Поліфункціональні конденсовані та неконденсовані похідні тіазолу/тіазолідинону: спрямований синтез, фізико-хімічні властивості та біологічна активність

Дисертаційна робота присвячена спрямованому синтезу нових поліфункціональних конденсованих та неконденсованих похідних тіазолу/тіазолідинону, вивченню їх фізико-хімічних, фармакологічних властивостей та встановленню молекулярних механізмів реалізації їх біологічної активності як основи для створення потенційних лікоподібних молекул.

Проведено огляд літературних даних, що узагальнює сучасні підходи до синтезу поліфункціональних конденсованих похідних на основі тіазолу/тіазолідинону, зокрема пірано[2,3-d]тіазолів, анельованих похідних тіазолу із шестичленними азагетероциклами, похідних хінону з фрагментом тіазолу/тіазолідинону; охарактеризовано механізми реалізації біологічної активності функціонально-заміщених похідних тіазолу/тіазолідинону.

На основі розроблених синтетичних методик синтезовано нові класи неописаних в літературі похідних тіазоло[4,5-b]піридин-2(3Н)-ону, які одержані взаємодією 4-аміно-5Н-тіазол-2-ону з електрофілами, зокрема похідними бензиліденацетону, бензиліденацетофенону та ариліденпіровиноградних кислот в умовах реакцій [3+3]-циклоконденсації. Для похідних 2-оксо-7-арил-2,3-дигідротіазоло[4,5-b]піридин-5-карбонових кислот здійснено оптимізацію структури шляхом введенням амідної групи, що призвело до отримання сполук з широким спектром біологічної активності. Серед похідних амідів тіазоло[4,5-b]піридин-5-карбонових кислот ідентифіковано дві сполуки з високою протипухлинною активністю із середніми значеннями GI₅₀/TGI 1,57/7,31 мкM та 2,01/15,71 мкM, відповідно. Для похідних тіазоло[4,5-b]піридин-2(3Н)-ону проведено поглиблене in vitro вивчення цитотоксичної дії з використанням MTT, лізосомного (NRU) та LDH тестів, а також досліджено загальний вміст білка на клітинах гепатоцелюлярної карциноми HepG2, гліоми щура С6, гліобластоми людини U-373, епідермальної карциноми людини КВ-3-1, гострого промієлоцитарного лейкозу людини HL-60, колоректальної карциноми людини HCT116, нормальних фібробластах Balb/c 3T3, псевдонормальних кератоноцитах людини HaCat та ембріональних клітинах нирки людини HEK293, що дозволило встановити високу протиракову цитотоксичність досліджуваних сполук та низький профіль токсичності щодо псевдонормальних клітин. Пошук антимікробних агентів серед похідних тіазоло[4,5-b]піридин-2(3H)-ону дозволив ідентифікувати 7-(3,4-диметоксифеніл)-5-метил-3H-тіазоло[4,5-b]піридин-2-он, який проявляє високий рівень інгібування росту Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa та Candida albicans (MIC = 0,21-0,83 мкМ). При проведенні скринінгу протимікробної активності виділено 2-оксо-7-стирил-2,3-дигідротіазоло[4,5-b]піридин-5-карбонову кислоту, яка проявила високий рівень синергічної дії з амоксициліном щодо збудників ESβL+ K. pneumonie та метицилін-резистентного S. haemolyticus (MRSH). Докінгові дослідження проведені для 7-(3,4-диметоксифеніл)-5-метил-3H-тіазоло[4,5-b]піридин-2-ону дозволили передбачити вірогідний афінітет даної сполуки до MurD-лігази та ДНК-гірази, як біомішеней, що забезпечують реалізацію протимікробної активності. Серед похідних 5,7-діарил-3H-тіазоло[4,5-b]піридин-2-ону ідентифіковано сполуки з високим рівнем антитрипаносомної активності щодо збудника Trypanosoma brucei brucei, яка співмірна з дією препарату порівняння ніфуртимокс.

Вперше синтезовано низку rel-(4aR,7aR,8R)-6-(4-феніл)-8-фенетил-3,4a,7a,8-тетрагідропіроло[3′,4′:5,6]тіопірано[2,3-d]тіазол-2,5,7(6H)-тріонів та rel-(4aR,7aR,8R)-8-((E)-2,6-диметилгепта-1,5-дієн-1-іл)-3,4a,7a,8-тетрагідропіроло[3’,4’:5,6]тіопірано[2,3-d]тіазол-2,5,7(6H)-тріонів в умовах трикомпонентної реакції 4-тіоксо-2-тіазолідинону, 3-фенілпропаналю/3,7-диметилокта-2,6-дієналю (цитралю) та N-фенілмалеїнімідів як дієнофілів у присутності етилендіамоній діацетату (ЕДДА) як каталізатора. Встановлено, що використання цитралю у даному типі перетворень супроводжується перебігом двох конкурентних реакцій: гетеро-Дільса-Альдера та нуклеофільного приєднання (реакція Міхаеля) з утворенням відповідних похідних тіопіранотіазолу та аддуктів Міхаеля, які були відокремлені за допомогою колонкової хроматографії. Досліджено взаємодію 4-тіоксо-2-тіазолідинону з N-фенілмалеїнімідами в умовах реакції тіа-приєднання за Міхаелем в результаті якої отримано похідні 1-(4-феніл)-3-((2-оксо-2,3-дигідротіазол-4-іл)тіо)піролідин-2,5-діону. Вперше встановлено, що реакція 4-тіоксо-2-тіазолідинону та орто-галогенозаміщених альдегідів призводить до одержання нових похідних 1,4-дитіа-3-азо-циклопента[b]нафтален-2-ону, 1,4-дитіо-3,5-діазо-циклопента[b]антрацен-2-ону та 3-метил-1-феніл-3H-5,8-дитіо-1,2,7-тріазо-s-індацен-6-ону. Виявлено, що метиловий естер (2,4-діоксотіоксотіазолідин-5-іліден)-оцтової кислоти діастереоселективно реагує з N-фенілмалеїнімідами, імідами 5-норборнен-2,3-дикарбонової кислоти і 1,4-нафтохіноном в умовах реакції гетеро-Дільса-Альдера з утворенням нових похідних тіопірано[2,3-d]тіазолу. У даному типі перетворень N-фенілмалеїніміди утворюють продукти з транс-конфігурацією 5-Н, 6-Н і 7-Н протонів, тоді як іміди 5-норборнен-2,3-дикарбонової кислоти утворюють ізомери з цис-конфігурацією хіральних центрів 4а-Н, 5а-Н, 8а-Н, 9а-Н і 10-Н. При використанні диметилцетилендикарбоксилату як дієнофілу відбулося утворення не прогнозованого триметил (7S)-2-оксо-3,7-дигідро-2H-тіопірано[2,3-d]тіазол-5,6,7-трикарбоксилату, а продукту його оксидації – триметил 2-оксо-2H-тіопірано[2,3-d]тіазол-5,6,7-трикарбоксилату. Встановлено, що ефективним підходом до синтезу 5-аміно-7-арил-2-оксо-2Н-тіопірано[2,3-d]тіазоло-6-карбонітрилів є використання реакції приєднання за Міхаелем 5-ариліденізороданінів з малонодинітрилом. Для синтезованих похідних тіопіранотіазолу вперше проведено кислотний та лужний гідроліз, що призвів до утворення не очікуваних тіопірано[2,3-d]тіазоло-6-карбонових кислот та їх амідів, а вихідного 5-ариліденізороданіну.

Проведено синтез 11-заміщених-3,5,10,11-тетрагідро-2H-бензо[6,7]тіохромено[2,3-d][1,3]тіазол-2,5,10-тріонів в умовах реакції гетеро-Дільса-Альдера використовуючи похідні нафтохінону (гідроксинафтален-1,4-діон, 5-гідроксинафтален-1,4-діон (юглон) та 5-метоксинафтален-1,4-діон (О-метилюглон)) як дієнофіли та 5-іліден-4-тіоксо-2-тіазолідонони як гетеродієни. Запропоновано метод синтезу 11-фенетил-3,11-дигідро-2H-бензо[6,7]тіохромено[2,3-d]тіазол-2,5,10-тріонів в умовах трикомпонентної реакції 4-тіоксо-2-тіазолідинону, 3-фенілпропіональдегіду та відповідних похідних 1,4-нафтохінонуяк дієнофілів в середовищі ацетонітрилу у присутності етилендіамоній діацетату (ЕДДА) як каталізатора. Дослідження протипухлинної активності в рамках програми DTP NCI дозволило ідентифікувати похідні тіопіранотіазолу з фрагментом 1,4-нафтохінону у структурі, що володіють високою антимітотичною активністю щодо абсолютної більшості досліджуваних ліній ракових клітин. Поглиблені дослідження in vitro цитотоксичності даного класу похідних дало змогу ідентифікувати високоактивні сполуки щодо раку товстої кишки лінії HCT-116, раку молочної залози MCF-7 та раку шийки матки лінії KB3-1 із значеннями IC₅₀ в межах 0,60-0,95 мкМ та низькою токсичністю щодо епідермальних кератиноцитів людини лінії HaCaT. Результати дослідження двох сполук-хітів методом флуоресцентної мікроскопії після фарбування барвником Hoechst-33342 дозволило встановити значні цитоморфологічні зміни в клітинах раку шийки матки лінії KB3-1 подібно до референс-препарату доксорубіцину. При проведенні докінгових досліджень 11-(фуран-2-іл)-9-гідрокси-3,11-дигідро-2H-бензо[6,7]тіохромено[2,3-d]тіазол-2,5,10-тріону окреслено ймовірні молекулярно-біологічні шляхи реалізації протипухлинної дії, зокрема інгібування β-трансформуючого фактора росту пухлин (TGF-β). Використання методу проточної цитометрії дозволило встановити високу апоптичну здатність сполук-хітів з класу похідних тіопіранотіазолу на основі 1,4-нафтохінону, яка реалізується шляхом активації каспаз 3/7, 8 та 9 та зміною мітохондріального потенціалу у клітинах раку молочної залози лінії MDA-MB-231. Встановлено високу здатність похідних тіопірано[2,3-d]тіазолу на основі 1,4-нафтохінону до взаємодії з ДНК, що підтверджено високим рівнем конкурентного витіснення метилового зеленого з його комплексу з ДНК в межах 42,5-66,4 %, а також здатністю до зміни величини чистої зміни абсорбції (NetAbs) в реакції окиснення KMnO₄ піримідинових основ в областях пошкодження ДНК. Доведено здатність двох сполук-хітів з даного класу до зниження рівня відновленого глутатіону шляхом утворення ковалентних GS-адуктів, що підтверджує їх високі антиоксидантні властивості. Вивчення in vivo гострої токсичності 11-(фуран-2-іл)-9-гідрокси-3,11-дигідро-2H-бензо[6,7]тіохромено[2,3-d]тіазол-2,5,10-тріону показало суттєво нижчий токсичний ефект на мишей лінії C57BL/6 ніж препарат порівняння доксорубіцин.

Скринінг протимікробної активності похідних тіопірано[2,3-d]тіазолу дозволив ідентифікувати похідні 6-бензоїл-2-оксо-7-арил-3,5,6,7-тетрагідро-2Н-тіопірано[2,3-d]тіазол-5-карбонових кислот та 6'-(4-бромофеніл)-4a',7a'-дигідро-5'H-спіро[циклогексан-1,8'-піроло[3',4':5,6]тіопірано[2,3-d]тіазол]-2',5',7'(3'H,6'H)-тріон з найбільшою активністю щодо Staphylococcus aureus MRSA, Staphylococcus epidermidis CCM 7221 та Candidaalbicans. Запропоновано гіпотетичну фармакофорну модель для оцінки прояву протистафілококової активності для сполук-хітів на основі 6-бензоїл-2-оксо-7-арил-3,5,6,7-тетрагідро-2Н-тіопірано[2,3-d]тіазол-5-карбонових кислот використовуючи програмний пакет MOE 2007.09. Скриніг протитрипаносомної активності щодо Trypanosomabruceigambiense дозволив ідентифікувати три «сполуки-хіти» з групи амідів 5-феніл-7-арил(гетерил)-3,7-дигідро-2H-тіопірано[2,3-d]тіазол-6-карбонових кислот з ефектом на рівні  мікро- та субмікромолярних значень інігібуючих концентрацій.

Одержано кон’югати 7-заміщених 2-оксо-3,5,6,7-тетрагідро-2Н-тіопірано[2,3-d]тіазол-6-карбальдегідів із лектинами та людським сироватковим альбуміном, що володіли цитотоксичним ефектом щодо ліній клітин аденокарциноми товстої кишки людини HCT 116, лейкемії миші L1210, Т-лімфобластної лейкемії людини Jurkat та були нетоксичними на нормальні та псевдонормальні клітинні лінії. Вивчення цитотоксичного ефекту ряду хромено[4',3':4,5]тіопірано[2,3-d]тіазолів дозволив ідентифікувати їхню активність щодо лімфобластної лейкемії людини Jurkat та раку молочної залози лінії MCF-7 з низькими показниками токсичності на псевдонормальні клітини кератиноцитів людини лінії HaCaT у порівнянні з референс-препаратом доксорубіцином.

На основі розроблених синтетичних методик отримано поліфункціональні 1(2)-гідразиноантрахінони в умовах реакції азосполучення 1(2)-(морфолінодіазеніл)антрацен-9,10-діону та метиленактивних сполук, включно з похідними тіазолідинону. Скринінг протипухлинної активності поліфункціональних 1-гідразиноантрахінонів дозволив ідентифікувати сполуки хіти із високими показниками пригнічення росту ракових клітин основних онкозахворювань. Вивчення протимікробної активності антрахінонгідразонових кон’югатів дало змогу виділити сполуки-хіти, що володіли високими показниками інгібування росту Candida albicans. Результати вивчення антиоксидантних властивостей даного класу сполук дозволили виокремити 5-[(9,10-діоксо-9,10-дигілроантрацен-1-л)-гідразоно]-2,2-диметил-[1,3]діоксан-4,6-діон з помірним профілем ефекту з величиною інгібування радикалів ДФПГ в межах 62,8%.

У рамках гібрид-фармакофорного підходу синтезовано ряд 5-індоліден роданін-3-пропіонових/етансульфонових кислот та 1-[2-аміно-4-метилтіазол-5-іл]-3-арилпропенонів. Серед останніх виділено сполуки із протираковою активністю. Для даних класів гетероциклічних похідних встановлено  помітну протимікробну активність щодо збудників Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus lentus. Pseudomonas aeruginosa та грибів роду Candida. Для 3-[5-(1H-індол-3-ілметилен)-4-оксо-2-тіоксо-тіазолідин-3-іл]-пропіонової кислоти встановлено значний активуючий вплив на ланки клітинного імунітету та показники фагоцитарної активності. Наступними об’єктами представленого дослідження були похідні тіазолідинону з фрагментом диклофенаку у молекулі та їх  структурні аналоги. Дослідження протитрипаносомної активності наведеної групи сполук в invitro експериментах на кров’яних формах Trypanosomabruceibrucei дозволив ідентифікувати дві сполуки-хіти зі значеннями IC₅₀ 4,80 та 7,06 мкМ, відповідно. Скриніг антиексудативної активності згаданого класу сполук дозволив виділити агенти із величиною пригнічення запальної реакції, яка була співмірною або перевищувала диклофенак натрію та кеторолаку трометамін. Вивчення протипухлинної активності ряду похідних тіазолідинону з фрагментом диклофенаку у структурі привело до 2-[2-(2,6-дихлорофеніламіно)-феніл]-N-{5-[5-(4-метоксифеніл)-3-нафтален-2-іл-4,5-дигідропіразол-1-ілметилен]-4-оксо-2-тіоксотіазолідин-3-іл}-ацетаміду із суттєвою антимітотичною активністю при середніх значеннях показників GI₅₀/TGI 0,71/1,09 та 82,95/28,46 мкМ. За допомогою комплексних in silico досліджень фізико-хімічних властивостей, параметрів ADME, фармакокінетики і лікоподібності було виявлено значний потенціал для подальших досліджень серед піразол-тіазолідинонових гібридних молекул.

Результати вивчення протисудомної активності дарбуфелону, його структурних аналогів та деяких похідних на основі 4-тіазолідинону дозволила встановити високий антиконвульсантний ефект даних сполук на пентилентетразоловій (PTZ) моделі судом. Встановлено, що сполука-хіт 5-[(Z)-(4-нітробензиліден)]-2-(тіазол-2-іліміно)-4-тіазолідинон має здатність впливати на циклооксигеназний шлях каскаду арахідонової кислоти, а також проявляє виражену нейропротекторну активність. На основі результатів молекулярного докінгу було спрогнозовано, що досліджувана сполука має високий ступінь зв'язку з кількома біомішенями, пов'язаними з процесами запалення, зокрема з ЦОГ-1/ЦОГ-2, 5-LOX та FLAP. Для даної сполуки також було проведено дослідження психотропних властивостей та встановлено відсутність впливу на локомоторну, орієнтовно-дослідницьку, емоційну активність та її вегетативний супровід, тривожність, депресивну поведінку, формування пам’ятного сліду. Вивчення фригопротекторного ефекту дарбуфелону та його структурних аналогів на моделі гострого загального охолодження вказує на високу активність досліджуваних сполук, яка перевищує ефективність стандартних лікарських засобів, таких як неселективні та селективні інгібітори ЦОГ.

Структуру та чистоту синтезованих сполук підтверджено методами елементного аналізу, ¹Н, ¹³С ЯМР спектроскопії, рентгеноструктурного аналізу та мас-спектрометрії, тонко-шарової хроматографії. 

Ключові слова: похідні 4-тіазолідинону, похідні 1,4-нафтохінону, похідні антрахінону, гібрид-фармакофорний підхід, біологічна активність, цитотоксичність, спектроскопія ЯМР, рентгеноструктурний аналіз.

https://drive.google.com/file/d/1iWdPXikNeVjobNZKJfrjemofSx3-9zaZ/view?usp=sharing