Transition metal-based complexes as chemitherapeutic agents. Theoretical investigation of MoA, interaction with biological molecules and environmental conditions

Abstract

Molti metalli e, conseguentemente, molti complessi metallici svolgono ruoli importanti all’interno di sistemi biologici e biochimici. Oggigiorno, è risaputo che essi rappresentano ingredienti molto importanti per la vita altrettanto quanto i composti organici. Per esempio, i complessi di ferro svolgono un ruolo fondamentale nel trasporto di O2 nel sangue, i complessi di calcio sono alla base delle ossa, lo zinco è presente nell’ insulina che regola la quantità di zucchero nel nostro corpo. Questo è possibile perché i metalli possiedono particolari proprietà chimiche. Infatti, tendono facilmente a perdere elettroni, diventando specie elettron-deficienti più reattive nei confronti di diverse molecole biologiche e più solubili in soluzioni acquose. I metalli non solo sono elementi vitali in molti fenomeni biologici, ma possono anche essere sfruttati per il trattamento di diverse malattie. L'esempio più importante di questa categoria di composti è il complesso organometallico cisplatino [Pt(Cl)2(NH3)2], il chemioterapico più potente disponibile sul mercato. Scoperto nel 1969 da Rosenberg, esso svolge un ruolo chiave nell’ inibizione della divisione cellulare, causando la morte delle cellule tumorali. Dopo la scoperta della sua attività citotossica, l'applicazione di farmaci metallici nelle varie terapie ha registrato una crescita enorme e la continua ricerca dell'uso di metalli in medicina, in particolare per la cura del cancro, è diventata una disciplina, indicata come Medicinal Inorganic Chemistry. Dopo la scoperta del cisplatino, altri due farmaci antitumorali a base di platino, derivati del cisplatino, sono stati scoperti: carboplatino e ossaliplatino. Questi complessi esercitano la loro azione citotossica coordinando il DNA e bloccando la divisione cellulare. Tuttavia, anche se questi complessi, di formula generale [Pt(X)2(L)2], sono ancora tra i farmaci più frequentemente utilizzati, risultano essere tossici a causa della loro reattività e instabilità. In questi anni, per superare i problemi relativi all’uso di complessi di Pt(II), l’ attenzione è stata concentrata sullo sviluppo di nuovi complessi, generando due diverse categorie di farmaci antitumorali: i complessi di Pt(IV), considerati "profarmaci" e ottenuti per ossidazione dai complessi di Pt(II), e i "farmaci che non contengono platino", come i complessi di iridio, rodio, osmio o rutenio. Le caratteristiche di questi farmaci dovrebbero renderli più inerti, quindi più efficaci dei complessi di Pt(II), e provocare una differenziazione nel meccanismo di azione. Lo studio teorico dei sistemi biologici ha ormai raggiunto la maturità necessaria per fornire informazioni complementari rispetto a quelle ottenibili sperimentalmente nello studio di molte proprietà e fenomeni. Infatti, l’impressionante sviluppo sia delle metodologie teoriche, sia della tecnologia informatica ha consentito di fornire un importante supporto di studi teorici alle bioscienze. Inoltre, l’uso della teoria del funzionale della densità (DFT), che rappresenta un ottimo compromesso tra accuratezza e costi computazionali, è particolarmente adatto allo studio dei sistemi biologici come dimostrato dal fatto che negli ultimi anni sono stati completati con successo molti studi DFT e sono state affrontate questioni fondamentali nelle simulazioni biologiche. Scopo di questa tesi è lo studio teorico di farmaci antitumorali contenenti metalli, in particolare complessi di Pt(IV) e Ir(III), delle principali reazioni del farmaco che avvengono dal momento della sua iniezione o somministrazione orale al raggiungimento del suo bersaglio biologico e investigazione del meccanismo di azione che può essere sia quello classico, già proposto per il cisplatino e, quindi, associato all’accumulo cellulare e al legame con il DNA, sia un meccanismo di diversa natura. In alcuni casi, la teoria del funzionale della densità è stata utilizzata come approccio computazionale supportato da calcoli eseguiti a livello Coupled Cluster post Hartree-Fock nella sua versione CCSD(T).