Synthesis of novel heterocyclic compounds based on rational design and evaluation of their antitumor and antiangiogenic potential in human endothelial and tumor cell lines with tyrosine kinase membrane receptors as targets

Abstract

The synthesis of novel 1-aryl-3-[3- or 4-(thieno[3,2-b]pyridin-7-ylthio)phenyl]ureas was performed and they were first studied as potential antiangiogenics using Vascular Endothelium Growth Factor Receptor-2 (VEGFR-2) tyrosine kinase enzymatic assays. The most promising inhibitors, 1-aryl-3-[3-(thieno[3,2-b]pyridin-7-ylthio)phenyl]ureas, were also studied as antiangiogenics in endothelial cells (HUVECs) and as antitumorals against breast cancer cell lines. These compounds with the arylurea moiety in the metaposition relative to the thioether, showed the lowest IC50 values in enzymatic assays (10– 206 nM), the most potent compounds being those bearing hydrophobic groups (Me, F, CF3, CF3 and Cl) in the terminal phenyl ring (IC50 10–28 nM). A convincing rationalization as type II VEGFR-2 inhibitors was achieved by molecular docking, based on the simultaneous presence of: (1) the thioether linker and (2) the arylurea moiety in the meta-position. For all the compounds prepared with this type of substitutions, significant inhibition of HUVECs proliferation, migration and tube formation were observed at low concentrations (1.0-2.5 µM). Total and phosphorylated (active) VEGFR- 2 were detected by Western blotting, being the receptor phosphorylation significantly inhibited by these compounds at the same concentrations. An increase of apoptosis was also observed using TUNEL assay. Altogether, these outcomes point to an important antiangiogenic effect of these compounds in HUVECs. The antiproliferative properties of the compounds bearing hydrophobic groups were evaluated against two human breast cancer cell lines: hormone-dependent MCF-7 (ER positive) and MDA-MB-231 (ER/PR/HER2 - triple negative), the latter resulting from one of the most aggressive breast carcinomas with poor prognosis. The tested compounds suppressed breast cancer cell viability, proliferation, migration and colony formation at low concentrations (0.5-2.5 µM), without showing cytotoxicity in non-neoplastic human breast epithelial cells (MCF-10A). At the same concentrations, they induced apoptosis in MDA-MB-231 but not in MCF-7, and inhibited PI3K/Akt and MAPK/Erk signaling pathways in both breast cancer cell lines as observed by Western blotting. The findings of this work reveal a dual antitumor and antiangiogenic activity that is of paramount importance to the development of novel therapeutic strategies against breast cancer, rendering these compounds a relevant breakthrough for cancer therapy.

Sintetizaram-se novas 1-aril-3-[3- ou 4- (tieno[3,2-b]piridin-7-iltio)fenil]ureias e foram inicialmente estudadas como potenciais antiangiogénicos, usando ensaios enzimáticos de tirosina quinase do "Vascular Endothelium Growth Factor Receptor-2" (VEGFR-2). Os inibidores mais promissores, 1-aril-3-[3-(tieno[3,2-b]piridin-7-iltio)fenil]ureias, foram também estudados como antiangiogénicos em células endoteliais (HUVECs) e como antitumorais em linhas celulares de cancro da mama. Estes compostos com o grupo arilureia em posição meta em relação ao tioéter, apresentaram os menores valores de IC50 nos ensaios enzimáticos (10-206 nM), sendo os compostos que possuem grupos hidrofóbicos (Me, F, CF3, CF3 e Cl) no anel fenilo terminal, os mais potentes (IC50 10-28 nM). A racionalização convincente como inibidores tipo II de VEGFR-2 foi obtida por “docking” molecular, com base na presença simultânea: (1) da ligação tioéter e (2) do grupo arilureia em posição meta. Para todos os compostos com este tipo de substituições, observou-se uma significativa inibição da proliferação, migração e formação de túbulos em HUVECs a baixas concentrações (1.0-2.5 µM). A forma total e fosforilada (ativa) do VEGFR-2 foram detetadas por Western blotting, sendo a fosforilação do recetor significativamente inibida por estes compostos nas mesmas concentrações. Um aumento da apoptose foi também observado, utilizando o ensaio de TUNEL. Em conjunto, estes resultados mostram que estes compostos têm um importante efeito antiangiogénico em HUVECs. As propriedades antiproliferativas dos compostos com grupos hidrofóbicos foram avaliadas em duas linhas celulares de cancro da mama: hormonodependente MCF-7 (ER positivo) e MDA-MB-231 (ER/PR/HER2 – triplo negativo), sendo a última resultante de um dos carcinomas da mama mais agressivo e de mau prognóstico. Os compostos testados suprimem a viabilidade celular, proliferação, migração e a formação de colónias a concentrações baixas (0.5-2.5 µM), sem citotoxicidade em células epiteliais humanas de mama (MCF-10A). Nas mesmas concentrações, estes compostos induziram apoptose em MDA-MB-231, mas não em MCF-7 e inibiram as vias de sinalização PI3K/Akt e MAPK/Erk em ambas as linhas celulares, conforme observado por Western blotting. Os resultados deste trabalho revelam uma dupla atividade antitumoral e antiangiogénica, que é de suma importância para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas para o cancro da mama, tornando estes compostos um avanço relevante para a terapia do cancro.