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64Cu-Labeled triphenylphosphonium and triphenylarsonium cations as highly tumor-selective imaging agents.

School of Health Sciences, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA.
Journal of Medicinal Chemistry (Impact Factor: 5.61). 10/2007; 50(21):5057-69. DOI: 10.1021/jm0704088
Source: PubMed

ABSTRACT This report presents synthesis and evaluation of the 64Cu-labeled triphenylphosphonium (TPP) cations as new radiotracers for imaging tumors by positron emission tomography. Biodistribution properties of 64Cu-L1, 64Cu-L2, 64Cu-L3, and 99mTc-Sestamibi were evaluated in athymic nude mice bearing U87MG human glioma xenografts. The most striking difference is that 64Cu-L1, 64Cu-L2, and 64Cu-L3 have much lower heart uptake (<0.6% ID/g) than 99mTc-Sestamibi ( approximately 18% ID/g) at >30 min p.i. Their tumor/heart ratios increase steadily from approximately 1 at 5 min p.i. to approximately 5 at 120 min p.i. The tumor/heart ratio of 64Cu-L3 is approximately 40 times better than that of 99mTc-Sestamibi at 120 min postinjection. Results from in vitro assays show that 64Cu-L1 is able to localize in tumor mitochondria. The tumor is clearly visualized in the tumor-bearing mice administered with 64Cu-L1 as 30 min postinjection. The 64Cu-labeled TPP/TPA cations are very selective radiotracers that are able to provide the information of mitochondrial bioenergetic function in tumors by monitoring mitochondrial potential in a noninvasive fashion.

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    ABSTRACT: La plupart des traitements anticancéreux induisent l'apoptose des cellules tumorales in vitro comme in vivo. Les agents anticancéreux classiques agissent au niveau de cibles primitives, principalement localisées au niveau nucléaire, et activent consécutivement les différentes voies apoptotiques conduisant au stade ultime à la mort des cellules. Cependant, la résistance à l'induction de l'apoptose par les agents chimiothérapeutiques classiques reste un problème crucial. De nouvelles approches ont été développées pour dépasser la résistance à l'apoptose. Parmi elles, le ciblage de la mitochondrie apparaît comme une stratégie prometteuse pour tuer les cellules cancéreuses résistantes. Ainsi, de nouvelles molécules ciblant la mitochondrie ont été identifiées. Parmi celles-ci, notre laboratoire s'est intéressé aux Lamellarines, alcaloïdes pyrroliques hexacycliques d'origine marine. Outre leur effet inhibiteur des topoisomérases-I nucléaires, elles agissent également sur les mitochondries des cellules cancéreuses. Mon travail a consisté 1) à évaluer l'avantage des Lamellarines dans le traitement de lignées de cellules cancéreuses résistantes, défaillantes dans les voies apoptotiques (cas des carcinomes pulmonaires non à petites cellules, NSCLC) et 2) à décrypter les voies apoptotiques déclenchées par les Lamellarines. Ainsi, 1) sur les cellules NSCLC hautement résistantes à l'apoptose induite par les chimiothérapies classiques, nous avons évalué deux agents anticancéreux potentiels de la famille des Lamellarines. La Lamellarine-D (Lam-D) et son dérivé de synthèse PM031379 agissent directement sur la mitochondrie, induisant l'activation de Bax, la libération mitochondriale de cytochrome-c et d'AIF, et l'activation de la caspase-3. Cependant, seul le PM031379 induit la mort cellulaire qui s'accompagne de la translocation nucléaire d'AIF. De plus, cet effet létal nécessite la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) d'origine exclusivement mitochondriale. Ces résultats ont permis de comprendre les mécanismes permettant de restaurer l'apoptose des cellules chimiorésistantes. 2) La seconde partie de ce travail a consisté à caractériser les voies apoptotiques déclenchées par la Lam-D en évaluant précisément le rôle du noyau et des mitochondries dans son effet pro-apoptotique. La Lam-D exerce une remarquable cytotoxicité envers un large panel de tumeurs. A des concentrations de l'ordre du micromolaire, elle provoque l'apoptose nucléaire dans les cellules leucémiques sans blocage du cycle cellulaire. Les signaux transmis par la Lam-D initient l'apoptose via la voie apoptotique intrinsèque mitochondriale, activant Bax et réduisant les taux des protéines anti-apoptotiques Bcl-2 et cIAP2, en association avec l'activation des caspases-9 et -3. Nos résultats ont également permis d'évincer l'implication de la voie apoptotique extrinsèque dans la mort cellulaire induite par la Lam-D. Par ailleurs, la Lam-D engendre une réponse aux dommages à l'ADN générés par son effet inhibiteur de topoisomérase-I, résultant en la phosphorylation de l'histone H2AXγ, l'expression de la protéine de réparation Rad51 et de p53. Grâce à diverses lignées de cellules cancéreuses, nous avons également démontré que les mécanismes apoptotiques induits par la Lam-D sont indépendants du statut p53 des cellules tumorales. De plus, des cellules dépourvues de noyau (cytoplastes) subissent aussi l'apoptose induite par la Lam-D. L'ensemble de ces résultats démontre que la Lam-D ne nécessite pas la signalisation nucléaire pour promouvoir la mort des cellules cancéreuses et que la mitochondrie est la cible primordiale responsable de son effet pro-apoptotique. Ainsi, la Lamellarine-D et ses dérivés de synthèses, de part leur mécanisme d'action original ciblant directement les mitochondries, sont capables d'induire l'apoptose de cellules tumorales y compris résistantes aux chimiothérapies classiques (NSCLC, mélanomes).
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    ABSTRACT: Cancer cells are characterized by self-sufficiency in the absence of growth signals, their ability to evade apoptosis, resistance to anti-growth signals, sustained angiogenesis, uncontrolled proliferation, and invasion and metastasis. Alterations in cellular bioenergetics are an emerging hallmark of cancer. The mitochondrion is the major organelle implicated in the cellular bioenergetic and biosynthetic changes accompanying cancer. These bioenergetic modifications contribute to the invasive, metastatic and adaptive properties typical in most tumors. Moreover, mitochondrial DNA mutations complement the bioenergetic changes in cancer. Several cancer management therapies have been proposed that target tumor cell metabolism and mitochondria. Glycolytic inhibitors serve as a classical example of cancer metabolism targeting agents. Several TCA cycle and OXPHOS inhibitors are being tested for their anticancer potential. Moreover, agents targeting the PDC/PDK (pyruvate dehydrogenase complex/pyruvate dehydrogenase kinase) interaction are being studied for reversal of Warburg effect. Targeting of the apoptotic regulatory machinery of mitochondria is another potential anticancer field in need of exploration. Additionally, oxidative phosphorylation uncouplers, potassium channel modulators, and mitochondrial redox are under investigation for their anticancer potential. To this end there is an increased demand for agents that specifically hit their target. Delocalized lipophilic cations have shown tremendous potential in delivering anticancer agents selectively to tumor cells. This review provides an overview of the potential anticancer agents that act by targeting cancer cell metabolism and mitochondria, and also brings us face to face with the emerging opportunities in cancer therapy.
    Advanced drug delivery reviews 09/2009; 61(14):1250-75. · 11.96 Impact Factor
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    ABSTRACT: The enhanced negative mitochondrial membrane potential of tumor cells can increase the cell accumulation of triphenylphosphonium (TPP) derivatives, which prompted us to investigate TPP-containing Re(I)/(99m)Tc organometallic compounds as probes for in vivo targeting of energized mitochondria. Novel compounds (Re1-Re4/Tc1-Tc4) were obtained with bifunctional chelators of the pyrazole-diamine (N,N,N-donors) and pyrazole-aminocarboxylic (N,N,O-donors) type, functionalized with TPP pharmacophores that have been introduced at the central amine of the chelators using different spacers. In this way, dicationic (Re1-Re2, Tc1-Tc2) and monocationic (Re3-Re4, Tc3-Tc4) complexes with variable lipophilicity were synthesized. The (99m)Tc complexes (Tc1-Tc4) are highly stable under physiological conditions and their chemical identification was done by HPLC comparison with the Re congeners (Re1-Re4), which were fully characterized by common analytical techniques (electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS), IR, multinuclear NMR). The in vitro biological evaluation of Tc1-Tc4 was performed in a panel of human tumor cell lines (PC-3, MCF-7 and H69), including cell lines overexpressing P-glycoprotein (MCF-7/MDR1 and H69/Lx4), and in isolated mitochondria. All the tested complexes showed a low to moderate cellular and mitochondrial uptake and did not undergo significant P-glycoprotein (Pgp)-mediated efflux processes. In particular, the dication Tc2 and the monocation Tc4 presented the highest cellular and mitochondrial uptake. Their cellular uptake was shown to depend on the mitochondrial (Δψm) and plasma membrane (Δψp) potentials. Altogether, the biological properties of these compounds suggest that they might be relevant for the design of radioactive metalloprobes for in vivo targeting of mitochondria.
    Journal of inorganic biochemistry 02/2013; 123C:34-45. · 3.25 Impact Factor