Study of interactions of copper-phenanthroline complexes with biomolecules by the X-ray Absorption Spectroscopy
Loading...
DOI
Date
2024
Authors
Stańczyk, Wiktoria Idalia
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Motywacją do podjęcia tematu projektu doktorskiego były wciąż trwające badania nad nowymi lekami chemioterapeutycznymi. W dzisiejszych czasach problem skutków ubocznych, pojawiających się w wyniku stosowania dostępnych leków, lub braku skuteczności niektórych terapii przeciwnowotworowych, nabiera szczególnego znaczenia w związku ze stale rosnącą liczbą diagnozowanych przypadków nowotworów na świecie. Stwierdzono, że powszechnie stosowane związki na bazie platyny, takie jak cisplatyna, powodują nudności i prowadzą do upośledzenia słuchu lub problemów z układem trawiennym, ale problemów tych jest dużo więcej. Dodatkowo platyna jest pierwiastkiem dość drogim w pozyskiwaniu, co przenosi się na wysokie koszty produkcji leków. Dlatego też badane są innego rodzaju związki, w tym kompleksy na bazie miedzi. Opisywane w rozprawie badania skupiły się na charakteryzacji dwóch kompleksów miedzi z fenantroliną, którymi były: Cu(1,10-fenantrolina)Cl2 oraz zsyntetyzowany Cu(1,10-fenantrolina)-(1H-1,2,4-triazolo-1-yl)Cl2·H2O, metodą rentgeno-wskiej spektroskopii absorpcyjnej (ang. X-ray Absorption Spectroscopy, XAS). Pierwsza część pracy skupiła się na przeglądzie literatury dotyczącej obecności miedzi w organizmie człowieka i jej możliwych zastosowaniach w leczeniu przeciwnowotworowym. Najważniejsza jednak część dotyczyła procesu syntezy kompleksu miedzi z triazolem, na podstawie publikacji Tabassum i inni (2012). Po wielu powtórzeniach i próbach optymalizacji procedury syntezy stwierdzono, że otrzymywane są dwa różne produkty reakcji. Aby scharakteryzować te produkty, wykonano badania metodą spektroskopii w podczerwieni. Stwierdzono, że drugim produktem okazał się wybrany już wcześniej do badań związek Cu(1,10-fenantrolina)Cl2. Jako główny produkt rozpoznano oczekiwany kompleks miedzi z triazolem. Część drugą rozprawy poświęcono teorii rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej oraz różnym źródłom promieniowania rentgenowskiego, wykorzystywanym w badaniach tą metodą. Część doświadczalna skupiła się na badaniach XAS obu związków miedzi z fenantroliną w stanie stałym, z uwzględnieniem dodatkowych związków referencyjnych. Ważnym aspektem tego badania było zastosowanie laboratoryjnego układu XAS, który nie jest jeszcze tak powszechnie stosowany. Zoptymalizowano także parametry pomiarów, zwłaszcza czas akwizycji widm i stężenie związku w próbce, a następnie poddano wyniki kompleksowej analizie. Uzyskane w warunkach laboratoryjnych widma XAS dały wgląd w kształt widm i możliwe położenie krawędzi absorpcji, jednakże brakowało w nich mniej intensywnych struktur, takich jak piki przedkrawędziowe. W związku z tym, zdecydowano się przenieść badania do centrów synchrotronowych, w celu uzyskania bardziej szczegółowych widm. Badania z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego przeprowadzono w trzech ośrodkach, którymi były: Swiss Light Source (SLS) Instytutu Paul’a Scherrer’a (PSI) w Villigen w Szwajcarii; PETRA III kompleksu Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) w Hamburgu, w Niemczech; i synchrotron SOLARIS w Krakowie. Wyniki dostarczyły informacji, że badane związki nie ulegały redukcji pod wpływem napromieniowania, a także ujawniły struktury widmowe, których brakowało w laboratoryjnych widmach XAS. Analiza zidentyfikowanych pików przedkrawędziowych potwierdziła oczekiwaną geometrię kompleksów, która została zawarta w danych krystalograficznych dostępnych w literaturze. W tej części badań otrzymano także widma, które posłużyły jako referencja do analizy widm roztworów badanych dwóch związków. Ostatnia część pracy doktorskiej dotyczyła badań cieczy. Ważnym aspektem było zaprojektowanie układu dostarczania cieczy, który umożliwiłby wielogodzinne pomiary roztworów bez strat próbki i ograniczałby możliwość uszkodzeń radiacyjnych badanego materiału. Przetestowano trzy różne układy, z których dwa z dedykowanymi celkami okazały się najbardziej wydajne. Wyniki badań XAS związków miedzi z fenantroliną, rozpuszczonych w roztworach wodnych, poparte obliczeniami teoretycznymi, wykazały zachodzącą wymianę ligandów przyłączonych do miedzi. Proces ten uwzględniono w analizie widm roztworów inkubowanych z DNA i albuminą surowicy bydlęcej (ang. bovine serum albumin, BSA). Po analizie wyników odejmowania widm XAS, zmiany w obszarze krawędzi absorpcji sugerują zmianę w strukturze elektronowej obu kompleksów, będącą efektem zachodzących słabych, niekowalencyjnych oddziaływań z DNA. Stwierdzono również, że mogą także zachodzić dodatkowe oddziaływania elektrostatyczne. W przypadku badań z udziałem albuminy stwierdzono, że kompleks miedzi z triazolem wydaje się chętniej oddziaływać z tą biomolekułą niż pierwszy badany związek, prawdopodobnie ze względu na obecność drugiej grupy organicznej, która może brać udział w oddziaływaniach hydrofobowych. Podsumowując wszystkie wyniki i dyskusje przedstawione w rozprawie, stwierdzono, że rentgenowska spektroskopia absorpcyjna jest użyteczną metodą badania oddziaływań potencjalnych chemioterapeutyków na bazie miedzi z wybranymi biomolekułami. Dodatkowo uzyskano informacje, których brakowało we wcześniejszych publikacjach, opisujących kompleks miedzi z triazolem. Stwierdzono jednak, że są one kluczowe dla zrozumienia mechanizmu oddziaływań między kompleksami miedzi z fenantroliną z cząsteczkami DNA i albuminy.
The motivation to investigate a topic presented in this doctoral dissertation originated from the still ongoing studies on new chemotherapeutic drugs. Nowadays, the problem of the side effects after application of the available medicines or the nonefficiency of some anticancer therapies is getting an importance, due to the still increasing number of diagnosed cancer cases worldwide. Commonly used compounds based on platinum, like cisplatin, are found to cause nausea, and lead to hearing impairment or problems with the digestive system, just to mention a few. Additionally, platinum is quite an expensive element to possess, what results in the high costs of drug production. Therefore, other alternatives are being explored, including complexes based on copper. This research concentrated on the examination of two copper-phenanthroline complexes, which were: Cu(1,10-phenanthroline)Cl2, and synthesized Cu(1,10-phenanthroline)-(1H-1,2,4-triazole-1-yl)Cl2 · H2O, with the use of the X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) method. The first part of the thesis focused on the review of copper's presence in the human body and its possible applications in anticancer treatment. The most important part focused on the process of synthesis of the copper-phenanthroline complex with triazole, basing on the publication by Tabassum et al. (2012). After many repetitions and attempts to optimize the synthesis procedure, it was found, that two different products are being obtained. To verify what are these products, an infrared spectroscopy examination was performed. It was found, that the secondary compound was in fact Cu(1,10-phenanthroline)Cl2, already chosen before examination. The main product was recognized as the expected copper complex with triazole. The second part was dedicated to the theory of X-ray absorption spectroscopy and various X-ray sources used in studies with this method. The experimental part concentrated on the XAS examination of both copper-phenanthroline compounds in a solid state, including additional referential compounds. The important part of this examination involved the application of the laboratory XAS setup, which is yet not so commonly used. The parameters of the measurements, especially acquisition time and concentration of the compound in the sample, were optimized, followed by the complex data analysis. XAS spectra, which were obtained in laboratory conditions, gave insight into the shape of the spectra and possible position of the absorption edge, yet, were lacking in less pronounced features, like pre-edge peaks. Therefore, it was decided to move the examination to the synchrotron facility, to obtain more detailed spectra. Studies with the use of synchrotron radiation were performed in three facilities, that were: Swiss Light Source (SLS) of the Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen, Switzerland; PETRA III of the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) complex, in Hamburg, Germany; and SOLARIS synchrotron, in Kraków, Poland. Results provided information, that the studied compounds are not prone to photoreduction, and revealed the spectral features, that were absent in the laboratory XAS spectra. Analysis of the identified pre-edge peaks confirmed the expected geometry of the complexes, that were described in the crystallographic data found in the literature. This part of the examination also provided spectra, that were used as a reference in the analysis of the spectra of solutions of these two compounds. The final part of the doctoral research concerned on the XAS studies of solutions. The important aspect involved the design of a liquid delivery setup, that enabled measurements of solutions over many hours, without a loss of the sample and reducing the possibility of radiation damage. Three different setups were tested, from which two having dedicated cells were found to be the most efficient.
Results of XAS studies of the copper-phenanthroline compounds dissolved in aqueous solutions, supported by the theoretical calculations, revealed the undergoing exchange of the ligands attached to copper. This process was also taken into consideration in the analysis of spectra of solutions incubated with DNA and bovine serum albumin (BSA). After analysis of the results of XAS spectra subtraction, the changes within the absorption edge region suggested a change in the electronic structure of both complexes, being a result of the weak noncovalent interactions with DNA. Additional electrostatic interactions were also found to be possible. In the case of examination involving BSA, it was found, that the copper-triazole complex seems to more preferably interact with this biomolecule than the first compound, probably because of the presence of the second planar organic group, which can be involved in hydrophobic interactions. Summing all the results and discussions presented in this thesis, X-ray Absorption Spectroscopy was found to be a useful method for studying interactions of prospective copper-based chemotherapeutics with chosen biomolecules. Additionally, it revealed the information, that was lacking in the previous publications, which described a copper-triazole complex. Yet, this information was found to be crucial in understanding the mechanism of the interactions between copper-phenanthroline complexes with DNA and BSA molecules.
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
Narodowe Centrum Nauki
Grantnumber:
2016/21/DST4/00378
License Type
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International