Uncovering cell death induction mechanisms and anticancer properties of novel benzo[a]phenoxazine derivatives

Abstract

Prevê-se que o cancro venha a ser a principal causa de morte e o maior obstáculo para aumentar a esperança média de vida no século XXI. Embora a prevenção primária seja a forma mais eficaz de combater esta doença, o desenvolvimento de novas intervenções terapêuticas, como a descoberta de novos fármacos e alvos terapêuticos, é essencial para enfrentar situações em que a prevenção é uma opção limitada. No geral, o número de agentes anticancerígenos eficazes aprovados para uso em humanos ainda é muito limitado. Os derivados de benzo[a]fenoxazina têm atraído muita atenção principalmente devido às suas propriedades fluorescentes e atividades farmacológicas excecionais. Vários estudos demostram que estes compostos possuem um amplo espectro de atividades biológicas, mostrando potencial para aplicação como agentes anticancerígenos. No entanto, os mecanismos pelos quais eles exercem a sua atividade encontram-se pouco elucidados. Dada a necessidade da descoberta de novos agentes anticancerígenos eficazes, o presente trabalho teve como objetivo explorar a atividade biológica de derivados de benzo[a]fenoxazina previamente sintetizados (da nossa biblioteca) e de novos derivados, recém-sintetizados, descobrir os seus alvos intracelulares, avaliar os seus mecanismos de indução de morte celular e a sua potencial aplicação como agentes anticancerígenos. Novos derivados contendo funcionalização associadas com uma maior atividade biológica e grupos sulfonilo foram sintetizados. Os compostos que sintetizamos não foram mais ativos do que aqueles presentes na nossa biblioteca. No entanto, exibiram boas propriedades fotofísicas e padrões de marcação de fluorescência de alta resolução, demonstrando ser adequados para aplicação como sondas fluorescentes para marcação de estruturas celulares. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar as propriedades anticancerígenas dos compostos mais activos. Estes foram avaliados, usando a levedura Saccharomyces cerevisiae como modelo de célula eucariótica e linhas celulares humanas (não cancerígenas e linhas celulares de cancro). Usando esta abordagem, observamos que os compostos mais promissores mostraram atividade anticancerígena potente e seletiva, e que a permeabilização da membrana vacuolar/lisossomal foi o mecanismo associado com a sua atividade farmacológica. Globalmente, os nossos resultados contribuem para a caracterização dos alvos intracelulares e dos mecanismos de ação desta família de compostos. Identificamos quatro agentes promissores, tendo como principal alvo os lisossomas, organelos com um papel importante no cancro. Desta forma, estes compostos emergem como candidatos validos a serem explorados como novos agentes anticancerígenos, usando a permeabilização lisossomal como abordagem terapêutica no tratamento do cancro isoladamente ou em combinação com outros fármacos.

Cancer is expected to be the leading cause of death and the major barrier to increase life expectancy in the 21st century. Although primary prevention is the most effective way to combat cancer, the development of new therapeutic interventions, such as the discovery of new drugs and targets, is critical to address the situations where prevention is a limited option. Overall, the number of effective anticancer drugs approved for use in humans is still very limited. Benzo[a]phenoxazine derivatives have attracted much attention mainly due to their exceptional fluorescence optical properties and pharmacological activities. Several reports in the literature indicate that these compounds possess a broad spectrum of biological activities, showing potential for application as anticancer agents. Nevertheless, the mechanisms by which they exert their effects are often poorly understood. Considering the need to discover new effective anticancer agents, the present work aimed to explore the biological activity of previously synthesized benzo[a]phenoxazines (from our library) and newly synthesized derivatives, uncover their intracellular targets, evaluate their cell death induction mechanisms and investigate their potential application as anticancer agents. New derivatives containing functionalization previously associated with potential higher biologic activity and sulfonyl groups were synthesized. Although the new compounds were not more active than those present in our library, they exhibited good photophysical properties and high-resolution fluorescent cell labeling patterns, making them suitable to be used as fluorescent probes for labeling cellular structures. The ultimate goal of this work was to evaluate the anticancer properties of the most promising compounds. Therefore, the most active ones were further investigated using the yeast Saccharomyces cerevisiae as a eukaryotic cell model and human cell lines (noncancerous and cancer-derived). Using this approach, we found that the most promising compounds showed potent and selective anticancer activity and that permeabilization of the vacuolar/lysosomal membrane was the mechanism associated with their pharmacological activity. Overall, the results obtained contribute to the characterization of the intracellular targets and mechanisms of action of this family of compounds. Here, we identified four lead compounds as promising agents targeting lysosomes, which play an important role in cancer. These compounds are candidates to be further explored as novel lysosome-targeting agents for cancer treatment, where lysosome membrane permeabilization can be used as a new therapeutic approach in cancer treatment, alone or in combination with other compounds.