Design and synthesis of receptor tyrosine kinase inhibitors for anticancer treatment

Abstract

A novel tyrosine kinase inhibitors targeting epidermal growth factor receptor (EGFR) were developed in this study based on the core structure of major component in medicinal plants. In searching for the core structure, chlorogenic acid was identified from virtual screening of 2,666 compounds in Thai herbal database. The caffeic motif in the structure of chlorogenic acid was used as core structure for the design. The design strategy composed of (i) extension of molecular structure via urea and amide linkers (ii) optimization of the extended structure to enhance EGFR- binding affinity and (iii) modification of phenoxy groups in caffeic motif to avoid ionization. Two series of compounds classified by the linker which are urea series (CIU series) and amide series (CAD series) were designed, synthesized and evaluated for their anti-proliferative activities on a panel of cancer cell lines. CIU1, the most promising compound in urea series, inhibited the growth of EGFR-overexpressing MDA-MB-468 triple-negative breast cancer cells and wild-type non-small-cell lung cancer H460 cells with IC50 values of 8.96 uM and 12.98 uM, respectively, these anti-proliferative effects of CIU1 were comparable to gefitinib and lapatinib. CIU1 also effectively inhibited the invasive hormone-dependent MCF-7 cancer cells with an IC50 2.34 uM. The immunoblot analyses revealed that CIU1 induced apoptosis and suppressed EGFR expression in breast cancer MDA-MB468 and lung cancer PC-9 cells. Among compounds in amide series, CAD1, CAD6 and CAD12 were more potent against MCF-7 with IC50 of 8.02, 13.69 and 13.66 respectively. CAD1 also showed the inhibition activity against Hela cell line (IC50 = 12.55uM). The cytotoxicities of all designed compounds on the normal kidney MDCK cells were not observed at 100 microM. The findings substantiated the design strategy and demonstrated the potential of CIU1 as new lead for further optimization in the development of anticancer drugs against advanced solid tumors. Moreover, the scaffold from natural product was proved to be valuable sources for the success in drug design

การศึกษานี้เป็นการพัฒนาสารกลุ่มใหม่ที่เป็นสารต้านรีเซบเตอร์ไทโรซีนไคเนสชนิด EGFR (epidermal growth factor receptor) โดยใช้โครงสร้างหลักจากสารสำคัญในสมุนไพรไทย ในการหาโครงสร้างหลักด้วยวิธีการคัดกรองประสิทธิภาพสูงจากฐานข้อมูลสมุนไพรไทยจำนวน 2666 สาร ได้ค้นพบกรดคลอโรจินิกนำส่วนคาเฟอิกในโครงสร้างของกรดคลอโรจินิก มาใช้เป็นโครงสร้างหลักในการออกแบบโครงสร้างสารใหม่ กลยุทธ์การออกแบบประกอบด้วย (ก) การเพิ่มความยาวของโมเลกุลโดยใช้ยูเรียและเอไมด์เป็นตัวเชื่อมชนิด (ข) การหาโครงสร้างที่เหมาะสมในส่วนที่เพิ่มขึ้นเพื่อเพิ่มการจับกับตัวรับเป้ าหมายชนิด EGFR และ (ค) การปรับเปลี่ยนกลุ่มฟีนอกซีของคาเฟอิกเพื่อป้ องกันการแตกตัวของสาร จากนั้นจึงได้ทำการออกแบบและสังเคราะห์สารสองชุดโดยแบ่งตามชนิดของตัวเชื่อม คือชุดยูเรีย และ ชุดเอไมด์ พร้อมทั้งทำการทดสอบฤทธิ์ยับยั้งการแบ่งตัวในเซลล์มะเร็งชนิดต่างๆ พบว่าสาร CIU1 ในชุดยูเรียมีศักยภาพมากที่สุดในการยับยั้งการแบ่งตัวของเซลล์มะเร็งที่มีตัวรับชนิด EGFR ในปริมาณสูง ได้แก่ เซลล์มะเร็ง เต้านม MDA-MB468 ซึ่งเป็นเซลล์มะเร็งชนิด triple negative และเซลล์มะเร็งปอดชนิด NSCLC H460 มีค่า IC50 = 8.96 ไมโครโมลาร์ และ 12.98 ไมโครโมลาร์ ตามลำดับและสามารถยับยั้งการแบ่งตัวของเซลล์มะเร็งเต้านมชนิด MCF-7 มีค่า IC50 = 2.34 ไมโครโมลาร์ โดยเมื่อใช้วิธีการวิเคราะห์ภูมิคุ้มกันแบบบลอทติ้ง พบว่าสาร CIU1 สามารถเหนี่ยวนำให้เซลล์มะเร็งเต้านม MDAMB468 และเซลล์มะเร็งปอดชนิด PC-9 เกิดการตายแบบอะพอพโทซิส และมีการแสดงออกของรีเชพเตอร์ชนิด EGFR ลดลง ส่วนสารสังเคราะห์ในชุดเอไมด์พบว่าสาร CAD1 CAD6 และ CAD12 สามารถยับยั้งการแบ่งตัวของเซลล์มะเร็งเต้านม MCF-7 มีค่า IC50 = 8.02, 13.69 และ 13.66 ไมโครโมลาร์ตามลำดับ โดยที่สาร CAD1 ยังสามารถยับยั้งการแบ่งตัวของเซลล์มะเร็งปากมดลูก Hela cell (IC50 = 12.55 ไมโครโมลาร์) ได้อีกด้วย เมื่อทดสอบความเป็นพิษของสารเคราะห์ทั้งหมดต่อเซลล์ไตปกติชนิด MDCKไม่พบการเกิดพิษที่ 100 ไมโครโมลาร์ จากการค้นพบและใช้กลยุทธ์ในการออกแบบสามารถแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของสารต้นแบบ CIU1 ที่สามารถพัฒนาต่อไปเป็นยารักษาโรคมะเร็งชนิดก้อนในระยะลุกลาม รวมทั้งยังพิสูจน์ให้เห็นได้ว่าโครงสร้างจากสารสำคัญในธรรมชาติเป็นแหล่งทรัพยากรที่มีความสำคัญในการประสบความสำเร็จในการออกแบบและพัฒนายา