diarilamidini: dizajn, interakcija s dna prispjelo 8...

Diarilamidini: dizajn, interakcija s DNAi biološka aktivnost

I. Stoliæ* i M. BajiæZavod za kemiju i biokemiju, Veterinarski fakultet,Sveuèilište u Zagrebu, Heinzelova 55, 10 000 Zagreb, Hrvatska

Diarilamidini èine skupinu biološki aktivnih spojeva koji se više od pola stoljeæa upotrebljavaju zatretman parazitskih bolesti. Iako mehanizam njihovog biološkog djelovanja još nije potpunorazjašnjen, utvrðeno je kako je biološka aktivnost posljedica vezanja u mali utor DNA. Zbog togasu spojevi iz ove klase, prvotno razvijani radi pronalaska lijekova protiv parazitskih bolesti, s vre-menom prepoznati kao lijekovi potencijalno široke primjene (protiv npr. HIV-oportunistièkih in-fekcija ili tumora) koja se temelji na interakciji s DNA – primarnim genskim materijalom. Pojavarezistencije i nekih neÞeljenih prateæih posljedica potakla je istraÞivanja i razvoj novih uèinkoviti-jih lijekova kao i odreðivanje mehanizma njihovog djelovanja na molekulskom nivou. U ovomradu dan je pregled istraÞivanja utjecaja strukture pojedinih diarilamidina na afinitet i selektivnostpri vezanju u mali utor DNA i na njihovu biološku aktivnost.

Kljuène rijeèi: Diarilamidini, mali utor B-DNA, biološko djelovanje

Uvod

Tijekom èitave ljudske povijesti parazitske bolesti uzroko-vane razlièitim, u pravilu smrtonosnim mikroorganizmima,odnijele su velik broj ljudskih Þivota. Malarija, afrièka tripa-nosomijaza (HAT ili bolest spavanja), koju uzrokuju Trypa-nosoma brucei gambiense i Trypanosoma brucei rhodesien-se, Changesova bolest, koju uzrokuje Trypanosoma cruzi ilišmanioza, najraširenije su parazitne bolesti. Navedene bo-lesti primarno su raširene u tropskim i suptropskim po-druèjima. Pretpostavlja se da je 300 – 500 tisuæa ljudizaraÞeno HAT-om, 16 – 18 milijuna ljudi boluje od Chan-gesove bolesti, dok je lišmanioza raširena u stotinjak drÞava,s oko 350 milijuna potencijalnih Þrtava i oko 2 milijuna no-vooboljelih svake godine. Meðu navedenim bolestima ma-larija je najraširenija. Procjenjuje se da danas od malarijeboluje više od 300 milijuna ljudi, a umre ih najmanje mili-jun godišnje.1

Siromaštvo, nedostatak hrane, ratovi, klimatske promjene,migracija i porast stanovništva u zaraÞenim podruèjimaglavni su uzroci poveæanja broja novooboljelih kao i dalj-njeg širenja navedenih bolesti. Poèetkom dvadesetog sto-ljeæa zabiljeÞen je najveæi broj smrtnih sluèajeva uzrokova-nih epidemijom HAT-a. I danas ta bolest, koja je bezodgovarajuæeg tretmana u pravilu smrtonosna, ima statusepidemije u oko dvadesetak subsaharskih drÞava afrièkogkontinenta. Uz to, svake se godine i u nerazvijenim i urazvijenim zemljama poveæava broj oboljelih od lišmanio-ze, bolesti koju izazivaju paraziti iz roda Leishmania.

Napredak u antiprotozoalnoj kemoterapiji sredinom pro-šlog stoljeæa ogranièio je daljnje širenje bolesti uzrokovanihparazitima. Meðutim danas se javila potreba za razvijanjemnovih lijekova jer oni koji se veæ desetljeæima upotreblja-vaju u lijeèenju, osim što izazivaju brojne sporedne reakcije

u ljudskom organizmu, postali su nedjelotvorni zbog togašto su paraziti tijekom godina razvili otpornost na njih. Po-java rezistencije na postojeæe lijekove danas èini glavnuprepreku u kontroli i suzbijanju navedenih bolesti.

Diarilamidini

Diarilamidini, molekule koje se nekovalentnim vezama ve-Þu u mali utor DNA, jedna su od najispitivanijih klasa spoje-va koju karakterizira visoka selektivnost i širok spektar bio-loških aktivnosti, od antimikrobnih, antiviralnih, antibakte-rijskih do antitumorskih.2 Molekule iz ove klase spojeva odiznimnog su terapijskog interesa, posebno u lijeèenju para-zitskih bolesti.

Klasièni spojevi koji pripadaju klasi diarilamidina su nekon-denzirani aromatski dikationi kao što su pentamidin (1) iberenil (2), za koje se zna da se veÞu u mali utor DNA bogatAT-parovima baza, koji imaju dugu povijest antimikrobnogdjelovanja (slika 1).3,4 Pentamidin (1) se upotrebljava u lije-èenju bolesti uzrokovanih protozoama kao što su lišmanio-za i tripanosomijaza još od 30-ih godina prošlog stoljeæa.3

Danas je takoðer u klinièkoj uporabi u lijeèenju upalepluæa, uzrokovane oportunistièkim patogenom Pneumocys-tic jiroveci (poznatiji pod ranije upotrebljavanim imenomPneumocystic carinii), koja je najsmrtonosnija bolest za lju-de zaraÞene HIV-om. Iako je u klinièkoj uporabi, pentami-din ima nedostataka – izaziva neÞeljene sporedne reakcijeu organizmu i nije oralno primjenjiv. Poèetkom 1970-ihpripravljen je velik broj diarilamidinskih derivata radi dobi-vanja uèinkovitijih lijekova. Od brojnih prireðenih spojevajedino se furamidin (3) pokazao potencijalnim antipara-zitskim lijekom, posebno u lijeèenju bolesti uzrokovanihmikroorganizmima Giardia lamblia, Plasmodium falcifarumi Trypanosoma rhodesiense.4 Furamidin (3), koji ima širokspektar biološke aktivnosti odlièan je primjer diarilamidina

I. STOLIÆ i M. BAJIÆ: Diarilamidini: dizajn, interakcija s DNA i biološka aktivnost, Kem. Ind. 60 (5) 277–288 (2011) 277

KUI – 12/2011Prispjelo 8. srpnja 2010.

Prihvaæeno 18. studenog 2010.

* Autor za dopisivanje: dr. sc. Ivana Stoliæ, e-pošta: [email protected]

razvijenog radi pronalaska odgovarajuæeg terapeutika.2,5 Uterapijskom smislu furamidin (3) danas predstavlja vodeæumolekulu vaÞne klase antiparazitskih lijekova.

Mehanizmi biološkog djelovanja diarilamidina

Deoksiribonukleinska kiselina (DNA) je molekula od istak-nutog biološkog interesa. Ukupna kolièina DNA unutar or-ganizma zove se genom. Svaki organizam posjeduje svojspecifièni genski materijal koji ga definira kao pripadnikaneke vrste kao i pojedinca u istoj.5,6 Genom je jedinstven zasvaki pojedini organizam i predstavlja banku podataka kojaupravlja svim procesima unutar organizma. U organizmu seDNA javlja u više konformacija, od kojih je unutar genomanajzastupljenija B-DNA.2,7

Transkripcija i replikacija dva su procesa od vitalnog zna-èenja za normalno funkcioniranje èitavog organizma. DNAzapoèinje prepisivanje samo kada dobije signal koji preno-se regulacijski proteini. Proteini su u pravilu velike molekulespecifiène za svaki pojedini gen i veÞu se u odreðenesekvencije unutar gena. Oponašanjem njihovog djelovanjaupotrebom malih molekula moglo bi se umjetno manipuli-rati funkcijom DNA tako da se aktivira ili inhibira aktivnostpojedinih gena. Postiæi selektivnost i afinitet proteina malimmolekulama koje se nekovalentno veÞu u DNA ostaje glav-ni izazov u dizajnu lijekova.

Diarilamidinski derivati, koji su osmišljeni i sintetizirani kaopotencijalni lijekovi za tripanosomijazu, pokazali su se ak-tivnima protiv razlièitih patogenih agensa, kao i potencijalniprotutumorski lijekovi. Na molekulskom nivou, mehanizamnjihovog djelovanja temelji se na vezivanju u mali utorDNA bogat AT-parovima baza zbog èega dolazi do inhibici-je vezivanja enzima DNA-topoizomeraze I i/ili II, ili do inhi-bicije transkripcije, èime je sprijeèeno normalno funkcioni-ranje DNA patogena ili tumorskih stanica.7,8

Kako su danas poznati genomi triju najraširenijh parazita,Trypanosoma brucei, Trypanosoma cruzi i Leishmania ma-jor, kao što su poznate i sekvencije razlièitih onkogena u tu-mora, omoguæen je novi pristup u dizajnu i sintezi potenci-jalnih lijekova. Nadalje, sekvencioniranjem genoma kineto-plastne DNA tripanosoma i lišmanioza, kao i genomskeDNA malarije naðeno je da navedeni genomi imaju iznim-

no velik udjel parova baza AT, što kao posljedicu ima visokafinitet molekula iz klase diarilamidina prema navedenimgenomima i, što je vrlo vaÞno, selektivnost u odnosu naDNA sisavaca.

Pretpostavlja se da diarilamidini ulaze u stanice parazita di-fuzijom, ali postoji i nekolicina potencijalnih transportera.Carter i Fairlamb prvi su opisali neobièan purinski transpor-ter iz T. brucei nazvan P2 (slika 2).2,9 Danas je P2 adeno-zin/aminopurinski-transporter indentificiran kao primarnidiamidinski transporter. Ispitivanja provedena na transpor-teru P2 pokazala su da on ima visok afinitet za veliki broj ke-mijski razlièitih spojeva, od kojih su mu primarni supstratiadenin i adenozin. Za razliku od odgovarajuæih transporte-ra u sisavaca, P2 se pokazao kao dobar transporter za spoje-ve kao što su melamin i benzamidin, kao i niz strukturnosliènih spojeva. Provedena biološka ispitivanja prepozna-vanja diarilamidina od strane transportera P2 opæenito suukazala na strukturne zahtjeve koji se moraju ispuniti tije-kom dizajna potencijalnih antiparazitnih lijekova. Prireðenispojevi moraju posjedovati amidinsku skupinu, aromatskiprsten i elektronegativan heteroatom – skupine oznaèeneiscrtkanom linijom na pentamidinu (1) na slici 1. Tijekombioloških ispitivanja pentamidina kao supstrata za transpor-ter P2, naðena su još dva transportera – HAPT1 (pentami-dinski transporter visokog afiniteta) i LAPT1 (pentamidinskitransporter niskog afiniteta) – meðutim njihova fiziološkafunkcija nije poznata. Nakon što uðu u stanicu diarilamidiniodlaze prema kinetoplastu u sastavu parazita iz porodicetripanosoma i Leishmania. Vezivanjem u DNA smještenomu njemu (kDNA) kinetoplasti postupno nestaju, zbog èegaparazit ugiba.

Osim antiparazitskih svojstava spojevi iz ove klase pokazujui znaèajnu protutumorsku aktivnost.10 Mehanizam premakojem diarilamidini ulaze u tumorske stanice slabo je po-znat. Kako normalne tako i tumorske stanice imaju visoko-afinitetni transportni sustav kojim kontroliraju ulazak poli-amina i gvanidina. Pretpostavlja se da se diarilamidini koristenavedenim membranskim transportnim sustavom za prela-zak plazma membrane. Nadalje je utvrðeno da ciljno mjestodjelovanja diarilamidina u tumorskim stanicama ovisi o ke-mijskoj strukturi primijenjenih spojeva, tako dok se spoj 4ponajprije veÞe u staniènu DNA, njegov strukturni izomer,spoj 5 primarno se veÞe u mitohondrijsku DNA (slika 3).10a

278 I. STOLIÆ i M. BAJIÆ: Diarilamidini: dizajn, interakcija s DNA i biološka aktivnost, Kem. Ind. 60 (5) 277–288 (2011)

S l i k a 1 – Kemijske strukture diarilamidinaF i g. 1 – Chemical structures of diarylamidines

Naèini vezivanja u DNA

Molekule se u DNA opæenito veÞu kovalentnim i neko-valentnim vezama (tablica 1).11 Kovalentno vezivanje uDNA je ireverzibilno i vodi do potpune inhibicije biološkefunkcije DNA, što u konaènici rezultira smræu stanice. Ne-kovalentno vezivanje je reverzibilno i ako se uzme u obzirneselektivnost velikog broja sintetiziranih molekula uklju-èujuæi i one koje su u farmakološkoj upotrebi, preferirano jepred kovalentnim jer se smanjuje broj sporednih reakcijaunutar organizma.

Molekule koje se nekovalentno veÞu u DNA opæenito seveÞu na tri naèina: elektrostatskim interakcijama, interkali-ranjem izmeðu parova baza i vezivanjem u mali ili velikiutor DNA.

Elektrostatske interakcije

Elektrostatske interakcije, koje su u pravilu slabe i neselek-tivne, javljaju se izmeðu pozitivno nabijenih atoma ili mo-lekula s pozitivnim nabojem, koje se nalaze s vanjske stranedvostruke uzvojnice, i negativno nabijenih fosfata. Naj-èešæe nemaju utjecaja na funkciju DNA. Molekule od zna-èajnog biološkog interesa u pravilu se veÞu interkaliranjemili vezivanjem u mali utor DNA.

Interkaliranje

Do danas su poznati brojni primjeri antibiotika i antitu-morskih lijekova, kao što su daunomicin, aktinomicin D iehinomicin, èija se biološka aktivnost temelji na interka-liranju u B-DNA. Interkaliranje malih molekula u nuklein-ske kiseline kao mehanizma njihovog biološkog djelovanjaprvi je predloÞio Lerman još 1961. godine.12 Interkaliranjeukljuèuje ulazak planarnog kondenziranog dijela molekuleizmeðu parova baza zbog èega dolazi do formiranja van derWaalsovih i hidrofobnih interakcija koje stabiliziraju novo-nastali kompleks. Ovakav tip vezivanja u pravilu produljujeuzvojnicu DNA zbog odvajanja parova baza i djelomiènogodvijanja uzvojnice na mjestu interkaliranja.13 Posljedicaovakvog naèina vezivanja su strukturne perturbacije unutarnativne DNA, èime se sprjeèava replikacija DNA i inhibirasinteza proteina. Više informacija o vezivanju malih mo-lekula interkaliranjem moÞe se naæi u dva pregledna radaranije objavljena u èasopisu Kemija u industriji.14

Vezivanje u utore

Veæina molekula koje se nekovalentno veÞu u DNA veÞe seu mali utor. Utori su kljuèan element u sintezi potencijalnihlijekova jer se nukleinske baze smještene u unutrašnjostidvostruke uzvojnice èitaju izvana, toènije pristup bazamaodvija se kroz utore.15

Grupa spojeva èije se djelovanje temelji na vezivanju u maliutor B-DNA ukljuèuje prirodne spojeve kao što su antibiotiknetropsin i antiviralni lijek distamicin, kao i velik broj sin-tetskih molekula od kojih su najpoznatiji predstavnici pen-tamidin (1) i berenil (2), spojevi iz klase diarilamidina.Brojni do danas prireðeni spojevi iz ove klase koji se preferi-rano veÞu unutar malog utora graðenog od AT-parova bazapozitivno su nabijene molekule, konkavnog oblika, u koji-ma slobodna rotacija oko jednostrukih veza osigurava mo-guænost formiranja najpovoljnije konformacije tijekom ve-zivanja u B-DNA. Iscrpna biofizikalna ispitivanja ove klasespojeva pokazala su da se molekule veÞu u dvostrukuuzvojnicu B-DNA, ne veÞu se u RNA, vezivanje se preferira-no odvija u podruèjima bogatim AT-parovima baza, i tije-kom vezivanja nema velikih perturbacija u B-DNA.1b,2,16


S l i k a 2 – Shematski prikaz protuparazitske aktivnosti spojeva iz klase diarilamidinaF i g. 2 – Schematic representation of antiparasitic activity of diarylamidines

S l i k a 3 – Kemijske strukture amidina 4 i 5

F i g. 3 – Chemical structures of amidines 4 and 5

T a b l i c a 1 – Naèin vezivanja i djelovanja nekih lijekova èija jebiološka aktivnost posljedica vezivanja u B-DNA11

T a b l e 1 – Mode of binding and biological activity of somedrugs whose biological activity is based on theirbinding in B-DNA11

LijekDrug

DjelovanjeBiological activity

Naèin vezivanjaMode of binding

Hoechst 33258Hoechst 33258

antitumorskoantitumor

vezivanje u mali utorbinding in the minorgroove

pentamidin

pentamidine

aktivan premaP. cariniiactive againstP. carinii

vezivanje u mali utor

binding in theminor groove

diminazen

diminazen

aktivan prematripanosomiactive againsttripanosome



netropsin

netropsin

antitumorsko,antiviralnoantitumor, antiviral



distamicin

distamycin




SN7167

SN7167




SN6999

SN6999

aktivan premaP. falciparumactive againstP. falciparum



menogarilmenogaril

antitumorskoantitumor

interkalacijaintercalation

cisplatinacisplatinum

antikarcinogenoanticancer

kovalentno vezivanjecovalent binding

Dizajn spojeva iz klase diarilamidina

Iako je DNA dobro definirana makromolekula, ona pred-stavlja iznimno kompleksnu molekulu u dizajnu lijekova.Veæ glavne karakteristike DNA, smještaj unutar staniènejezgre i poloÞaj baza unutar utora, istièu velik problem usintezi selektivnih molekula.

Mali utor dvostruke uzvojnice DNA ciljno je mjesto u di-zajnu i sintezi potencijalnih lijekova iz diarilamidinske klasespojeva. Dimenzije utora kao i njegova fizikalno-kemijskasvojstava definirana su vrstom, rasporedom i orijentacijomparova baza koje ga izgraðuju (slika 4).1,17

Strukturne karakteristike utora vaÞne za dizajn selektivnihmolekula su:(i) geometrija utora;(ii) distribucija elektrostatskog potencijala;(iii) distribucija molekule vode unutar utora;(iv) mjesta na krajevima baza koja su u stanju formirati

vodikove veze.

Selektivno vezivanje unutar odabrane sekvencije u DNAmoÞe se postiæi odabirom odgovarajuæih funkcijskih sku-pina na naèin da funkcijske skupine koje mogu formirati vo-dikove veze budu unutar molekule rasporeðene na mjesti-ma komplementarnim s onima u odabranom slijedu baza.Funkcijske skupine baza tvore motiv akceptora i donoravodikovih veza i time daju razlièite moguænosti formiranjavodikovih veza i hidrofobnih kontakata. Navedena mjestasu potencijalna vezna mjesta u dizajnu lijekova. Èitanje in-formacija odvija se vodikovim vezama izmeðu funkcijskihskupina molekule i donora ili akceptora vodikove vezeunutar utora te kroz van der Wallsove kontakte i elektro-statske interakcije (slika 5).

S l i k a 5 – Motiv donorskih (d) i akceptorskih skupina (a) unutarmalog i velikog utora B-DNA

F i g. 5 – The motif of the donor (d) and acceptor groups (a) inthe minor and major groove of B-DNA

Na osnovu prethodnih spoznaja da su krajevi parova bazaprenosioci informacija u sekvencijama B-DNA, moÞe sepretpostaviti da se formiranjem veæeg broja vodikovih vezaizmeðu malih molekula i parova baza koje izgraðuju ciljnomjesto postiÞe veæe razlikovanje izmeðu sekvencija u B-DNA.Meðutim brojna kristalografska ispitivanja kompleksa mo-lekula s B-DNA pokazala su da je prepoznavanje sekvencijaznatno kompleksnije i ukljuèuje èitav niz faktora te da jemotiv vodikovih veza samo jedan od njih. Indirektne vo-dikove veze izmeðu malih molekula i B-DNA putem mo-lekula vode unutar utora, nevezne van der Waalsove inter-akcije, hidrofobne interakcije i niz drugih, sve su to èimbe-nici koji utjeèu na selektivnost i afinitet vezivanja.15

Iako se veæina do danas prireðenih spojeva iz klase diarila-midina preferirano veÞe unutar malog utora DNA bogatogAT-parovima baza, do danas su prireðeni spojevi koji seselektivno veÞu u sekvencije bogate GC-parovima baza imiješane ATGC-sekvencije.


S l i k a 4 – Prikaz malog i velikog utora u B-DNA

F i g. 4 – Minor and major groove in B-DNA

Struktura molekula

Buduæi da je vezivanje molekula u DNA kompleksan pro-ces koji ovisi o brojnim strukturnim i elektronskim parame-trima, veæ i mala promjena u funkcijskim skupinama, distri-buciji naboja, rigidnosti spoja i/ili prostornom rasporeduatoma, ima velik utjecaj na afinitet prireðenih molekulaprema ciljnom mjestu. Selektivnost kao i afinitet premaodabranoj sekvenciji postiÞe se pravilnim odabirom funk-cijskih skupina, èime se postiÞe optimalna geometrija mo-lekula, što je uvjet za formiranje izravnih vodikovih veza sciljnim mjestom.5,12,13

Molekule koje se veÞu unutar malog utora DNA moraju ispu-niti odreðene strukturne zahtjeve: zakrivljenost koja pratiutor, broj i priroda kationskih skupina, broj i raspored donorai akceptora vodikove veze.18 Zbog toga su u pravilu graðeneod (hetero)aromatskih graðevnih jedinica povezanih razlièi-tim premosnicama s terminalnim pozitivno nabijenim skupi-nama. Pripravljene molekule posjeduju i hidrofobne aro-matske dijelove s kojima formiraju aromatske �–�-inter-akcije s nukleinskim bazama i stijenkama utora. Unutarmolekula u pravilu su rasporeðeni donori i akceptori vodiko-vih veza ovisno o rasporedu istih unutar ciljnog mjesta.Jednako tako broj strukturnih jedinica, toènije duljina mo-lekule, utjeèe na afinitet, selektivnost i naèin vezivanja uDNA, a time i na biološki uèinak. Pozitivan naboj smještenna terminalnom dijelu molekula odgovoran je za elektro-statsko privlaèenje ispitivanih spojeva i fosfatnog dijela poli-nukleotida. Amidinska skupina i njezini derivati najèešæe suupotrebljavane terminalne graðevne jedinice koje osigura-vaju pozitivan naboj molekule, i odlièan su kromofor kojiomoguæava nastajanje vodikovih veza s bazama u DNA.

Molekule iz klase diarilamidina veÞu se u DNA na dva naèi-na, interkaliranjem i vezivanjem u mali utor. Naèin veziva-nja, kao i afinitet prema ciljnom mjestu odreðeni su kemij-skom strukturom pripravljenih spojeva. Provedena biofizi-kalna ispitivanja serije diamidina 3, 6–10 (slika 6) pokazalasu da na afinitet i selektivnost molekula moÞemo utjecatipravilnim izborom premosnice, prirodom i brojem kation-skih skupina, duljinom molekule, toènije geometrijom i ke-mijskom strukturom molekula.16

Geometrija molekula

Dugo se smatralo da je geometrija molekule jedan od glav-nih kriterija u razvoju uèinkovitih lijekova iz klase diarilami-dina. Komplementarnost oblika molekule i malog utora uDNA od strane je brojnih autora pretpostavljena kao klju-èan èimbenik za jake interakcije izmeðu molekula i DNA.Na temelju kristalne strukture netropsina, Cory i suradnicisu formulirali glavni princip prema kojemu se afinitet mo-lekule povezuje s komplementarnošæu geometrije moleku-la i ciljnoga mjesta.17 VaÞnost komplementarnosti geometri-je molekule i ciljnog mjesta ispitivana je na nizu strukturnihizomera furamidina (3) koji se meðusobno razlikuju premapoloÞaju amidinskih skupina (slika 7).15,19 Provedena ispiti-vanja radijusa zakrivljenosti prireðenih spojeva pokazala suda geometrija molekula, kao funkcija poloÞaja amidinskihskupina, utjeèe na jaèinu vezivanja, a time i na biološki od-govor. U navedenim serijama samo su spojevi s para,para-amidinskim skupinama pokazali velik afinitet za vezivanje uciljno mjesto. Para,meta- (11) i meta,meta-derivati (12),kako nemaju gemetriju kompatibilnu ciljnom mjestu, nisu u

moguænosti formirati veæi broj broj van der Wallsovih kon-takata s ciljnim mjestom, što u konaènici rezultira slabimvezivanjem i lošijim biološkim odgovorom.

Danas se, na temelju kristalografskih ispitivanja, zna dakomplementarnost oblika nije strukturni zahtjev koji senuÞno mora ispuniti da bi se molekula vezala u odabranusekvenciju. Molekule koje nemaju geometriju kompatibil-nu ciljnom mjestu mogu se vezati tako da jedna terminalnaamidinska skupina formira izravne veze s bazom na dnuutora, a druga terminalna amidinska skupina veÞe se na od-govarajuæu bazu “mostom” od jedne ili više molekula vo-de.1e Na taj se naèin nadopunjuje zakrivljenost molekule,što u konaènici rezultira formiranjem stabilnog kompleksa.


S l i k a 6 – Kemijske strukture diaminske i diamidinskih molekulai naèin njihovog vezivanja unutar maloga utora B-DNA graðenog odAT-parova bazaF i g. 6 – Chemical structures of diamine and diamidine mole-cules and their binding within the AT pair bases in the minor grooveof B-DNA

Utjecaj molekula vode, kao bitnog faktora, na vezivanja ka-tionskih diamidinskih molekula primijeæen je kod linearnihmolekula 7 i 8, èija geometrija ne prati zakrivljenost malogautora DNA (slika 6). Provedena biofizikalna ispitivanja po-kazala su ne samo da se molekula iznimno jako veÞe unutarutora DNA graðenog od AT-parova baza nego je to veziva-nje jaèe i od furamidina (3). Kristalografskim ispitivanjimaotkriveno je da pri njihovom vezivanju u AATT-sekvencijesudjeluju i molekule vode koje nadopunjuju zakrivljenostmolekule.1e,21

Dizajn i sinteza malih molekula koje bi se selektivno vezi-vale u male utore graðene od GC-parova baza, ukljuèili suispitivanje brojnih heterociklièkih dikationskih molekulakoje nemaju klasiènu zakrivljenu strukturu karakteristiènuza molekule koje se veÞu u podruèja bogata AT-parovimabaza. Od ispitivanih spojeva samo se pirimidinski hetero-ciklièki derivat 13 veÞe u sekvencije bogate GC-parovimabaza, GCTCG. Vezivanje se odvija unutar maloga utoratako da molekula formira kooperativni dimer (slika 8). Mo-lekula 13 prvi je nepoliamidni, sintetski spoj koji specifiènoprepoznaje sekvencije u DNA bogate GC-parovima baza, ikao takva iskazuje predloÞak u razvoju novih molekula kojebi se selektivno vezivale u sekvencije bogate GC-parovimabaza unutar malog utora DNA, koje su uz to u stanju proæistaniènu membranu, te pokazuju odgovarajuæi terapijskiuèinak.20,22

Utjecaj premosnice

Na temelju brojnih ispitivanja niza sintetiziranih molekulaprimijeæeno je da izbor premosnice jako utjeèe na njihovubiološku aktivnost. Strukturna modifikacija na pentamidi-nu, kojom je dobivena konformacijski zakoèenija struktura,cis-butamidin 14 (slika 9), rezultirala je sintezom molekulekoja imaju veæu biološku aktivnosti protiv patogena P. cari-nii u odnosu na pentamidin (1). Ispitivanja uèinka penta-midina (1) in vivo pokazala su da neki njegovi metaboliti

uzrokuju sporedne reakcije štetne po organizam domaæi-na.2,23

Posljedica toksiènosti dizajn je i sinteza strukturnih derivatakod kojih je aciklièka premosnica u pentamidinu (1) zami-jenjena heteroaromatskom jezgrom. Ugradnjom furanskogprstena kao premosnice izmeðu dva fenilamidina prireðenje furamidin (3), koji se pokazao iznimno uèinkovit u ispi-tivanjima in vivo protiv brojnih infektivnih parazita. Za-mjenom furanskog prstena (3, 19) tiofenskim (20a, b) nemijenjaju se selektivnost i afinitet prireðenih spojeva premasekvencijama bogatim AT-parovima baza u malom utoruDNA, ali su biološka ispitivanja pokazala da su tiofenski de-rivati aktivniji od furanskih analoga (tablica 2).

Zamjenom 2,5-dioksopentilne premosnice pentamidinapiperizinskom ili homopiperizinskom prireðeni su spojevi16–18, koji su se pokazali uèinkovitiji od pentamidina uispitivanjima in vitro na P. carinii (slika 9, tablica 3).24

Promjena temperature “mekšanja” polinukleotida (�m/°C)pokazuje kako se èvrsto ispitivane molekule veÞu u oda-brani polinukleotid. Što je veæa vrijednost �m to je jaèe ve-zivanje malih molekula u DNA.


S l i k a 7 – a) Kemijske strukture difenilfuranskih derivata korištenih u biokemijskim i biofizikalnim ispitivanjima,b) shematski prikaz radijusa zakrivljenosti para, para- i meta, meta-derivata

F i g. 7 – a) Chemical structures of diphenylfuran derivatives used in biochemical and biophysical investigations,b) schematic representation of the radius of curvature for para, para- and meta, meta-derivatives

S l i k a 8 – Model dimera dobiven iz dvije molekule spoja 13

F i g. 8 – Dimer of compound 13

Proširivanjem tiofenskog dijela uvoðenjem 1,4-dioksan-skog prstena pripravljeni su spojevi iz 3,4-etilendioksitio-fenske serije koji su pokazali znatnu protutumorsku aktiv-nost (slika 10).25

Od ispitanih spojeva najbolje biološko djelovanje pokazaoje spoj 21 (GI50 od 1,5 � 10–6 do 9,0 � 10–6 mol dm–3), premaodabranim stanicama raka.

Utjecaj duljine molekule

Ispitivanja na klasi fenil-benzimidazolnih derivata furanapokazala su da afinitet prema ciljnom mjestu definiraju nesamo geometrija i fizikalno-kemijske karakteristike spojaveæ i duljina molekule (tablica 4).16,26


S l i k a 9 – Kemijske strukture diarilamidina 14–18

F i g. 9 – Chemical structures of diarylamidines 14–18

T a b l i c a 2 – Struktura i in vitro-aktivnost difenilfurana i tiofenaT a b l e 2 – Structure and in vitro activity of diphenylfurane

and thiophene derivatives

SpojCompound X R1

L. donovania

L. donovania

(IC50 /�mol L–1)

Stanièna linijaJ774.G8

J774.G8cell line

(IC50 /�mol L–1)

PentamidinPentamidine

(1)O(CH2)5O

amidinamidine

2,59 ± 0,54 100

3furanfuran

amidinamidine

2,76 ± 0,60 26,84 ± 2,44

19furanfuran

izopropil-amidin

isopropyl-amidine

60,57 ± 17,01 –

18tiofen

thiopheneamidinamidine

0,42 ± 0,08 65,3 ± 4,6

20tiofen

thiophene

izopropil-amidin

isopropyl-amidine

7,74 ± 0,25 21,26 ± 2,58

a Prosjeèna vrijednost ± standardna devijacija od minimalno dva neovisnamjerenja. (–) nije testirano. Staniène linije J774.G8 su inficirane Leishami-nijom mexicanom za koju je standardni lijek amfotericin B koji ima aktiv-nost od IC50 = 46 ± 6 nmol L–1, dok se pentamidin pokazao neaktivnim.a Average value ± standard deviation of at least two independent measu-rements. (–) Not been tested. J774.G8 cell lines were infected with Leisha-minia mexicana. Standard drug for Leishaminia mexicana is amphotericinB, which possesses the activity of IC50 = 46 ± 6 nmol L–1, while pentami-dine is inactive.

T a b l i c a 3 – Biološka aktivnost protiv P. carinii pneumonije(PCP) i vrijednosti ��m za vezivanje u poli(dA)·poli(dT) sintetiziranihspojeva 14, 16–1824

T a b l e 3 – Biological activity of compounds 14, 16–18against P. carinii pneumonia (PCP) and ��m values for binding inpoly(dA)·poly(dT)24

SpojCompd.

�m / °Ca PCP

14 – 1,1±0,84b

16 18,8 2,12±0,88c

17 23,8 2,6b

18 23,1 2b

a poli(dA)·poli(dT), b broj cisti na pluæima / 106 g–1, c (IC50 / �mol L–1).a poly(dA)·poly(dT), b No. of lung cysts / 106 g–1, c (IC50 / �mol L–1).

S l i k a 10 – 2,5-Bis[4-(2-imidazolin-2-il)fenil]-3,4--etilendioksitiofen (21)

F i g. 10 – 2,5-Bis[4-(2-imidazolin-2-yl)phenyl]-3,4--ethylenedioxythiophene (21)

X R1R1

Kao vodeæi spoj ponovno je upotrijebljena molekula fur-amidin (3) kod koje su na furansku jezgru vezana dva fenil-amidina. Zamjenom prvo jednog a zatim oba benzenskaprstena s benzimidazolskim sustavom prireðeni su spojevi22 i 27. Spoj 28 prireðen je uvoðenjem bis(fenilbenzimi-dazola) kao poveznice izmeðu furanske jezgre i amidinskihskupina (slika 11). Svrha provedenih ispitivanja bila je odre-diti odnos duljine molekula i broja parova baza na koje seone veÞu, a time i selektivnost i afinitet ispitivanih molekulaprema DNA.

U tablici 4 navedene su vrijednosti ��m za ispitivane spoje-ve s oligomerima koji imaju vezno mjesto graðeno od 4, 6 i8 AT-parova baza.26a

Iz navedene tablice jasno se moÞe vidjeti da poveæanjeduljine molekule vodi do prepoznavanja veæeg broja paro-va baza, a time i duljih sekvencija unutar malih utora uB-DNA. Meðutim provedena biološka ispitivanja prireðe-nih spojeva na P. carinii pneumoniji (tablica 5) pokazala suda su prireðeni spojevi toksièniji i manje aktivni u odnosuna furamidin (3). Dobiveni podatci ukazuju da postoji opti-

malan intenzitet interakcije izmeðu reverzibilno vezanihspojeva i ciljnog mjesta u DNA. Preèvrsto vezane molekuleu pravilu su neselektivne i toksiène za organizam domaæina.

T a b l i c a 5 – In vivo aktivnost protiv parazita P. cariniipneumonia26a

T a b l e 5 – In vivo activity against P. carinii pneumonia26a

SpojCompound

DozaDose

�mol kg–1 a

Preostale ciste napluæima u odnosuna kontrolu / % a

Remaining lung cystscompared with

control group / % a

3 13,3 2,122 5,0 51,027 10,0 1,828 7,1 180

a Rezultati èetiriju mjerenja ispitivanih spojeva prema P. carinii u štakora.a Evaluation of four dosages of the selected compounds against P. carinii in rats.


S l i k a 11 – Modifikacije strukture furamidina (3)F i g. 11 – The modifications of structure of furamidine (3)

T a b l i c a 4 – Vrijednosti ��m za ispitivane spojeve s oligomerima koji imaju vezno mjesto graðeno od 4, 6 i 8 AT-parova bazaa

T a b l e 4 – ��m values for test compounds with oligomers containing 4, 6 and 8 base pair binding sitesa

OligonukleotidOligonucleotide

��m / °C

spoj 3compound 3

spoj 22compound 22

spoj 27compound 27

spoj 28compound 28

d(GCGAATTCGC)2 8,3 11,7 10,0 –d(CGAAATTTCG)2 12,6 17,1 14,1 –1,5d(GAAAATTTTCGAAAATTTTC)2 7,3 18,0 14,8 29,5a Ispitivanja su izvedena upotrebom natrijeva kakodilatnog pufera (CAC 10) pri omjeru koncentracija spoj/vezno mjesto = 1a Experiments were performed using sodium cacodilate buffer (CAC 10) and were done at the ratio of 1,0 drug per binding site

Za razliku od drugih diamidina temeljenih na furamidinu(3), spoj 22 se preferirano veÞe u mali utor DNA graðen odATGA-parova baza.21 Provedena biofizikalna i spektroskop-ska ispitivanja pokazala su da se spoj veÞe tako da formiradimere u malome utoru DNA. Formiranje kompleksaspoj–DNA 2:1 veæ je opisano s monokationima kao što sudistamicin i slièni poliamidi, ali ne i s dikationima ili ne-poliamidima. Molekula 22 je prvi aromatski dikation zakojega je naðeno da formira dimer u malome utoru B-DNAgraðenom od miješane ATGA-sekvencije i kao takav uzet jekao predloÞak za dizajn i sintezu malih molekula kao selek-tivnih regulatora gena.

Ispitivanja utjecaja strukture molekule na formiranje dime-ra unutar utora pokazala su da raspored strukturnih jedinicauvjetuje naèin vezivanja molekula unutar utora. Malimpromjenama u strukturi molekule 22, uklanjanjem jedneod amidinskih skupina, zamjenom benzimidazolnog prste-na fenilnim ili benzofuranskim ili uvoðenjem alkilnih skupi-na na dušikov atom amidne skupine prireðeni su derivatikod kojih nije opaÞeno formiranje dimera.21

Utjecaj broja i prirode kationskih skupina

Da bi se sintetizirana molekula vezala u mali utor DNA,najprije mora uæi u stanicu nakon èega mora uæi u staniènujezgru ili mitohondrij.10 Fluorescencijskom mikroskopijomispitivana je stanièna distribucija strukturnih analoga fura-midina. Na temelju provedenih ispitivanja na strukturnimanalozima furamidina s jednim, dva ili èetiri pozitivna na-boja (slika 11) naðeno je da je blizina dva ili èetiri pozitivnanaboja optimalna za njihovu staniènu distribuciju, dok sugubitkom jednog ili oba kationska boèna lanca strukturnihderivata furamidina prireðeni spojevi koji u pravilu ne ulazeu staniènu jezgru.10b Dobiveni rezultati pokazuju da je pri-sustvo dvije terminalne amidinske skupine ili njihovih cik-lièkih formi vaÞan strukturni element koji potpomaÞe aku-muliranju molekula unutar staniènih odjeljaka.

Daljnje, kemijske modifikacije na osnovnoj strukturi fura-midina (3) radi dobivanja biološki aktivnijih spojeva koji bibili oralno primjenjivi i manje toksièni ukljuèuje i sintezu2,5-bis(N-alkilamidinofenil)furanskih derivata, koji su sepokazali manje toksiènim i aktivnijim od furamidina (3) uispitivanjima in vivo na P. carinii (tablica 6).3,27


T a b l i c a 6 – Antitumorsko djelovanje i antigljivièna aktivnost te citotoksiènost supstituiranih derivata furamidina i vrijednosti ��m zavezivanje sintetiziranih analoga u dodekanukleotidu d(CGCGAATTCGCG)2

3,26b

T a b l e 6 – Antitumor and antifungal activity and cytotoxicity of substituted derivatives of furamidina and ��m values for their bindingin d(CGCGAATTCGCG)2 dodecamer3,26b

Spoj

Compd.R A2780 a CH1 a SKOV–3 a ��m / °C b ��m / °C c

Doza d

/ �mol kg–1 d–1

Dosage d

/ �mol kg–1 d–1

Preostale ciste napluæima u odnosuna kontrolu / % d

Remaining lung cystscompared with

control group / % d

3 H 46 46,5 42,5 11,7 25 0,3 5,38 ± 2,6131 etil

ethyl– – – – 10,4 0,05 ± 0,02

32 n-propiln-propyl

– – – 13,0 25,9 10,6 0,08 ± 0,04

33 izopropilisopropyl

38 44,5 20,5 14,4 > 28 10,8 0,20 ± 0,18

34 izobutilisobutyl

22,5 9 52 10,0 10,0 2,20 ± 1,35

35 ciklopropilcyclopropyl

37 18 48 – > 28 – –

36 ciklobutilcyclobutyl

11 4,2 25 – > 28 – –

37 ciklopentilcyclopentyl

12 3,6 17 15,8 > 28 1,9 0,08 ± 0,05

38 cikloheksilcyclohexyl

4,8 2,1 5,2 – – – –

a Citotoksiènost je izraÞena u vrijednostima IC50 / �mol L–1. b Ispitivanja izvedena na poliA-poliT. c Ispitivano na oligomeru d(GCGCAATTGCGC)2.d Rezultati èetiriju mjerenja ispitivanih spojeva prema P. carinii u štakora.a Cytotoxicity is expressed in values of IC50 / �mol L–1. b Tests performed on poliA-poliT. c Tests performed on oligomer d(GCGCAATTGCGC)2.d Evaluation of four dosages of the furan dications against P. carinii in rats.

Supstitucija amidinskih skupina alkilnim lancima ne vodi dopromjene u distribuciji spojeva u malignim stanicama. Zarazliku od njih spojevi s aromatskim prstenima imaju dru-gaèiji distribucijski profil s tendencijom akumulacije u mi-tohondriju.10 Ovo kljuèno otkriæe dovelo je do izrazitogzaokreta u sintezi diarilamidina kao spojeva koji se preferi-rano veÞu ili u jezgrinu ili u mitohondrijsku DNA. Buduæi damitohondrijska DNA ima kljuènu funkciju u propagiranjuapoptotiènog signala kojim veæina protutumorskih lijekovauništava stanice tumora, od iznimne je vaÞnost pronaæigraðevne jedinice kojima bi se priredili diarilamidini koji bise ciljano vezali u mitohondrijsku DNA. Iz svega navedenogslijedi da je stanièna distribucija diarilamidina izravno ovi-sna o strukturi pripravljenih spojeva.

ZakljuèakOsnovni cilj u sintezi i razvoju novih lijekova je sinteza spo-ja koji æe djelovati uèinkovito i selektivno, tako da uništiuzroènika bolesti, a ne naškodi organizmu domaæina.

Male molekule koje se selektivno veÞu u odabrane sekven-cije u DNA pokazale su se kao uspješni regulatori gena, atime i potencijalni lijekovi.

Biološko djelovanje diarilamidina je posljedica njihovog ve-zivanja u mali utor DNA. Dizajn i sinteza spojeva iz klasediarilamidina ovisi o slijedu parova baza koji definira fizikal-no-kemijska svojstva ciljnog mjesta. U pravilu, molekulekoje se veÞu unutar malog utora u DNA graðene su od (he-tero)aromatskih graðevnih jedinica koje su povezane pre-mosnicom. Na krajnjim graðevnim jedinicama vezane suamidinske skupine.

Iako postoji èitav niz èimbenika koji utjeèu na selektivnost iafinitet sintetiziranih molekula, kao što su postojanje do-norskih i akceptorskih skupina u molekuli, duljina moleku-le, radijus zakrivljenost, kao i geometrija i morfologija cilj-noga mjesta, relativan doprinos svakog od njih još nijerazjašnjen. Toènije, još uvijek nije postavljen opæi skup pra-vila prema kojemu bi se dizajnirale visoko selektivne mo-lekule.

Popis kraticaList of symbols

GI50 – koncentracija koja uzrokuje 50 %-tnu inhibiciju rasta,mol L–1, �mol L–1

– the concentration required to achieve 50 % growthinhibition, mol L–1, �mol L–1

IC50 – koncentracija koja uzrokuje 50 %-tnu inhibiciju,mol L–1, �mol L–1

– half maximal inhibitory concentration,mol L–1, �mol L–1

�m – promjena temperature mekšanja, °C– melting point change, °C

LiteraturaReferences

1. a) S. I. Hirst, L. A. Stapley, Parasitology:The Dawn of a NewMillennium, Parasitology Today 16 (2000) 1–3; b) Y. Miao, P.H. Lee, G. N. Parkinson, A. Batista-Parra, M. A. Ismail, S.Neidle, D. W. Boykin, W. D. Wilson, Out-of-shape DNA mi-nor groove binders: Induced fit interactions of heterocyclic di-

cations with the DNA minor groove, Biochemistry 44 (2005)14701–14708; c) J. Seaman, A. J. Mercer, E. Sondorp, The epi-demic of visceral leishmaniasis in western upper Nile, sout-hern Sudan: course and impact from 1984 to 1994, Int. J. Epi-demiol. 25 (1996) 862–871; d) G. E. Garcia Linares, J. B.Rodriguez, Current status and progresses made in malaria che-motherapy, Curr. Med. Chem. 14 (2007) 289–314; e) B.Nguyen, S. Neidle, W. D. Wilson, A role for water molecules inDNA-ligand minor groove recognition, Acc. Chem. Res. 42(2009) 11–21.

2. a) C. A. Bell, M. Cory, T. A. Fairley, J. E. Hall, R. R. Tidwell,Structure-activity relationships of pentamidine analogs againstGiardia lamblia and correlation of antigiardial activity withDNA-binding affinity, Antimicrob. Agents Chemother. 35(1991) 1099–1107; b) J. E. Hall, J. E. Kerrigan, K. Ramachan-dran, B. C. Bender, J. P. Stanko, S. K. Jones, D. A. Patrick, R. R.Tidwell, Anti-Pneumocystis activities of aromatic diamidoxi-me prodrugs, Antimicrob. Agents Chemother. 42 (1998)666–674; c) P. G. Baraldi, F. Fruttarolo, D. Preti, M. A. Tabrizi,M. G. Pavani, R. Romagnoli, DNA minor groove binders as po-tential antitumor and antimicrobial agents, Med. Res. Rev. 24(2004) 475–528.

3. a) D. W. Boykin, A. Kumar, G. Xiao, W. D. Wilson, B. C. Ben-der, D. R. McCurdy, J. E. Hall, R. R. Tidwell, 2,5-Bis[4-(N-alkyl-amidino)phenyl]furans as anti-Pneumocystis carinii agents, J.Med. Chem. 41 (1998) 124–129; b) C. A. Bell, C. C. Dykstra,N. A. Naiman, M. Cory, T. A. Fairley, R. R. Tidwell, Structure-activity studies of dicationically substituted bis-benzimidazo-les against Giardia lamblia: correlation of antigiardial activitywith DNA binding affinity and giardial topoisomerase II inhi-bition, Antimicrob. Agents Chemother. 37 (1993) 2668–2673;c) M. Del Poeta, W. A. Schell, C. C. Dykstra, S. Jones, R. R.Tidwell, A. Czarny, M. Bajiæ, Ma. Bajiæ, A. Kumar, D. W.Boykin, J. R. Perfect, Structure-in vitro activity relationships ofpentamidine analogues and dication-substituted bis-benzimi-dazoles as new antifungal agents, Antimicrob. Agents Che-mother. 42 (1998) 2495–2502.

4. a) J. P. Monk, P. Benfield, Inhaled pentamidine: an overviewof its pharmacological properties and a review of its therapeu-tic use in Pneumocystis carinii pneumonia, Drugs 39 (1990)741–756; b) P. G. Bray, M. P. Barrett, S. A. Ward, H. P. Koning,Pentamidine uptake and resistance in pathogenic protozoa:past, present and future, Trends Parasitol. 19 (2003) 232–239;c) C. A. Bell, J. E. Hall, D. E. Kyle, M. Grogl, K. A. Ohemeng, M.A. Allen, R. R. Tidwell, Structure-activity relationships of ana-logs of pentamidine against Plasmodium falciparum and Leish-mania mexicana amazonensis, Antimicob. Agents Chemother.34 (1990) 1381–1386.

5. P. R. Turner, W. A. Denny, The genome as a drug target se-quence specific minor groove binding ligands, Curr. Drug Tar-gets 1 (2000) 1–14.

6. D. W. Boykin, A. Kumar, J. Spychala, M. Zhou, R. J. Lombardy,W. D. Wilson, C. C. Dykstra, S. K. Jones, J. E. Hall, R. R. Tidwell,C. Laughton, C. M. Nunn, S. Neidle, Dicationic diarylfurans asanti-Pneumocystis carinii agents, J. Med. Chem. 38 (1995)912–916.

7. E. Hildebrandt, D. W. Boykin, A. Kumar, R. R. Tidwell, C. C.Dykstra, Identification and characterization of an endo/exo-nuclease in Pneumocystis carinii that is inhibited by dicationicdiarylfurans with efficacy against Pneumocystis pneumonia, J.Eukaryot. Microbiol. 45 (1998) 112–121.

8. a) C. Bailly C, L. Dassonneville, C. Carrasco, D. Lucas, A. Ku-mar, D. W. Boykin, W. D. Wilson, Relationship between to-poisomerase II inhibition, sequence-specificity and DNA bin-ding mode of dicationic diphenylfuran derivatives, Anti-Can-cer Drug Design 14 (1999) 47–60; b) D. Henderson, L. H.Hurley, Molecular struggle for transcriptional control, Nat.Med. 1 (1995) 525–527; c) C. C. Dykstra, D. R. McClernon, L.P. Elwell, R. R. Tidwell, Selective inhibition of topoisomerasesfrom Pneumocystis carinii compared with that of topoisome-rases from mammalian cells, Antimicrob. Agents Chemother.38 (1994) 1890–1898.


9. a) N. S. Carter, A. H. Fairlamb, Arsenical-resistant trypanoso-mes lack an unusual adenosine transporter, Nature 361(1993) 173–176; b) H. P. De Koning, S. M. Jarvis, Adenosinetransporters in bloodstream forms of Trypanosoma brucei bru-cei: substrate recognition motifs and affinity for trypanocidaldrugs, Mol. Pharmacol. 56 (1999) 1162–1170; c) A. Baliani,G. J. Bueno, M. L. Stewart, V. Yardley, R. Brun, M. P. Barrett, I.H. Gilbert, Design and synthesis of a series of melamine-basednitroheterocycles with activity against trypanosomatid parasi-tes, J. Med. Chem. 48 (2005) 5570–5579.

10. a) A. Lansiaux, F. Tanious, Z. Mishal, L. Dassonneville, A. Ku-mar, C. E. Stephens, Q. Hu, W. D. Wilson, D. W. Boykin, C.Bailly, Distribution of Furamidine Analogues in Tumor Cells:Targeting of the Nucleus or Mitochondria Depending on theAmidine Substitution, Cancer Res. 62 (2002) 7219–7229; b)A. Lansiaux, L. Dassonneville, M. Facompre, A. Kumar, C. E.Stephens, M. Bajiæ, F. Tanious, W. D. Wilson, D. W. Boykin, C.Bailly, Distribution of furamidine analogues in tumor cells: in-fluence of the number of positive charges, J. Med. Chem. 45(2002) 1994–2002; c) S. Neidle, L. R. Kelland, J. O. Trent, I. J.Simpson, D. W. Boykin, A. Kumar, W. D. Wilson, Cytotoxicityof bis(phenylamidinium)furan alkyl derivatives in human tu-mour cell lines: relation to DNA minor groove binding, Bio-org. Med. Chem. Lett. 7 (1997) 1403–1408.

11. C. L. Propst, T. J. Perun, Nucleic Acid Targeted Drug Designe,Marcel Deker, inc., New York, 1992.

12. L. S. Lerman, Structural considerations in the interactions ofdeoxyribonucleic acid and acridines, J. Mol. Biol. 3 (1961)18–30.

13. A. H. J. Wang, G. Ughetto, G. J. Quigley, A. Rich, Interactionsbetween an anthracycline antibiotic and DNA: molecularstructure of daunomycin complexed to d(CpGpTpApCpG) at1.2-.ANG. resolution, Biochemistry 26 (1987) 1152–1163.

14. a) I. Piantanida, Metode ispitivanja nekovalentnih interakcijamalih organskih molekula s DNA i RNA. Detaljniji osvrt naispitivanje interkalativnog naèina vezanja, Kem. Ind. 52(2003) 545–552; b) G. Karminski-Zamola, K. Starèeviæ, Hete-rociklièki aromatski spojevi i njihovo antitumorsko djelovanje,Kem. Ind. 56 (2007) 257–273.

15. a) S. Neidle, Crystallographic insights into DNA minor grooverecognition by drugs, Biopolymers 44 (1997) 105–121; b) S.A. Shaikh, S. R. Ahmed, B. Jayaram, A molecular thermodyna-mic view of DNA–drug interactions: a case study of 25 mi-nor-groove binders, Arch. Biochem. Biophy. 429 (2004)81–99.

16. a) D. W. Wilson, F. A. Tanious, H. Buczak, L. S. Ratmeyer, M. K.Venkatramanan, A. Kumar, D. W. Boykin, B. Munson, Structu-re and Function 1: Nucleic Acids, Adenine Press, New York,1992. str. 83–105; b) F. A. Tanious, J. Spychala, A. Kumar, K.Greene, D. W. Boykin, W. D. Wilson, Different binding modein AT and GC sequences for unfused-aromatic dications, J.Biomol. Struct. Dyn. 11 (1994) 1063–1083; c) D. W. Boykin,A. Kumar, M. Bajiæ, G. Xiao, W. D. Wilson, B. C. Bender, D. R.McCurdy, J. E. Hall, R. R. Tidwell, Anti-Pneumocystis cariniipneumonia activity of dicationic diaryl methylprimidines, Eur.J. Med. Chem. 32 (1997) 965–972.

17. a) F. A. S. Menezes, C. A. Montanari, R. E. Bruns, 3D-WHIMpattern recognition study for bisamidines. A structure-proper-ty relationship study, J. Braz. Chem Soc. 11 (2000) 393–397;b) M. L. Kopka, C. Yoon, D. Goodsell, P. Pjura, R. E. Dickerson,The molecular origin of DNA-drug specificity in netropsin anddistamycin, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 82 (1985) 1376–1380;c) M. L. Kopka, C. Yoon, S. Goodsell, P. Pjura, R. E. Dickerson,Binding of an antitumor drug to DNA: Netropsin andC-G-C-G-A-A-T-T-BrC-G-C-G, J. Mol. Biol. 183 (1985)553–563.

18. a) W. D. Wilson, B. Nguyen, F. A. Tanious, A. Mathis, J. E. Hall,C. E. Stephens, D. W. Boykin, Dications that target the DNAminor groove: compound design and preparation, DNA inte-ractions, cellular distribution and biological activity, Curr.Med. Chem. Anticancer Agents 5 (2005) 389–408; b) J. B.

Chaires, J. Ren, D. Hamelberg, A. Kumar, V. Pandya, D. W.Boykin, W. D. Wilson, Structural Selectivity of Aromatic Dia-midines, J. Med. Chem. 47 (2004) 5729–5742; c) B. Nguyen,C. Tardy, C. Bailly, P. Colson, C. Houssier, A. Kumar, D. W.Boykin, W. D. Wilson, Influence of Compound Structure onAffinity, Sequence Selectivity, and Mode of Binding to DNAfor Unfused Aromatic Dications Related to Furamidine, Bio-polymers 63 (2002) 281–297.

19. A. Höglund, O. Kohlbacher, From sequence to structure andback again: approaches for predicting protein-DNA binding,Proteome Science 2 (2004) 1–7.

20. M. Munde, M. A. Ismail, R. Arafa, P. Peixoto, C. J. Collar, Y. Liu,L. Hu, M. H. David-Cordonnier, A. Lansiaux, C. Bailly, D. W.Boykin, W. D. Wilson, Design of DNA minor groove bindingdiamidines that recognize GC base pair sequences: a dime-ric-hinge interaction motif, J. Am. Chem. Soc. 129 (2007)13732–13743.

21. a) L. Wang, C. Carrasco, A. Kumar, C. E. Stephens, C. Bailly, D.W. Boykin, W. D. Wilson, Evaluation of the influence of com-pound structure on stacked-dimer formation in the DNA mi-nor groove, Biochemistry 40 (2001) 2511–2521; b) C. Bailly,C. Tardy, L. Wang, B. Armitage, K. Hopkins, A. Kumar, G. B.Schuster, D. W. Boykin, W. D. Wilson, Recognition of ATGAsequences by the unfused aromatic dication DB293 formingstacked dimers in the DNA minor groove, Biochemistry 40(2001) 9770–9779; c) L. Wang, C. Bailly, A. Kumar, D. Ding,M. Bajiæ, D. W. Boykin, W. D. Wilson, Specific molecular reco-gnition of mixed nucleic acid sequences: an aromatic dicationthat binds in the DNA minor groove as a dimer, Proc. Natl.Acad. Sci. USA 97 (2000) 12–16.

22. B. H. Geierstanger, M. Mrksich, P. B. Dervan, D. E. Wemmer,Design of a GC-Specific DNA Minor Groove-Binding Peptide,Science 266 (1994) 646–650.

23. D. W. Boykin, A. Kumar, J. E. Hall, B. C. Bender, R. R. Tidwell,Anti-pneumocystis activity of bis-amidoximes and bis-o-alky-lamidoximes prodrugs, Bioorg. Med. Chem. Lett. 6 (1996)3017–3020.

24. a) J. J. V. Eynde, A. Mayence, M. T. Johnson, T. L. Huang, M. S.Collins, S. Rebholz, P. D. Walzer, M. T. Cushion, I. O. Donkor,Antitumor and anti-pneumocyctis carinii activities of novel bi-sbenzamidines, Med. Chem. Res. 14 (2005) 143–157; b) O.Donkor, R. R. Tidwell, S. K. Jones, Pentamidine congeners. 2.2-Butene-bridged aromatic diamidines and diimidazolines aspotential anti-Pneumocystis carinii pneumonia agent, J. Med.Chem. 37 (1994) 4554–4557; c) I. O. Donkor, T. L. Huang, B.Tao, D. Rattendi, S. Lane, M. Vargas, B. Goldberg, C. Bacchi,Trypanocidal Activity of Conformationally Restricted Penta-midine Congeners, J. Med. Chem. 46 (2003) 1041–1048.

25. a) I. Stoliæ, K. Miškoviæ, A. Magdaleno, A. M. Silber, I. Piantani-da, M. Bajiæ, Lj. Glavaš-Obrovac, Effect of 3,4-ethylenedioxy-extension of thiophene core on the DNA/RNA binding pro-perties and biological activity of bisbenzimidazole amidines,Bioorg. Med. Chem. 17 (2009) 2544–2554; b) I. Stoliæ, Sin-teza, interakcija s DNA i RNA i protutumorska ispitivanja diai-midinskih derivata 3,4-etilendioksitiofena, doktorska diserta-cija, PMF, Zagreb, 2009.

26. a) K. T. Hopkins, W. D. Wilson, B. C. Bender, D. R. McCurdy, J.E. Hall, R. R. Tidwell, A. Kumar, M. Bajic, D. W. Boykin, Ex-tended aromatic furan amidino derivatives as anti-Pneumocy-stis carinii agents, J. Med. Chem. 41 (1998) 3872–3878; b) R.R. Tidwel, S. K. Jones, N. A. Naiman, L. C. Berger, W. B. Brake,C. C. Dykstra, J. E. Hall, Activity of Cationically SubstitutedBis-Benzimidazoles against Experimental Pneumocystis cari-nii Pneumonia, Antimicrob. Agents Chemotherap. 37 (1993)1713–1716.

27. a) T. L. Gilchrist, Synthesis of aromatic heterocycles, J. Chem.Soc., Perkin Trans 1 (1999) 2849–2866; b) S. Mazur, F. A. Ta-niuos, D. Ding, A. Kumar, D. W. Boykin, I. J. Simpson, S.Neidle, W. D. Wilson, A thermodynamic and structural analy-sis of DNA minor-groove complex formation, J. Mol. Biol. 300(2000) 321–337.


SUMMARY

Diarylamidines: Design, Interaction with DNA and Biological ActivityI. Stoliæ� and M. Bajiæ

Diarylamidines are a group of biologically active compounds that are more than half a centuryused for treatment of parasitic diseases. Although the biological mechanism of action has not yetbeen fully explained it was found that the biological activity of compounds of this class is based ontheir binding in a small groove of DNA. Therefore, the compounds of this class, originally develo-ped for the purpose of finding parasitic drugs, over time are recognized as potential drugs withbroad application (e. g. anti-HIV opportunistic infections or tumours) based on their interactionwith DNA – the primary genetic material. The occurrence of resistance and some associated ad-verse consequences prompted the research and development of new effective drugs and findingtheir mechanism of action at the molecular level. In the first part of this work, basic concepts aregiven accompanied by selected examples of this class of compounds.

Department of Chemistry and Biochemistry, Received July 8, 2010Faculty of Veterinary Medicine, University of Zagreb Accepted November 18, 2010Heinzelova 55, 10 000 Zagreb, Croatia


diarilamidini: dizajn, interakcija s dna prispjelo 8...

Documents