). Согласно ранее проведенным исследованиям обе опухолевые клеточные сублинии имели фенотип множественной лекарственной устойчивости.

Результаты. противоопухолевая активность пк обусловлена их способностью ингибировать процессы полимеризации тубулина. Данные иммунофлуоресцентной микроскопии показали способность пк нарушать процессы сборки тубулина в опухолевых клетках. В результате ингибирования полимеризации тубулина в этих клетках происходит остановка клеточного цикла в М-фазе, что приводит к накоплению митотических клеток и индуцирует апоптоз.

Заключение. Результаты исследований показывают высокую цитотоксическую активность соединений пк-61 и пк-84 в отношении опухолевых клеточных линий с множественной лекарственной устойчивостью, что открывает перспективы для создания новых эффективных противоопухолевых средств на основе пк.

1. Parker A.L., Kavallaris M., McCarroll J.A. Microtubules and their role in cellular stress in cancer. Front Oncol 2014;4:1–19. DOI: 10.3389/fonc.2014.00153

2. Dumontet C., Jordan M.A. Microtubule-binding agents: a dynamic field of cancer therapeutics. Nat Rev Drug Discov 2010;9(10): 790–803. DOI: 10.1038/nrd3253

3. Gigant B., Wang C., Ravelli R.B. et al. Structural basis for the regulation of tubulin by vinblastine. Nature 2005;435(7041):519–22. DOI: 10.1038/nature03566

4. Ravelli R.B., Gigant G., Curmi B. et al. Insight into tubulin regulation from a complex with colchicine and a stathminlike domain. Nature 2004;428(6979):198–202. DOI: 10.1038/nature02393

5. Yang J., Wang Y., Wang T. et al. Pironetin reacts covalently with cysteine-316 of α-tubulin to destabilize microtubule. Nat Commun 2016;7:12103. DOI: 10.1038/ncomms12103

6. Prota A.E., Setter J., Waight A.B. et al. Pironetin binds covalently to αCys316 and perturbs a major loop and helix of α-tubulin to inhibit microtubule formation. J Mol Biol 2016;428(15):2981–8. DOI: 10.1016/j.jmb.2016.06.023

7. Steinmetz M.O., Prota A.E. Microtubule-targeting agents: strategies to hijack the cytoskeleton. Trends Cell Biol 2018;28(10):776–92. DOI: 10.1016/j.tcb.2018.05.001

8. Fanale D., Bronte G., Passiglia F. et al. Stabilizing versus destabilizing the microtubules: a double-edge sword for an effective cancer treatment option? Anal Cell Pathol 2015;2015:690916. DOI: 10.1155/2015/690916

9. Mooberry S.L., Tien G., Hernandez A.H. et al. Laulimalide and isolaulimalide, new paclitaxel-like microtubule-stabilizing agents. Cancer Res 1999;59(3):653–60.

10. West L.M., Northcote P.T., Battershill C.N., Peloruside A. A potent cytotoxic macrolide isolated from the New Zealand marine sponge Mycale sp. J Org Chem 2000;65(2):445–9. DOI: 10.1021/jo991296y

11. Prota A.E., Bargsten K., Northcote P.T. et al. Structural basis of microtubule stabilization by laulimalide and peloruside A. Angew Chem Int Ed Engl 2014;53(6):1621–5. DOI: 10.1002/anie.201307749

12. Munshi N., Jeay S., Li Y. et al. ARQ 197, a novel and selective inhibitor of the human c-met receptor tyrosine kinase with antitumor activity. Mol Cancer Ther 2010;9(6):1544–53. DOI: 10.1158/1535-7163.MCT-09-1173

13. Katayama R., Aoyama A., Yamori T. et al. Cytotoxic activity of tivantinib (ARQ 197) is not due solely to c-MET inhibition. Cancer Res 2013;73(10):3087–96. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-12-3256

14. Aoyama A., Katayama R., Oh-Hara T. et al. Tivantinib (ARQ 197) exhibits antitumor activity by directly interacting with tubulin and overcomes ABC transporter-mediated drug resistance. Mol Cancer Ther 2014;13(12):2978–90. DOI: 10.1158/1535-7163.MCT-14-0462

15. Gumireddy K., Reddy M.V.R., Cosenza S.C. et al. ON01910, a non-ATP-competitive small molecule inhibitor of Plk1, is a potent anticancer agent. Cancer Cell 2005;7:275–86. DOI: 10.1016/j.ccr.2005.02.009

16. Jost M., Chen Y., Gilbert L.A. et al. Combined CRISPRi/a-based chemical genetic screens reveal that rigosertib is a microtubuledestabilizing agent. Mol Cell 2017;68(1):210–23. DOI: 10.1016/j.molcel.2017.09.012

17. Park H., Hong S., Hong S. Nocodazole is a high-affinity ligand for the cancer-related kinases ABL, c-KIT, BRAF, and MEK. Chem Med Chem 2012;7(1):53–6. DOI: 10.1002/cmdc.201100410

18. Guo X., Zhang X., Li Y. et al. Nocodazole increases the ERK activity to enhance MKP-1 expression which inhibits p38 activation induced by TNF-α. Mol Cell Biochem 2012;364(1–2):373–80. DOI: 10.1007/s11010-012-1239-5

19. Tanabe K. Microtubule depolymerization by kinase inhibitors: unexpected findings of dual inhibitors. Int J Mol Sci 2017;18(12):2508. DOI: 10.3390/ijms18122508

20. Ramirez-Rios S., Michallet S., Peris L. et al. A new quantitative cell-based assay reveals unexpected microtubule stabilizing activity of certain kinase inhibitors, clinically approved or in the process of approval. Front Pharmacol 2020;11:543. DOI: 10.3389/fphar.2020.00543

21. Krishna R., Mayer L.D. Multidrug resistance (MDR) in cancer: mechanisms, reversal using modulators of MDR and the role of MDR modulators in influencing the pharmacokinetics of anticancer drugs. Eur J Pharm Sci 2000;11(4):265–83. DOI: 10.1016/S0928-0987(00)00114-7

22. Mechetner E., Kyshtoobayeva A., Zonis S. et al. Levels of multidrug resistance (MDR1) P-glycoprotein expressing by human breast cancer correlate with in vitro resistance to taxol and doxorubicin. Clin Cancer Res 1998;4(2):389–98.

23. Kavallaris M., Kuo D.Y., Burkhart C.A. et al. Taxol-resistant epithelial ovarian tumors are associated with altered expression of specific beta-tubulin isotypes. J Clin Investig 1997;100(5):1282– 93. DOI: 10.1172/JCI119642

24. Kavallaris M. Microtubules and resistance to tubulin-binding agents. Nat Rev Cancer 2010;10(3):194–204. DOI: 10.1038/nrc2803

25. Зыкова С.С., Бойчук С.В., Галембикова А.Р. и др. 3-гидрокси-1,5-диарил-4-пивалоил-2,5-дигидро-2-пирролоны нарушают процессы митоза и индуцируют гибель опухолевых клеток in vitro. Цитология 2014;56:439–42.

26. Boichuk S., Galembikova A., Zykova S. et al. Ethyl-2-aminopyrrole-3-carboxylates are novel potent anticancer agents that affect tubulin polymerization, induce G2/M cell-cycle arrest, and effectively inhibit soft tissue cancer cell growth in vitro. Anti-Cancer Drugs 2016;27(7):620–34. DOI: 10.1097/CAD.0000000000000372

27. Boichuk S., Galembikova A., Dunaev P. et al. Ethyl-2-aminopyrrole-3-carboxylates are active against imatinib-resistant gastrointestinal stromal tumors in vitro and in vivo. Anti-Cancer Drugs 2019;30(5):475–84. DOI: 10.1097/CAD.0000000000000753

28. Carta D., Bortolozzi R., Sturlese M. et al. Synthesis, structureactivity relationships and biological evaluation of 7-phenyl-pyrroloquinolinone 3-amide derivatives as potent antimitotic agents. Eur J Med Chem 2017;127:643–60. DOI: 10.1016/j.ejmech.2016.10.026

29. Brindisi M., Ulivieri C., Alfano G. et al. Structure-activity relationships, biological evaluation and structural studies of novel pyrrolonaphthoxazepines as antitumor agents. Eur J Med Chem 2019;162:290–320. DOI: 10.1016/j.ejmech.2018.11.004

30. Boichuk S., Galembikova A., Syuzov K. et al. The design, synthesis, and biological activities of pyrrole-based carboxamides: the novel tubulin inhibitors targeting the colchicine-binding site. Molecules 2021;26(19):5780. DOI: 10.3390/molecules26195780

31. Boichuk S., Galembikova A., Sitenkov A. et al. Establishment and characterization of a triple negative basal-like breast cancer cell line with multi-drug resistance. Oncol Lett 2017;14(4):5039–45. DOI: 10.3892/ol.2017.6795

32. Zykova S., Kizimova I., Syutkina A. et al. Synthesis and cytostatic activity of (E)-ethyl-2-amino-5-(3,3-dimethyl-4-oxobutyliden-4oxo-1-(2-phenylaminobenzamido)-4,5-dihydro-1Hpyrrol-3carboxylate. Pharm Chem J 2020;53:895–8. DOI: 10.1007/s11094020-02096-z

33. Boichuk S., Bikinieva F., Valeeva E. et al. Establishment and characterization of multi-drug resistant p53-negative osteosarcoma SaOS-2 subline. Diagnostics 2023;13:2646. DOI: 10.3390/diagnostics13162646

34. Boichuk S., Dunaev P., Mustafin I. et al. Infigratinib (BGJ 398), a pan-FGFR inhibitor, targets P-glycoprotein and increases chemotherapeutic-induced mortality of multidrug-resistant tumor cells. Biomedicines 2022;10(3):601. DOI: 10.3390/biomedicines10030601

35. Distefano M., Scambia G., Ferlini C. et al. Antitumor activity of paclitaxel (taxol) analogues on MDR-positive human cancer cells. Anticancer Drug Des 1998;13(5):489–99.

36. Pirol Ş.C., Çalışkan B., Durmaz I. et al. Synthesis and preliminary mechanistic evaluation of 5-(p-tolyl)-1-(quinolin-2-yl)pyrazole-3carboxylic acid amides with potent anti-proliferative activity on human cancer cell lines. Eur J Med Chem 2014;87:140–9. DOI: 10.1016/j.ejmech.2014.09.056

37. Ke J., Lu Q., Wang X. et al. Discovery of 4,5-dihydro-1Hthieno[2’,3’:2,3]thiepino [4,5-c]pyrazole-3-carboxamide derivatives as the potential epidermal growth factor receptors for tyrosine kinase inhibitors. Molecules 2018;23:1980. DOI: 10.3390/molecules23081980

38. Lin T., Li J., Liu L. et al. Design, synthesis, and biological evaluation of 4-benzoylamino-1H-pyrazole-3-carboxamide derivatives as potent CDK2 inhibitors. Eur J Med Chem 2021;215:113281. DOI: 10.1016/j.ejmech.2021.113281

39. Yasuda Y., Arakawa T., Nawata Y. et al. Design, synthesis, and structure-activity relationships of 1-ethylpyrazole-3-carboxamide compounds as novel hypoxia-inducible factor (HIF)-1 inhibitors. Bioorg Med Chem 2015;23(8):1776–87. DOI: 10.1016/j.bmc.2015.02.038

40. Gul H.I., Mete E., Eren S.E. et al. Designing, synthesis and bioactivities of 4-[3-(4-hydroxyphenyl)-5-aryl-4,5-dihydropyrazol-1-yl]benzenesulfonamides. J Enzyme Inhib Med Chem 2017;32(1):169–75. DOI: 10.1080/14756366.2016.1243536

41. Gul H.I., Yamali C., Bulbuller M. et al. Anticancer effects of new dibenzenesulfonamides by inducing apoptosis and autophagy pathways and their carbonic anhydrase inhibitory effects on hCA I, hCA II, hCA IX, hCA XII isoenzymes. Bioorg Chem 2018;78: 290–7. DOI: 10.1016/j.bioorg.2018.03.027

42. Gul H.I., Yamali C., Sakagami H. et al. New anticancer drug candidates sulfonamides as selective hCA IX or hCA XII inhibitors. Bioorg Chem 2018;77:411–9. DOI: 10.1016/j.bioorg.2018.01.021

43. Yamali C., Sakagami H., Uesawa Y. et al. Comprehensive study on potent and selective carbonic anhydrase inhibitors: synthesis, bioactivities and molecular modelling studies of 4-(3-(2-arylidenehydrazine-1-carbonyl)-5-(thiophen-2-yl)-1Hpyrazole-1-yl) benzenesulfonamides. Eur J Med Chem 2021;217:113351. DOI: 10.1016/j.ejmech.2021.113351

44. Mooberry S.L., Weiderhold K.N., Dakshanamurthy S. et al. Identification and characterization of a new tubulin-binding tetrasubstituted brominated pyrrole. Mol Pharmacol 2007;72(1):132–40. DOI: 10.1124/mol.107.034876

45. Da C., Telang N., Barelli P. et al. Pyrrole-based antitubulin agents: two distinct binding modalities are predicted for C-2 analogues in the colchicine site. ACS Med Chem Lett 2012;3(1):53–7. DOI: 10.1021/ml200217u

46. Romagnoli R., Oliva P., Salvador M.K. et al. A facile synthesis of diary l pyrroles led to the discovery of potent colchicine site antimitotic agents. Eur J Med Chem 2021;214:113229. DOI: 10.1016/j.ejmech.2021.113229