4-ipomeanol
| Nazwy | |
|---|---|
 4-ipomeanolu
|
|
|
nazwa IUPAC
1-(Furan-3-ylo)-4-hydroksypentan-1-on
|
|
| Identyfikatory | |
|
Model 3D ( JSmol )
|
|
| ChemSpider | |
|
Identyfikator klienta PubChem
|
|
| UNII | |
|
|
|
|
| Nieruchomości | |
| C9H12O3 _ _ _ _ _ | |
| Masa cząsteczkowa | 168,192 g·mol -1 |
|
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
|
|
4-ipomeanol ( 4-IPO ) jest pretoksyną płucną wyizolowaną ze słodkich ziemniaków zakażonych grzybem Fusarium solani . Jeden z metabolitów 4-IPO jest toksyczny dla płuc , wątroby i nerek u ludzi i zwierząt. Ten metabolit może kowalencyjnie wiązać się z białkami , zakłócając w ten sposób normalne procesy komórkowe.
Toksyczny metabolit, edial, powstaje głównie w komórkach zewnątrzwydzielniczych oskrzelików ( komórkach klubowych ) w płucach gryzoni . Martwica komórek oskrzelików jest zatem głównym szkodliwym działaniem toksyny, ze względu na to miejsce metabolizmu. Wtórnymi efektami patologicznymi są obrzęk , przekrwienie i krwotok spowodowane zniszczeniem zewnątrzwydzielniczych komórek oskrzelików. U ludzi metabolit powstaje głównie w wątrobie i powoduje uszkodzenie wątroby .
Struktura i reaktywność
4-Ipomeanol to związek chemiczny należący do rodziny furanów . Składa się z pierścienia furanowego, który jest podstawiony na trzecim węglu pierścienia furanowego pentanonem zawierającym grupę hydroksylową . Pierścień furanowy to pięcioczłonowy pierścień aromatyczny składający się z jednego atomu tlenu i czterech atomów węgla; pentanon to keton składający się z pięciu atomów węgla. Inne 3-podstawione furany to ipomeanina (IPN), 1-ipomeanol (1-IPO) i 1,4-ipomeanol (DIOL), różniące się położeniem grup hydroksylowych. 4-IPO ma trzy grupy funkcyjne które określają reaktywność cząsteczki. Są to pierścień furanowy, grupa ketonowa i grupa alkoholowa.
Reaktywność pierścienia furanowego
Pierścień furanu jest aromatyczny zgodnie z regułą Hückela , więc furan sprawia, że związek jest stosunkowo stabilny. Dlatego ten pierścień nie będzie łatwo reagował z innymi związkami. Furan jest heterocykliczny , co oznacza, że jest cykliczny, ale jeden lub więcej atomów pierścienia nie jest atomem węgla. W przypadku furanu tym heteroatomem jest atom tlenu. Atom ten jest zhybrydyzowany sp2 i ma jedną samotną parę na orbicie sp2 i drugą samotną parę na orbicie p , nakładając się na orbitale p sąsiednich atomów węgla . Powoduje to a wiązań pi .
Reaktywność ketonu
Grupa ketonowa jest polarna , ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel. Dlatego atom karbonylu grupy ketonowej ma niedobór elektronów, a zatem jest elektrofilowy i może łatwo reagować z nukleofilami . Jednak nie podlega reakcjom podstawienia , ponieważ dołączona cząsteczka jest zbyt mocną zasadą , aby można ją było wyeliminować. W wyniku tego możliwe są nieodwracalne reakcje addycji nukleofilowej: nukleofil może przyłączać się do węgla karbonylowego, ale z powodu braku dobrej grupy opuszczającej żadna zasada nie jest eliminowana. Ta cząsteczka pośrednia zajmuje proton, więc powstaje grupa hydroksylowa. Gdy występuje wystarczająca ilość kwasu, może istnieć grupa hydroksylowa protonowana , co czyni ją dobrą grupą opuszczającą . Ta grupa funkcyjna będzie wtedy reagować jak grupa alkoholowa.
Jak opisano powyżej, jest to podstawowy mechanizm reakcji ketonów. W ten sposób ketony mogą przechodzić kilka reakcji organicznych, reagując ze związkami, takimi jak odczynniki Grignarda, jony acetylenkowe , cyjankowe i wodorkowe , aminy , woda , alkohole i nadtlenokwasy .
Reaktywność alkoholu
Grupa alkoholowa jest silnie zasadową grupą opuszczającą, która nie może ulegać reakcjom podstawienia nukleofilowego. Jednak staje się lepszą grupą opuszczającą po protonowaniu , które przekształca grupę opuszczającą z OH − w H 2 O. H 2 O jest słabszą zasadą niż OH − i dlatego może ulegać reakcjom podstawienia ze słabo zasadowymi nukleofilami. Ta reakcja zachodzi zgodnie z SN2 , ponieważ 4-IPO jest drugorzędowym alkoholem.
odwodnienie grupy alkoholowej podstawionej pentanonem, zgodnie z mechanizmem reakcji E1 . Ta reakcja jest katalizowana kwasem i powoduje utratę cząsteczki wody. Podobnie jak w przypadku reakcji SN1 , najpierw wymagane jest protonowanie grupy opuszczającej. Woda jest następnie eliminowana, pozostawiając karbokation , co ostatecznie prowadzi do powstania alkenu . Ponadto drugorzędowe alkohole mogą ulegać reakcjom utleniania . Powoduje to powstanie ketonu .
Synteza
4-IPO można wyizolować ze słodkich ziemniaków zakażonych grzybem Fusarium solani . Jednak można go również zsyntetyzować z dostępnego w handlu chemicznego 3,4-furandikarboksylanu dietylu.
W wyniku częściowej hydrolizy 3,4-furanodikarboksylanu dietylu (I) równomolową ilością NaOH powstaje monoester kwasu 4-(etoksykarbonylo)furano-3-karboksylowego (II). Następnie przeprowadza się dekarboksylację przez ogrzewanie z proszkiem miedzi, w wyniku czego otrzymuje się 3-furoinian etylu (III). Kondensację Claisena stosuje się do wytworzenia 3-furoilooctanu etylu (IV). W reakcji z tlenkiem propylenu powstaje lakton (V). Dekarboksylację uzyskuje się przez delikatne ogrzewanie laktonu w obecności rozcieńczonego kwasu (VI).
Metabolizm
Metaboliczna aktywacja 4-IPO zachodzi przez jeden z enzymów nadrodziny cytochromu P450 (CYP). Utlenianie pierścienia furanowego prowadzi do powstania niestabilnego epoksydu (cyklicznego estru z trzyatomowym pierścieniem), w wyniku czego powstaje alkilujący związek pośredni, 4-IPO enedial.
U gryzoni to CYP4B1 aktywuje 4-IPO [1], enzym z rodziny CYP4, z której podrodzina CYP4B bierze udział w metabolizmie kwasów tłuszczowych . CYP4B1 występuje w dużych ilościach w płucach, a jego powinowactwo do 4-IPO jest większe niż do wątrobowych enzymów CYP. Dlatego aktywowana postać 4-IPO jest toksyczna głównie dla płuc u gryzoni.
Jednak u ludzi reaktywność CYP4B1 jest inna i nie aktywuje on 4-IPO. Enzymy CYP CYP1A2 i CYP3A4 są aktywne w wątrobie i są podobne do CYP4B1 gryzoni. 4-IPO jest więc metabolicznie aktywowany przez CYP1A2 i CYP3A4 u ludzi. Te dwa enzymy są częścią kilku szlaków zaangażowanych w metabolizm leków . Ponieważ oba CYP są aktywne głównie w wątrobie, 4-IPO powoduje hepatotoksyczność u ludzi.
Zarówno u gryzoni, jak i u ludzi metabolizm I fazy obejmuje biotransformację 4-IPO do pośredniego związku epoksydowego przez CYP. Ten epoksyd jest niestabilny, więc rozkłada się do półproduktu enedialu. Półprodukt enedialu jest toksyczny, ponieważ może wiązać się z białkami. Można go jednak odtruwać w fazie II metabolizmu , w której enedial można skoniugować z N-acetylolizyną (NAL) lub N-acetylocysteiną (NAC). Daje to addukt NAL/NAC-IPO , które można wydalić. Ponadto 4-IPO może bezpośrednio podlegać metabolizmowi fazy II, poprzez sprzęganie glukuronylu z grupą hydroksylową 4-IPO przez 5'-difosfo-glukuronylotransferazę urydyny (UGT), tworząc glukuronid 4-IPO. Może to, podobnie jak addukt NAL/NAC-IPO, zostać wydalone. Jednak główny szlak obejmuje enedialowy związek pośredni, a addukt NAL/NAC-IPO jest głównym produktem biotransformacji .
W przeciwieństwie do wyników badań in vivo , w warunkach in vitro znaleziono kilka innych szlaków biotransformacji 4-IPO .
Oprócz utlenienia pierścienia furanowego 4-IPO, tak że powstaje 4-IPO enedial, grupa hydroksylowa 4-IPO może zostać utleniona. Utlenianie tej grupy funkcyjnej prowadzi do powstania ketonu, w wyniku czego powstaje IPN. IPN może ulegać utlenianiu pierścienia furanowego przez CYP, jak 4-IPO. Po tej reakcji bioaktywacji produkt może być skoniugowany z glutationem (GSH) przez S-transferazę glutationową (GST). Ponadto 4-IPO można zredukować, a produktem tej biotransformacji jest DIOL. Wreszcie 4-IPO może oddziaływać z [[NADP + ]], tworząc cząsteczkę zawierającą 4-IPO i NADPH . Spośród tych czterech opisanych szlaków głównymi procesami są utlenianie do IPN i redukcja do DIOL.
Oprócz różnicy w możliwych reakcjach metabolicznych, którym może podlegać 4-IPO, istnieje również różnica w metabolizmie reaktywnego 4-IPO enedial. Związek ten może być metabolizowany przez UGT lub GSH. Metabolizm przez UGT skutkuje adduktami NAL/NAC-IPO, podczas gdy wiele produktów może być wynikiem metabolizmu GSH. Oddziaływanie 4-IPO enedialu z GSH prowadzi zarówno do adduktu Michaela, jak i adduktu dihydrohydroksyfuranu. Addukt Michaela jest produktem addycji Michaela (1,4-addycja cysteiny) cysteiny w GSH w pozycji 4 enedialu. Ten addukt Michaela może ulegać odwodnieniu i tworzy się poprzez tricykliczny 2'- piroliny (14), addukt pirolu mono-GSH (16). Inną reakcją, której może ulec addukt Michaela, jest ponowne odwodnienie i koniugacja z GSH. Poprzez utworzenie kolejno iminy , enaminy i jonu iminiowego powstaje addukt bis-GSH pirolu (18). Inną reakcją, w której addukt Michaela może utworzyć addukt bis-GSH-pirolu (20), jest najpierw eliminacja grupy ketonowej, a następnie ponowne odwodnienie w połączeniu z koniugacją GSH.
Addukt dihydrohydroksyfuranu może również ulegać dehydratacji w połączeniu z koniugacją GSH w podobny sposób jak addukt Michaela, w wyniku czego powstaje addukt bis-GSH pirolu (19). Ponadto dihydrohydroksyfuran może odwadniać się i tworzyć addukt pirolu mono-GSH (17).
Zastosowanie farmakologiczne
Dystrybucja 4-IPO w tkankach wykazuje takie same wzorce dla wstrzyknięć dożylnych , doustnych i dootrzewnowych , a szczytowe stężenia są osiągane po jednej do dwóch godzin po podaniu. Do tego czasu większość 4-IPO będzie zlokalizowana w płucach, następnie w wątrobie, nerkach i krwi . Oprócz najwyższego stężenia 4-IPO, komórki płuc wykazują również najwyższy poziom kowalencyjnie związanego 4-IPO. Kontrastuje to z jelitami, gdzie najczęściej występująca forma 4-IPO jest niezwiązana. Po czterech godzinach poziomy 4-IPO wykazują plateau, które utrzymuje się przez 24 godziny. Cząsteczki 4-IPO nadal obecne w tym czasie są w większości związane z innymi makrocząsteczkami . IC50 określono za pomocą zautomatyzowanego testu hamowania wzrostu hodowli komórkowej, który wykazał IC50 w zakresie od 2-8 mM, w zależności od typu komórek . IC50 zostało również określone przez inną grupę, która stwierdziła mniej więcej to samo.
detoksykacja zachodzi głównie poprzez glukuronidację 4-IPO. Spośród wszystkich metabolitów występujących w moczu , głównym szlaku wydalania, glukuronid 4-IPO występował w największej ilości. Wydalanie glukuronidu 4-IPO można zwiększyć, gdy szczurom podawano fenobarbital , który zwiększa aktywność kwasu γ-aminomasłowego (GABA).
Okres półtrwania różni się w zależności od gatunku . U myszy okres półtrwania wynosi około 33 minuty po dożylnym wstrzyknięciu 20 mg/kg 4-IPO. Jest to niższe u szczurów i psów. Szczury potrzebują około sześciu minut, aby zmniejszyć stężenie 4-IPO o połowę, a psy około dziesięciu minut. Obu podano pojedynczą dawkę dożylną 6 mg/kg.
Badania przedkliniczne
Przeprowadzono kilka eksperymentów in vitro w celu zbadania możliwych zastosowań 4-IPO, które wykazały obiecujące wyniki. Różne linie komórkowe raka płuc, jajnika , piersi i czerniaka wykazywały apoptozę lub hamował wzrost guza po ekspozycji na wysokie poziomy 4-IPO (100 ug/ul). Tych wyników nie można było powtórzyć w konwencjonalnych badaniach przesiewowych raka, prawdopodobnie ze względu na fakt, że metabolizm 4-IPO opiera się na bardzo specyficznych enzymach i środowiskach, których nie można było odtworzyć za pomocą konwencjonalnych badań przesiewowych. Jednak 4-IPO wykazało działanie po wystawieniu na działanie ludzkich linii komórkowych płuc. Przetestowano cztery linie komórkowe, a dwie wykazały zahamowanie wzrostu guza. Obie linie komórkowe były niedrobnokomórkowym rakiem płuca , podczas gdy dwie linie komórkowe bez efektów były guzami drobnokomórkowymi. Inne eksperymenty wykazały, że 4-IPO zmniejsza wzrost guza w teście mikrokapsułkowania guza w stężeniu 25 mg/ml. biopsjach płuc obserwowano wiązanie kowalencyjne związków pośrednich 4-IPO .
I faza próbna
Na podstawie tej wiedzy przeprowadzono I fazę badania wpływu 4-IPO na organizm ludzki. Przebadano 34 mężczyzn i 10 kobiet z niedrobnokomórkowym rakiem płuca. Badanie nie wykazało istotnej hematologicznej lub nerkowej , ale także żadnego wpływu na guz. Pomiary z biopsjami uzyskanymi od pacjentów wykazały IC50 wynoszące 6 mM, czyli około 75 razy wyższe niż zmierzone w osoczu i prawdopodobnie wyższe niż stężenie w osoczu możliwe do uzyskania in vivo .
Próba fazy II
Wcześniejsza faza I i badanie farmakologiczne wykazały, że hepatotoksyczność ogranicza dawkę u ludzi, a nie toksyczność dla płuc. Na podstawie tych wyników badanie fazy II w celu sprawdzenia wpływu 4-IPO na pacjentów z zaawansowanym mierzalnym rakiem wątrobowokomórkowym. Dziewiętnastu pacjentów leczono 1032 mg/m2 4 -IPO. Jeden pacjent wykazał krótkotrwałą redukcję przerzutów w płucach, ale reszta nie wykazała żadnych znaczących efektów. W konsekwencji autorzy zalecają, aby nie używać 4-IPO do dalszych badań.
Dalsze zastosowanie w leczeniu raka
Ostatnio 4-IPO był używany w eksperymentach, w których odgrywa rolę w terapii komórkami T. Autologiczne limfocyty T można zmienić tak, aby wyrażały antygeny specyficzne dla nowotworu . Komórki te będą następnie wiązać się z guzami i indukować apoptozę. Istnieją skutki uboczne związane z tego rodzaju leczeniem, a 4-IPO może pomóc w kontrolowaniu tych skutków ubocznych. Gen samobójczy jest potrzebny do wywołania apoptozy w komórkach T w razie potrzeby. CYP4B1 jest nieaktywny u ludzi, ale z niewielkimi zmianami w sekwencji aminokwasowej można go ponownie aktywować. Spowodowałoby to śmierć komórek T, gdy komórki są wystawione na działanie 4-IPO, ponieważ wydajnie metabolizują 4-IPO. Nietoksyczne analogi 4-IPO są również zdolne do hamowania ketonu nitrozoaminowego (NNK) pochodzącego z nikotyny. NNK jest prekarcynogenem, który jest aktywowany w płucach. Spośród czterech badanych analogów (4-hydroksy-1-fenylo-1-pentanon (HPP); 7-hydroksy-1-fenylo-1-oktanon (HPO); 4-hydroksy-1-(2-tienylo)-1-pentanon (HTP); 4-hydroksy-l-(3-pirydylo)-l-pentanon (HPYP)) HPP i HPO wykazały kompetycyjne i niekompetycyjne hamowanie NNK i zmniejszają powstawanie nowotworów u myszy.
Toksyczność
4-IPO jest specyficzną śmiertelną substancją toksyczną, która działa głównie na zewnątrzwydzielnicze komórki oskrzelików w mniejszych oskrzelikach płuc gryzoni i bydła . Przy zwiększonej dawce możliwe jest również oddziaływanie na inne komórki i drogi oddechowe organizmów. Kowalencyjne wiązanie 4-IPO z członkami rodziny CYP (głównie CYP4B1) ostatecznie prowadzi do biotransformacji 4-IPO do edialowego związku pośredniego, który jest zdolny do wiązania się z różnymi białkami. Te zdarzenia wiążące są trwałe i odpowiedzialne za toksyczność 4-IPO. Spowoduje to cytotoksyczność i ostatecznie martwica zewnątrzwydzielniczych komórek oskrzelików, podczas gdy komórki rzęskowe oskrzelików i inne komórki nabłonka płuc nie są dotknięte, ze względu na niższy poziom białek cytochromu. Plamy martwicze, zwane także zmianami lub pierwotnymi zmianami patologicznymi, mogą przekształcić się w obrzęk, powodując pogrubienie przegrody międzyzębowej , przekrwienie i krwotok (wtórne i trzeciorzędowe zmiany patologiczne). Śmiertelność jest prawdopodobnie spowodowana obrzękiem płuc . Przed śmiercią psy wykazywały również szybki i płytki oddech , podczas gdy u szczurów można zaobserwować ciężki oddech i zmniejszenie liczby limfocytów. Dawka LD50 różni się u różnych gatunków. U samic myszy wystarcza 21 mg/kg/dzień 4-IPO, podczas gdy u samców myszy konieczne było 35 mg/kg/dzień. Dawka 15 mg/kg 4-IPO podana dożylnie szczurom jest śmiertelna, au psów dawka ta wynosi 12 mg/kg. Możliwe jest zwiększenie LD50 o 2–4,5 razy, gdy osobniki są wcześniej leczone wieloma nietoksycznymi dawkami.
U ludzi 4-IPO wykazuje minimalny wpływ na płuca, ponieważ enzymy potrzebne do biotransformacji 4-IPO nie są obecne. Zamiast tego wpływa na wątrobę, ponieważ ludzkie komórki wątroby zawierają enzymy do biotransformacji 4-IPO. Coś podobnego można zaobserwować u samców myszy. Oprócz efektów obserwowanych w płucach mają również pewne enzymy w nerkach, które mogą przekształcić 4-IPO w jego reaktywny związek pośredni. W rezultacie obserwuje się nefrotoksyczność. Samice myszy i niedojrzałe samce myszy nie mają tych enzymów. Dzięki temu są odporne na nefrotoksyczność.
Wpływ na zwierzęta
4-IPO ma, podobnie jak ludzie, toksyczny wpływ na zwierzęta. Jest toksyczny dla gospodarskich i wielu zwierząt laboratoryjnych. Samce królików, myszy, szczurów i chomików wykorzystano do przetestowania wpływu 4-IPO na. U wszystkich czterech gatunków głównym celem były płuca. U chomików i myszy wykryto dodatkowo odpowiednio martwicę wątroby i martwicę nerek. 4-IPO może również zagrażać nowonarodzonym cielętom . Narażenie na 4-IPO zwiększa ich podatność na bydlęcy wirus paragrypy 3. Paragrypa sama w sobie nie ma poważnych skutków zdrowotnych, ale wraz z innymi infekcjami może prowadzić do złożonego enzootycznego zapalenia płuc .