Advances in Molecular OncologyAdvances in Molecular OncologyУспехи молекулярной онкологии2313-805X2413-3787Publishing House ABV Press57110.17650/2313-805X-2023-10-3-59-71RESEARCH ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИMechanisms of cytotoxic activity of pyrrole-carboxamides against multidrug-resistant tumor cell sublinesМеханизмы цитотоксической активности пиррол-карбоксамидов в отношении опухолевых клеточных сублиний с множественной лекарственной устойчивостьюhttps://orcid.org/0000-0002-0293-2974GalembikovaA. R.ГалембиковаА. Р.
Russian Federation

49 Butlerova St., Kazan 420012

420012 Казань, ул. Бутлерова, 49

https://orcid.org/0000-0002-5449-4435DunaevP. D.ДунаевП. Д.
Russian Federation

49 Butlerova St., Kazan 420012

420012 Казань, ул. Бутлерова, 49

https://orcid.org/0000-0002-9012-6525BikinievaF. F.БикиниеваФ. Ф.
Russian Federation

49 Butlerova St., Kazan 420012

420012 Казань, ул. Бутлерова, 49

https://orcid.org/0000-0001-9683-3012MustafinI. G.МустафинИ. Г.
Russian Federation

49 Butlerova St., Kazan 420012

420012 Казань, ул. Бутлерова, 49

https://orcid.org/0000-0002-2078-4274KopninP. B.КопнинП. Б.
Russian Federation

24 Kashirskoye Shosse, Moscow 115522

115522 Москва, Каширское шоссе, 24

https://orcid.org/0000-0002-7395-4951ZykovaS. S.ЗыковаС. С.
Russian Federation

2 Polevaya St., Perm 614990

614081 Пермь, ул. Полевая, 2

https://orcid.org/0009-0004-9666-0130MukhutdinovaF. I.МухутдиноваФ. И.
Russian Federation

49 Butlerova St., Kazan 420012

420012 Казань, ул. Бутлерова, 49

https://orcid.org/0009-0005-4068-662XSarbazyanE. A.СарбазянЕ. А.
Russian Federation

68 Karl Marx St., Kazan 420015

420015 Казань, ул. К. Маркса, 68

https://orcid.org/0000-0003-2415-1084BoichukS. V.БойчукС. В.
Russian Federation

18 Kremlevskaya St., Kazan 420008Bld. 1, 2 / 1 Barricadnaya St., Moscow 12599349 Butlerova St., Kazan 42001249 Butlerova St., Kazan 420012

420012 Казань, ул. Бутлерова, 49420008 Казань, ул. Кремлевская, 18125993 Москва, ул. Баррикадная, 2 / 1, стр. 1420012 Казань, ул. Бутлерова, 49

boichuksergei@mail.ruKazan State Medical University, Ministry of Health of RussiaФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава РоссииResearch Institute of Carcinogenesis of the N. N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Ministry of Health of RussiaНаучно-исследовательский институт канцерогенеза ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н. Н. Блохина» Минздрава РоссииPerm State Pharmaceutical Academy, Ministry of Health of RussiaФГБОУ ВО «Пермская государственная фармацевтическая академия» Минздрава РоссииKazan National Research Technological UniversityФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»Research Laboratory “Biomarker”, Institute of Fundamental Medicine and Biology of the Kazan Federal UniversityНаучно-исследовательская лаборатория «Биомаркер», Институт фундаментальной медицины и биологии ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»Russian Medical Academy of Continuing Professional Education, Ministry of Health of RussiaФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Минздрава РоссииCentral Research Laboratory of the Kazan State Medical University, Ministry of Health of RussiaЦентральная научно-исследовательская лаборатория ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России1509202310359710910202309102023Copyright ©; 2023, Galembikova A.R., Dunaev P.D., Bikinieva F.F., Mustafin I.G., Kopnin P.B., Zykova S.S., Mukhutdinova F.I., Sarbazyan E.A., Boichuk S.V.Copyright ©; 2023, Галембикова А.Р., Дунаев П.Д., Бикиниева Ф.Ф., Мустафин И.Г., Копнин П.Б., Зыкова С.С., Мухутдинова Ф.И., Сарбазян Е.А., Бойчук С.В.2023Galembikova A.R., Dunaev P.D., Bikinieva F.F., Mustafin I.G., Kopnin P.B., Zykova S.S., Mukhutdinova F.I., Sarbazyan E.A., Boichuk S.V.Галембикова А.Р., Дунаев П.Д., Бикиниева Ф.Ф., Мустафин И.Г., Копнин П.Б., Зыкова С.С., Мухутдинова Ф.И., Сарбазян Е.А., Бойчук С.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://umo.abvpress.ru/jour/article/view/571

Introduction. Mitotic poisoning agents (MPAs) affecting the dynamic state of the microtubules, are the well-known and effective chemotherapeutic agents. Mitotic poisoning agents are binding to the microtubules, and thereby interfere with tubulin polymerization or depolymerization dynamic state, resulting in the cell cycle arrest in M-phase (mitotic catastrophe) and subsequent apoptotic cell death. We reported previously about potent cytotoxic activities against the pyrrole-carboxamides (PCs) (PC-61 and PC-84) against broad spectrum of cancer cell lines, including triple negative breast cancer, lung and prostate cancer.

Aim. To examine the cytotoxic activities of PC-61 and PC-84 against multidrug-resistant cancer cell lines indicated above.

Materials and methods. Studу was performed on the triple-negative paclitaxel-resistant breast cancer cell line HCC1806 Tx-R and doxorubicin-resistant osteosarcoma SaOS-2 Dox-R cell line.

Results. The cytotoxic activity of PCs was due to the inhibition of tubulin polymerization. Immunofluorescence staining data revealed PC’s ability to interfere with tubulin’s assembly in multidrug-resistant cancer cell lines. As an outcome of inhibition of tubulin polymerization, PCs induced cell cycle arrest in M-phase, and further led to apoptotic cell death of cancer cells.

Conclusion. Collectively, we demonstrated potent cytotoxic activity of PCs against cancer cell lines with multidrug-resistant phenotype, which arising the possibilities to develop novel and effective anti-tumor agents that belongs to mitotic poisoning agents

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.

microtubulestubulin depolymerizationcell cycleapoptosismultidrug resistancetriple negative breast cancerosteosarcomapyrrole-carboxamidespaclitaxelvinblastinedoxorubicinмикротрубочкидеполимеризация тубулинаклеточный циклапоптозмножественная лекарственная устойчивостьтрижды негативный рак молочной железыостеосаркомапиррол-карбоксамидыпаклитакселвинбластиндоксорубицинThe study was carried out with the support of the Russian Science Foundation (grant No. 21-75-00014) and was performed as a part of Russia Strategic Academic Leadership Program (PRIORITY-2030) of Kazan Federal University of Ministry of Health.Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-75-00014) и в рамках Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (ПРИОРИТЕТ-2030).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.2014.00153Dumontet 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/nrd3253Gigant 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/nature03566Ravelli 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/nature02393Yang 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/ncomms12103Prota 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.2016.06.023Steinmetz 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.2018.05.001Fanale 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: 10.1155/2015/690916Mooberry 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.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/jo991296yProta 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.201307749Munshi 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-09-1173Katayama 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-12-3256Aoyama 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-14-0462Gumireddy 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.2005.02.009Jost 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.2017.09.012Park 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.201100410Guo 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/s11010-012-1239-5Tanabe K. Microtubule depolymerization by kinase inhibitors: unexpected findings of dual inhibitors. Int J Mol Sci 2017;18(12):2508. DOI: 10.3390/ijms18122508Ramirez-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.2020.00543Krishna 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)00114-7Mechetner 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.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/JCI119642Kavallaris M. Microtubules and resistance to tubulin-binding agents. Nat Rev Cancer 2010;10(3):194–204. DOI: 10.1038/nrc2803Zykova S.S., Boychuk S.V., Galimbekova A.R. et al. 3-hydroxy-1,5diaryl-4-pivaloyl-2,5-dihydro-2-pyrrolone disrupt mitosis processes and induce the death of tumor cells in vitro. Citologiya = Cytology 2014;56:439–42. (In Russ.).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.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.0000000000000372Boichuk 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.0000000000000753Carta 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.2016.10.026Brindisi 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.2018.11.004Boichuk 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/molecules26195780Boichuk 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.2017.6795Zykova 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-zBoichuk 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/diagnostics13162646Boichuk 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/biomedicines10030601Distefano 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.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.2014.09.056Ke 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/molecules23081980Lin 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.2021.113281Yasuda 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.2015.02.038Gul 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: 10.1080/14756366.2016.1243536Gul 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.2018.03.027Gul 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.2018.01.021Yamali 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.2021.113351Mooberry 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.107.034876Da 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/ml200217uRomagnoli 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