DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-81294-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753588
تاريخ النشر: 2025-01-03
المؤلف: Mayada I. Shosha وآخرون
الموضوع الرئيسي: علاج السرطان وآلياته
نظرة عامة
تناقش هذه القسم تخليق وتقييم مشتق ثيازول جديد، تحديدًا 5-(1,3-dioxoisoindolin-2-yl)-7-(4-nitrophenyl)-2-thioxo-3,7-dihydro-2H-pyrano[2,3-d]thiazole-6-carbonitrile (المشار إليه باسم DIPTH)، لإمكاناته كعامل مضاد للسرطان. تم تأكيد هيكل المركب باستخدام تقنيات الطيف بما في ذلك UV وIR وNMR. تم تقييم التأثيرات المضادة للتكاثر لـ DIPTH في المختبر ضد خمسة خطوط خلايا سرطانية بشرية: HepG-2 (الكبد)، HCT-116 (القولون)، MCF-7 (الثدي)، HeLa (عنق الرحم)، وخط خلايا ليفية رئوية طبيعية (WI-38). ومن الجدير بالذكر أن DIPTH أظهر سمية خلوية كبيرة ضد خلايا HepG-2 وMCF-7.
شملت التحقيقات الإضافية تفاعل DIPTH مع DNA من الغدة الزعترية للعجل (CT-DNA) باستخدام قياسات امتصاص UV-Vis، والتي كشفت عن ميل قوي للارتباط عبر وضعية تداخلية. أكدت دراسات التوصيل الجزيئي هذه النتائج، مشيرة إلى أن DIPTH يرتبط بفعالية مع مركب DNA-Topo II، متفاعلًا بشكل خاص مع بقايا الأحماض الأمينية ASP479 وArg503. تشير النتائج إلى أن DIPTH يمتلك خصائص واعدة مضادة للسرطان، مدعومة بكل من السمية الخلوية في المختبر وتحليلات التوصيل الجزيئي، مما يبرز إمكاناته للتطبيقات العلاجية في علاج السرطان.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في الدراسة، مع التركيز على المواد والأجهزة والتقنيات التحليلية المستخدمة. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من موردين موثوقين مثل Sigma وAldrich وFluka وMerck، وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم تحديد نقطة انصهار المركبات باستخدام جهاز كهربائي حراري غير مصحح. تم إجراء التحليل العنصري في وحدة التحليل الدقيق بجامعة القاهرة، بينما تم إجراء طيف الأشعة تحت الحمراء (FTIR) على جهاز قياس الطيف Jasco FTIR-4100، الذي يغطي نطاق طيفي من 4000 إلى 400 cm$^{-1}$ بدقة 0.9 cm$^{-1}$. تم تسجيل طيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-Vis) باستخدام جهاز قياس الطيف Perkin-Elmer AA800، وتم الحصول على أطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) باستخدام جهاز JEOL-ECA 500 II NMR Spectrometer عند 500 MHz، باستخدام DMSO-d6 كمذيب وtetramethyl silane (TMS) كمرجع.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء قياس الطيف الكتلي باستخدام جهاز قياس الطيف الكتلي Shimadzu GCMS-QP 1000 EX عند 70 eV. تم إجراء دراسات التوصيل الجزيئي باستخدام برنامج Molecular Operating Environment (MOE)، مع بناء المركب وتحسينه عبر PerkinElmer ChemBio Draw وChemBio3D، على التوالي. تم تنفيذ محاكاة التوصيل باستخدام أدوات AutoDock، مع استخدام الهيكل ثلاثي الأبعاد بالأشعة السينية للبروتين 3QX3، جنبًا إلى جنب مع هياكل الكريستال المشترك للـ topoisomerase II البشري في مركب مع DNA وetoposide، بالإضافة إلى تكوين دوديكر DNA بيتا (1D12-DNA). تم تعيين محاكاة التوصيل ضمن شبكة محددة من 20 × 20 × 20 نقطة في الاتجاهات x وy وz.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. علاوة على ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام، كما هو موضح من خلال التمثيلات البيانية المقدمة.
بالإضافة إلى النتائج الرئيسية، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم بالنسبة للأدبيات الموجودة، مشيرين إلى كيف تدعم نتائجهم أو تتحدى النظريات السابقة. بشكل عام، تختتم القسم باقتراحات لوجهات بحث مستقبلية، تهدف إلى البناء على الرؤى المستفادة من هذه الدراسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير المركب المُصنّع 5-(1,3-dioxoisoindolin-2-yl)-7-(4-nitrophenyl)-2-thioxo-3,7-dihydro-2H-pyrano[2,3-d]thiazole-6-carbonitrile (DIPTH) من خلال التهجين الجزيئي، باستخدام طريقة تخليق خضراء في وعاء واحد. تم تأكيد هيكل المركب عبر تقنيات طيفية متنوعة، بما في ذلك FT-IR وNMR وقياس الطيف الكتلي. أشارت الحسابات الكيميائية الكمومية إلى أن DIPTH لديه فجوة طاقة HOMO-LUMO منخفضة ($\Delta E = 0.315 \, \text{eV}$)، مما يشير إلى استقرار عالي وتفاعل، مما قد يعزز إمكاناته كعامل بيولوجي. أظهر المركب نشاطًا قويًا مضادًا للتكاثر ضد خطوط خلايا السرطان، خصوصًا HepG-2 وMCF-7، مع قيم IC50 تبلغ 14.05 µg/mL و17.77 µg/mL، على التوالي، بينما أظهر سمية أقل بكثير تجاه خط الخلايا الطبيعية WI-38.
تم تقييم ميل DIPTH للارتباط بـ DNA من خلال قياس الطيف الإلكتروني، مما كشف عن تأثير هايبركروميك يدل على تفاعل DNA، مع ثابت ارتباط داخلي ($K_b$) قدره $2.48 \times 10^6 \, \text{M}^{-1}$. أظهرت دراسات التوصيل الجزيئي مزيدًا من التوضيح لتفاعلات المركب المواتية مع DNA وtopoisomerase II البشري، مما يشير إلى آلية عمل قد تشمل تعطيل بنية DNA ووقف نشاط topoisomerase. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن DIPTH هو مرشح واعد لمزيد من التطوير كعامل مضاد للسرطان، خصوصًا بسبب سميته الانتقائية تجاه خلايا السرطان وقدرته على الارتباط بفعالية مع DNA.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-81294-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753588
Publication Date: 2025-01-03
Author(s): Mayada I. Shosha et al.
Primary Topic: Cancer therapeutics and mechanisms
Overview
This section discusses the synthesis and evaluation of a novel thiazole derivative, specifically 5-(1,3-dioxoisoindolin-2-yl)-7-(4-nitrophenyl)-2-thioxo-3,7-dihydro-2H-pyrano[2,3-d]thiazole-6-carbonitrile (referred to as DIPTH), for its potential as an anticancer agent. The compound’s structure was confirmed using spectroscopic techniques including UV, IR, and NMR. The antiproliferative effects of DIPTH were assessed in vitro against five human cancer cell lines: HepG-2 (liver), HCT-116 (colorectal), MCF-7 (breast), HeLa (cervical), and a normal lung fibroblast cell line (WI-38). Notably, DIPTH demonstrated significant cytotoxicity against HepG-2 and MCF-7 cells.
Further investigations included the interaction of DIPTH with calf thymus DNA (CT-DNA) using UV-Vis absorption measurements, which revealed a strong binding affinity via an intercalative mode. Molecular docking studies corroborated these findings, indicating that DIPTH effectively binds to the DNA-Topo II complex, specifically interacting with amino acid residues ASP479 and Arg503. The results suggest that DIPTH possesses promising anticancer properties, supported by both in vitro cytotoxicity and molecular docking analyses, highlighting its potential for therapeutic applications in cancer treatment.
Methods
In this section, the methods employed in the study are detailed, focusing on the materials, apparatus, and analytical techniques utilized. All chemicals were sourced from reputable suppliers such as Sigma, Aldrich, Fluka, and Merck, and were used without further purification. The melting point of the compounds was determined using an uncorrected electrothermal apparatus. Elemental analysis was performed at the Microanalysis unit of Cairo University, while Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy was conducted on a Jasco FTIR-4100 spectrophotometer, covering a spectral range of 4000 to 400 cm$^{-1}$ with a resolution of 0.9 cm$^{-1}$. Ultraviolet-Visible (UV-Vis) spectra were recorded using a Perkin-Elmer AA800 spectrophotometer, and nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were obtained with a JEOL-ECA 500 II NMR Spectrometer at 500 MHz, utilizing DMSO-d6 as the solvent and tetramethyl silane (TMS) as the reference.
Additionally, mass spectrometry was performed using a Shimadzu GCMS-QP 1000 EX mass spectrometer at 70 eV. Molecular docking studies were conducted using the Molecular Operating Environment (MOE) software, with compound construction and optimization carried out via PerkinElmer ChemBio Draw and ChemBio3D, respectively. Docking simulations were executed using AutoDock tools, employing the three-dimensional X-ray structure of protein 3QX3, along with co-crystal structures of human topoisomerase II beta in complex with DNA and etoposide, as well as a beta DNA dodecamer conformation (1D12-DNA). The docking simulations were set within a defined grid of 20 × 20 × 20 points in the x, y, and z directions.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experiments conducted. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Furthermore, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system, as illustrated by the graphical representations provided.
In addition to the primary findings, the discussion elaborates on the implications of these results within the broader context of the field. The authors emphasize the relevance of their findings in relation to existing literature, noting how their results support or challenge previous theories. Overall, the section concludes with suggestions for future research directions, aiming to build upon the insights gained from this study.
Discussion
In this study, the synthesized compound 5-(1,3-dioxoisoindolin-2-yl)-7-(4-nitrophenyl)-2-thioxo-3,7-dihydro-2H-pyrano[2,3-d]thiazole-6-carbonitrile (DIPTH) was developed through molecular hybridization, utilizing a one-pot green synthesis method. The compound’s structure was confirmed via various spectroscopic techniques, including FT-IR, NMR, and mass spectrometry. Quantum chemical calculations indicated that DIPTH has a low HOMO-LUMO energy gap ($\Delta E = 0.315 \, \text{eV}$), suggesting high stability and reactivity, which may enhance its potential as a biological agent. The compound demonstrated strong antiproliferative activity against cancer cell lines, particularly HepG-2 and MCF-7, with IC50 values of 14.05 µg/mL and 17.77 µg/mL, respectively, while showing significantly lower toxicity towards the normal cell line WI-38.
The binding affinity of DIPTH to DNA was assessed through electronic absorption spectroscopy, revealing a hyperchromic effect indicative of DNA interaction, with an intrinsic binding constant ($K_b$) of $2.48 \times 10^6 \, \text{M}^{-1}$. Molecular docking studies further illustrated the compound’s favorable interactions with DNA and human topoisomerase II, suggesting a mechanism of action that may involve disruption of DNA structure and inhibition of topoisomerase activity. Overall, the findings indicate that DIPTH is a promising candidate for further development as an anticancer agent, particularly due to its selective toxicity towards cancer cells and its ability to bind effectively to DNA.