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Activation of anthracene endoperoxides in leishmania and impairment of mitochondrial functions
(2018)
Leishmaniasis is a vector-borne disease caused by protozoal Leishmania. Because of resistance development against current drugs, new antileishmanial compounds are urgently needed. Endoperoxides (EPs) are successfully used in malaria therapy, and experimental evidence of their potential against leishmaniasis exists. Anthracene endoperoxides (AcEPs) have so far been only technically used and not explored for their leishmanicidal potential. This study verified the in vitro efficiency and mechanism of AcEPs against both Leishmania promastigotes and axenic amastigotes (L. tarentolae and L. donovani) as well as their toxicity in J774 macrophages. Additionally, the kinetics and radical products of AcEPs’ reaction with iron, the formation of radicals by AcEPs in Leishmania, as well as the resulting impairment of parasite mitochondrial functions were studied. Using electron paramagnetic resonance combined with spin trapping, photometry, and fluorescence-based oximetry, AcEPs were demonstrated to (i) show antileishmanial activity in vitro at IC50 values in a low micromolar range, (ii) exhibit host cell toxicity in J774 macrophages, (iii) react rapidly with iron (II) resulting in the formation of oxygen- and carbon-centered radicals, (iv) produce carbon-centered radicals which could secondarily trigger superoxide radical formation in Leishmania, and (v) impair mitochondrial functions in Leishmania during parasite killing. Overall, the data of different AcEPs demonstrate that their structures besides the peroxo bridge strongly influence their activity and mechanism of their antileishmanial action.
The [4 + 2] cycloadditions of singlet oxygen to 9,10-diphenylanthracene (1) and the meta and para isomers of 9,10-dipyridylanthracene (2m/p) and 9,10-methoxyphenylanthracene (3m/p) have been studied by density functional calculations in the gas phase at the UB3LYP/6-31G* level and for the first time in solvents at the conductor-like polarizable continuum model (CPCM) UM062X/6-31G* level. The differences in calculated transition state (TS) energies derived from this method are in line with experimentally observed reactivity orders in solution. For the gas-phase reaction, the first TS of the stepwise pathway (TS1) has biradical character, and its energy lies below the energy of the TS of the concerted path (TSconc). In contrast, in the solvent acetonitrile, TS1 resembles a zwitterion and lies significantly higher than the TSconc. Thus, a concerted mechanism applies in solvents, and the energy gap between the TS of the two processes decreases with decreasing polarity. A change from a pyridyl against a methoxyphenyl substituent in the para position causes a maximal reduction of the activation barrier by approximately 1.7 kcal/mol, resulting in a fivefold increased reactivity.
Untersuchungen an neuartigen sauerstoffsubstituierten Donoren und Akzeptoren für Singulettsauerstoff
(2019)
Im Verlauf dieser Arbeit wurden Aromaten wie Naphthaline und Anthracene mit Singulettsauerstoff, einer reaktiven Form des gewöhnlichen Sauerstoffs, zu sogenannten Endoperoxiden umgesetzt. Die hier eingesetzten Systeme wurden mit funktionellen Gruppen modifiziert, die über eine Sauerstoffbrücke mit dem Aromaten verknüpft sind. Die daraus entstandenen Endoperoxide sind meist besonders labil und konnten in dieser Arbeit isoliert und umfassend untersucht werden.
Hierbei wurde zum einen das Reaktionsverhalten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Aromaten in Abhängigkeit ihrer funktionellen Gruppen unterschiedlich schnell mit Singulettsauerstoff reagieren. Die so ermittelten Reaktivitäten wurden zusätzlich durch theoretische Berechnungen gestützt.
Die resultierenden Endoperoxide wurden unter verschiedenen Bedingungen wie erhöhter Temperatur oder einem sauren bzw. basischen Milieu auf ihre Stabilität hin untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die auf Naphthalinen basierenden Endoperoxiden den gebundenen Singulettsauerstoff in guten Ausbeuten oft schon bei sehr niedrigen Temperaturen (−40 bis 0 °C) freisetzen. Diese Verbindungen können daher als milde Quellen dieser reaktiven Sauerstoffspezies eingesetzt werden. Weiterhin konnten bei den Anthracenendoperoxiden Zerfallsmechanismen aufgeklärt und andere reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid oder Persäuren nachgewiesen werden.
Zu den Modifikationen der Aromaten gehören auch Glucosereste. Dadurch könnten sich die hier hergestellten Endoperoxide als vielversprechende Verbindungen in der Krebstherapie herausstellen, da Krebszellen deutlich stärker als gesunde Zellen kohlenhydratreiche Verbindungen für ihren Stoffwechsel benötigen. Bei der Spaltung von Endoperoxiden mit Glucosesubstituenten werden ebenfalls reaktive Sauerstoffspezies frei, die so zum Zelltod führen könnten.