Синтез и биологическая активность N-(α-диэтоксифосфорилциклопропилкарбонил)аминокислот – структурных аналогов N-фосфонацетил-L-аспартата

Цели. С развитием и совершенствованием новых систем доставки для веществ различного характера, вновь приобретают актуальность фосфорорганические соединения с антиметаболитным механизмом действия. К ним можно отнести, например, фосфорорганические аналоги карбоновых кислот, такие как N-фосфонацетил-L-аспартат (PALA) и N-фосфонацетил-L-изоаспарагин, являющиеся биорационально разработанными аналогами переходного состояния карбамоиласпартата в реакции биосинтеза пиримидиновых оснований, которая катализируется ферментом аспартат-транскарбамоилазой (ATCase). Несмотря на высокую активность эти соединения не нашли широкого применения из-за большого количества побочных эффектов и низкой биодоступности. С учетом открывающихся возможностей по доставке фосфатных и фосфонатных производных в клетки-мишени, получение более эффективных аналогов PALA кажется интересной и перспективной задачей. Поэтому целью данной работы являлись синтез и исследование биологической активности новых производных фосфонуксусной кислоты – N-(α-диэтоксифосфорилциклопропилкарбонил)-замещенных аминокислот – аналогов N-фосфоноацетил-L-аспартата (PALA).

Методы. Для направленной работы в рамках исследования применяли метод молекулярного докинга, который позволяет смоделировать связывание N-(α-диэтоксифосфорилциклопропилкарбонил)-замещенных аминокислот с аспартат-транскарбамоилазой. Целевые соединения были синтезированы с использованием классических методов органического синтеза. Исследование цитотоксичности проводили по отношению к клеточным линиям рака молочной железы человека (MDA-MB-231), рака кожи (А-375) и глиобластомы (U-87 MG).

Результаты. В рамках работы был осуществлен синтез восьми новых N-(α-диэтоксифосфорилциклопропилкарбонил)-замещенных аминокислот. Исследование ряда синтезированных производных на противораковую активность не выявило значимого проявления цитотоксичности.

Выводы. N-(α-диэтоксифосфорилциклопропилкарбонил)-замещенные аминокислоты представляют собой синтетически доступные аналоги PALA, способные к более сильному взаимодействию с ATCase. Тем не менее синтезированные в данной работе соединения не проявили выраженных противораковых свойств. Одной из причин низкой активности может быть наличие эфирных групп в фосфонатном структурном элементе.

1. Collins K.I., Stark G.R. Aspartate transcarbamylase. Interaction with the transition state analogue N-(phosphonacetyl)- L-aspartate. J. Biol. Chem. 1971;246(21):6599-6605. URL: http://www.jbc.org/content/246/21/6599

2. Ruiz-Ramos A., Velázquez-Campoy A., Grande- García A., Moreno-Morcillo M., Ramon-Maiques S. Structure and Functional Characterization of Human Aspartate Transcarbamoylase, the Target of the Anti-tumoral Drug PALA. J. Structure. 2016;24(7):1081-1094. https://doi.org/10.1016/j.str.2016.05.001

3. Horsman G.P., Zechel D.L. Phosphonate Biochemistry. Chem. Rev. 2016;117(8):5704-5783. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00536

4. Demkowicz S., Rachon J., Dasko M., Kozak W. Selected Organophosphorus Compounds with Biological Activity. Applications in Medicine. RSC Advances. 2016;6(12):7101-7112. https://doi.org/10.1039/C5RA25446A

5. Grem J.L., King S.A., O’Dwyer P.J., Leyland-Jones B. Biochemistry and clinical activity of N-(phosphonacetyl)-Laspartate: a review. Canser Research. 1988;48(16):4441-4454.

6. Peters G.J. Antipyrimidine effects of five different pyrimidine de novo synthesis inhibitors in three head and neck cancer cell lines. Nucleos. Nucleot. Nucleic Acids. 2018;37(6):329-339. https://doi.org/10.1080/15257770.2018.1460479

7. Lei Z., Wang B., Lu Zh., Wang N., Tan H., Zheng J., Jia Z. New regulatory mechanism-based inhibitors of aspartate transcarbamoylase for potential anticancer drug development. FEBS J. 2020;287(16):3579-3599. https://doi.org/10.1111/febs.15220

8. Cemre Manav M., Sofos N., Hove-Jensen B., Brodersen B.E. The Abc of Phosphonate Breakdown: A Mechanism for Bacterial Survival. BioEssays. 2018;40(11):1800091-1800102. https://doi.org/10.1002/bies.201800091

9. Coudray L., Kantrowitz E.R., Montchamp J.L. Submicromolar phosphinic inhibitors of Escherichia coli aspartate transcarbamoylase. Bioorganic Med. Chem. Lett. 2009;19(3):900-902. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2008.11.115

10. Trott O., Olson A. J. AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization, and multithreading. J. Comput. Chem. 2010;31(2):455-461. https://doi.org/10.1002/jcc.21334

11. Seweryn P., Van L.B., Kjeldgaard M., Russo C.J., Passmore L.A., Hove-Jensen B., Jochimsen B., Brodersen D.E. Structural insights into the bacterial carbon-phosphorus lyase machinery. Nature. 2015;525(7567):68-72. https://doi.org/10.1038/nature14683

12. Balint E., Tajti A., Keglevich G. Application of the Microwave Technique in Continuous Flow Processing of Organophosphorus Chemical Reactions. Materials. 2019;12(5):788-803. https://doi.org/10.3390/ma12050788

13. Grün A., Bаlint E., Keglevich G. Solid-Liquid Phase C-Alkylation of Active Methylene Containing Compounds under Microwave Conditions. Catalysts. 2015;5(2):634-652. https://doi.org/10.3390/catal5020634

14. Boppudi H.B., Gandavaram S.P., Chamarthi N.R., Mandava V.B. Synthesis of Phosphonates via Michaelis- Arbuzov Reaction. Curr. Org. Synth. 2017;14(6):883-903. https://doi.org/10.2174/1570179414666161230144455

15. Kalistratova A.V., Kovalenko L.V., Oshchepkov M.S., Gamisoniya A.M., Gerasimova T.S., Demidov Yu.A., Akimov M.G. Synthesis of new compounds in the series of aryl-substituted ureas with cytotoxic and antioxidant activity. Mendeleev Commun. 2020;30;2:153-156. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2020.03.007

16. Mao J.C., Otis E.R., von Esch A.M., Herrin T.R., Fairgrieve J.S., Shipkowitz N.L., Duff R.G. Structure-activity studies on phosphonoacetate. Antimicrob. Agents Chemother. 1985;27(2):197-202. https://doi.org/10.1128/AAC.27.2.197