4-Ipomeanol
 4-Ipomeanol
|
|
| namn | |
|---|---|
|
IUPAC namn
1-(furan-3-yl)-4-hydroxipentan-1-on
|
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChemSpider | |
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| C9H12O3 _ _ _ _ _ | |
| Molar massa | 168,192 g·mol -1 |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
4-Ipomeanol ( 4-IPO ) är ett pulmonellt pretoxin isolerat från sötpotatis infekterad med svampen Fusarium solani . En av 4-IPO- metaboliterna är giftig för lungor , lever och njurar hos människor och djur. Denna metabolit kan kovalent binda till proteiner och därigenom störa normala cellprocesser.
Den toxiska metaboliten, en enedial, bildas mestadels i bronkiolära exokrina celler ( klubbceller ) i lungorna hos gnagare . Nekros av bronkiolära celler är därför den primära skadliga effekten av toxinet, på grund av denna plats för metabolism. De sekundära patologiska effekterna är ödem , trängsel och blödning orsakade av förstörelsen av bronkiolära exokrina celler. Hos människor bildas metaboliten mestadels i levern och orsakar levertoxicitet .
Struktur och reaktivitet
4-Ipomeanol är en kemisk förening som tillhör familjen furaner . Den består av en furanring, som är substituerad vid det tredje kolet i furanringen med en pentanon innehållande en hydroxylgrupp . En furanring är en femledad aromatisk ring som består av en syreatom och fyra kolatomer; en pentanon är en keton som består av fem kolatomer. Andra 3-substituerade furaner är ipomeanin (IPN), 1-ipomeanol (1-IPO) och 1,4-ipomeanol (DIOL), som skiljer sig åt i hydroxylgruppernas placering. 4-IPO har tre funktionella grupper som bestämmer molekylens reaktivitet. Dessa är furanringen, ketongruppen och alkoholgruppen.
Reaktivitet hos furanringen
Furanringen är aromatisk enligt Hückels regel , så furanen gör föreningen relativt stabil. Därför kommer denna ring inte att reagera lätt med andra föreningar. Furan är heterocyklisk , vilket betyder att den är cyklisk, men en eller flera av ringatomerna är inte en kolatom. I fallet med furan är denna heteroatom en syreatom. Denna atom är sp2-hybridiserad och har ett ensamt par i en sp2- orbital och ett andra ensamt par i en p-orbital , överlappande med p-orbitaler i intilliggande kol . Detta resulterar i en pi- bindningsbildning.
Reaktivitet av keton
En ketongrupp är polär , eftersom syre är mer elektronegativt än kol. Därför är karbonylatomen i ketongruppen elektronbrist, alltså elektrofil , och kan lätt reagera med nukleofiler . Den genomgår dock inga substitutionsreaktioner , eftersom den bifogade molekylen är en för stark bas för att kunna elimineras. Som ett resultat av detta är irreversibla nukleofila additionsreaktioner möjliga: en nukleofil kan addera till karbonylkolet, men på grund av bristen på en bra lämnande grupp elimineras ingen bas. Denna mellanliggande molekyl tar upp en proton, så en hydroxylgrupp bildas. När det finns tillräckligt med syra kan hydroxylgruppen protoneras ytterligare , vilket gör den till en bra lämnande grupp . Denna funktionella grupp kommer då att reagera som en alkoholgrupp.
Som beskrivits ovan är den grundläggande reaktionsmekanismen för ketoner. På detta sätt kan ketoner genomgå flera organiska reaktioner och reagera med föreningar som grignardreagens, acetylid , cyanid och hydridjoner , aminer , vatten , alkoholer och peroxisyror .
Reaktivitet av alkohol
Alkoholgruppen är en starkt basisk lämnande grupp som inte kan genomgå nukleofila substitutionsreaktioner. Det blir dock en bättre lämnande grupp efter protonering , som omvandlar den lämnande gruppen från OH − till H 2 O. H 2 O är en svagare bas än OH − och kan därmed genomgå substitutionsreaktioner med svagt basiska nukleofiler. Denna reaktion sker efter en SN2- mekanism, eftersom 4-IPO är en sekundär alkohol.
Dehydrering av den pentanonsubstituerade alkoholgruppen är också möjlig, efter en El-reaktionsmekanism . Denna reaktion är syrakatalyserad och resulterar i förlust av en vattenmolekyl. Liksom med SN1-reaktionen krävs protonering av den lämnande gruppen först. Vatten elimineras sedan och lämnar efter sig en karbokatjon , vilket så småningom leder till alkenbildning . Vidare kan sekundära alkoholer genomgå oxidationsreaktioner . Detta resulterar i bildandet av en keton .
Syntes
4-IPO kan isoleras från sötpotatis infekterad med svampen Fusarium solani . Det kan emellertid också syntetiseras från den kommersiellt tillgängliga kemikalien dietyl-3,4-furandikarboxylat.
Partiell hydrolys av dietyl-3,4-furandikarboxylat (I) med en ekvimolär mängd NaOH resulterar i monoestern 4-(etoxikarbonyl)furan-3-karboxylsyra (II). Detta följs av dekarboxylering genom upphettning med ett kopparpulver, vilket gav etyl-3-furoat (III). Claisen-kondensationen används för att bilda etyl-3-furoylacetat (IV). Genom att reagera med propylenoxid bildas lakton (V) . Dekarboxylering uppnås genom att försiktigt värma lakton i närvaro av utspädd syra (VI).
Ämnesomsättning
Metabolisk aktivering av 4-IPO sker av ett av enzymerna i cytokrom P450 (CYP) superfamiljen. Oxidationen av furanringen leder till bildandet av en instabil epoxid (cyklisk ester med en treatomsring), så en alkylerande mellanprodukt, 4-IPO-enedial, bildas.
Hos gnagare är det CYP4B1 som aktiverar 4-IPO [1], ett enzym från CYP4-familjen, varav underfamiljen CYP4B är involverad i fettsyrametabolismen . CYP4B1 finns i höga halter i lungorna och dess affinitet för 4-IPO är större än för CYP-enzymer i leveren. Därför är den aktiverade formen av 4-IPO främst giftig för lungorna hos gnagare.
Men hos människor är reaktiviteten hos CYP4B1 annorlunda och den aktiverar inte 4-IPO. CYP-enzymerna CYP1A2 och CYP3A4 är aktiva i levern och liknar gnagaren CYP4B1. 4-IPO aktiveras således metabolt av CYP1A2 och CYP3A4 hos människor. Dessa två enzymer är båda en del av flera vägar involverade i läkemedelsmetabolismen . Eftersom båda CYP är huvudsakligen aktiva i levern, orsakar 4-IPO levertoxicitet hos människor.
Hos både gnagare och människor involverar fas I-metabolism biotransformation av 4-IPO till en epoxidmellanprodukt av CYP. Denna epoxid är instabil, så den bryts ned till en endial mellanprodukt. Enedial mellanprodukten är giftig, eftersom den kan binda till proteiner. Det kan dock avgiftas i fas II-metabolism , där enedialen kan konjugeras med antingen N-acetyllysin (NAL) eller N-acetylcystein (NAC). Detta resulterar i en NAL/NAC-IPO- addukt , som kan utsöndras. Vidare kan 4-IPO direkt genomgå fas II-metabolism genom att konjugera glukuronosyl till hydroxylgruppen i 4-IPO med uridin-5'-difosfo-glukuronosyltransferas (UGT), vilket bildar 4-IPO-glukuronid. Denna kan, liksom NAL/NAC-IPO-addukten, utsöndras. Den huvudsakliga vägen involverar emellertid den endiala mellanprodukten och NAL/NAC-IPO-addukten är huvudprodukten av biotransformation .
I motsats till dessa fynd från in vivo -studier finns flera andra vägar för biotransformation av 4-IPO in vitro .
Utöver oxidation av furanringen av 4-IPO, så att 4-IPO-enedialen bildas, kan hydroxylgruppen i 4-IPO oxideras. Oxidation av denna funktionella grupp leder till ketonbildning, så IPN bildas. IPN kan genomgå oxidation av furanringen av CYP, som 4-IPO. Efter denna bioaktiveringsreaktion kan produkten konjugeras till glutation (GSH) med glutation-S-transferas (GST). Dessutom kan 4-IPO reduceras och DIOL är produkten av denna biotransformation. Slutligen kan 4-IPO interagera med [[NADP + ]], vilket bildar en molekyl som innehåller 4-IPO och NADPH . Av dessa fyra beskrivna vägar är oxidationen till IPN och reduktionen till DIOL de viktigaste processerna.
Utöver skillnaden i möjliga metaboliska reaktioner 4-IPO kan genomgå, finns det också en skillnad i metaboliseringen av den reaktiva 4-IPO-enedialen. Denna förening kan metaboliseras av antingen UGT eller GSH. Metabolisering av UGT resulterar i NAL/NAC-IPO-addukter, medan flera produkter kan vara resultatet av GSH-metabolism. Interaktion av 4-IPO enedial med GSH leder både till en Michael-addukt och en dihydrohydroxifuran-addukt. Michael-addukten är produkten av en Michael-addition (1,4-addition av ett cystein), av cysteinet i GSH vid 4-positionen av enedialen. Denna Michael-addukt kan genomgå uttorkning och bildar, via en tricyklisk 2'- pyrrolinaddukt (14), en mono-GSH- pyrroladdukt (16). En annan reaktion som Michael-addukten kan genomgå är återigen uttorkning och konjugering med GSH. Via bildandet av efterföljande en imin , enamin och en iminiumjon , bildas en bis-GSH pyrroladdukt (18). En annan reaktion genom vilken Michael-addukten kan bilda en bis-GSH-pyrroladdukt (20), är först genom att genomgå eliminering av en ketongrupp, följt av återigen dehydrering i kombination med GSH-konjugering.
Dihydrohydroxifuranaddukten kan också genomgå dehydrering i kombination med GSH-konjugering på liknande sätt som Michael-addukten, vilket resulterar i en bis-GSH pyrroladdukt (19). Vidare kan dihydrohydroxifuranen dehydratisera och bilda en mono-GSH pyrroladdukt (17).
Farmakologisk användning
Fördelning av 4-IPO över vävnader visar samma mönster för intravenös , oral och intraperitoneal injektion och toppkoncentrationer uppnås en till två timmar efter administrering. Då kommer det mesta av 4-IPO att finnas i lungorna, följt av lever, njure och blod . Förutom att ha den högsta 4-IPO-koncentrationen, visar lungceller också den högsta nivån av kovalent bunden 4-IPO. Detta i motsats till tarmen, där den mest förekommande formen av 4-IPO är obunden. Efter fyra timmar visar 4-IPO-nivåer en platå som kvarstår i 24 timmar. 4-IPO-molekyler som fortfarande finns kvar vid den tiden är mestadels bundna till andra makromolekyler . IC50 bestämdes genom en automatiserad cellkulturtillväxtinhiberingsanalys som visar IC50 som sträcker sig från 2-8 mM, beroende på celltyp . IC50 bestämdes också av en annan grupp som fann ungefär detsamma.
Avgiftning misstänks ske främst via glukuronidering av 4-IPO. Av alla metaboliter som hittades i urin , den primära utsöndringsvägen, var 4-IPO glukuronid den vanligaste. Utsöndring av 4-IPO-glukuronid kan öka när råttor behandlades med fenobarbital , vilket ökar aktiviteten av y-aminosmörsyra (GABA).
Halveringstiden varierar från art till art. Hos möss är halveringstiden cirka 33 minuter efter intravenös injektion av 20 mg/kg 4-IPO. Detta är lägre hos råttor och hundar. Råttor behöver cirka sex minuter för att halvera 4-IPO-koncentrationen och hundar cirka tio minuter. Båda administrerades en intravenös enkeldos på 6 mg/kg.
Prekliniska prövningar
Flera in vitro- experiment utfördes för att utforska möjliga användningsområden för 4-IPO, vilket visade lovande resultat. Olika lung-, äggstockscancer- , bröst- och melanomcancercellinjer visade apoptos eller hämmade tumörtillväxt när de exponerades för höga nivåer av 4-IPO (100 ug/uL) . Dessa resultat kunde inte replikeras i konventionella cancerscreeningar, troligen på grund av det faktum att 4-IPO-metabolism är beroende av mycket specifika enzymer och miljöer som inte kunde replikeras med konventionella screeningar. Emellertid visade 4-IPO effekter när de exponerades för mänskliga lungcellinjer. Fyra cellinjer testades och två visade hämmad tumörtillväxt. Båda cellinjerna var icke-småcelligt lungkarcinom , medan de två cellinjerna utan effekter var småcelliga tumörer. Andra experiment visade att 4-IPO minskade tumörtillväxt i en mikroinkapslad tumöranalys vid en koncentration av 25 mg/ml. Vidare observerades kovalent bindning av 4-IPO-intermediärer i färska lungbiopsier .
Fas I-försök
På basis av denna kunskap genomfördes en fas I-studie för att studera effekterna av 4-IPO på människokroppen. 34 män och 10 kvinnor med icke-småcellig lungcancer testades. Försöket visade ingen signifikant hematologisk eller renal toxicitet men inte heller någon effekt på tumören. Mätningar med biopsier erhållna från patienterna visade en IC50 på 6 mM, vilket är cirka 75 gånger högre än de uppmätta plasmakoncentrationerna och sannolikt högre än den plasmakoncentration som kan uppnås in vivo .
Fas II-försök
En tidigare fas I och farmakologisk studie visade att hepatotoxicitet är dosbegränsande hos människor och inte lungtoxicitet. Baserat på dessa resultat genomfördes en fas II-studie för att testa effekterna av 4-IPO på patienter med avancerat mätbart hepatocellulärt karcinom. Nitton patienter behandlades med 1032 mg/m 2 4-IPO. En patient visade en kort minskning av metastaser i lungan, men resten visade inga signifikanta effekter. Som en konsekvens rekommenderar författarna att 4-IPO inte används för ytterligare tester.
Ytterligare användning vid cancerbehandling
Nyligen har 4-IPO använts i experiment där det spelar en roll i T-cellsterapi. Autologa T-celler kan förändras för att uttrycka tumörspecifika antigener . Dessa celler kommer sedan att binda till tumörer och inducera apoptos. Det finns biverkningar förknippade med denna typ av behandling och 4-IPO kan hjälpa till att kontrollera dessa biverkningar. En självmordsgen behövs för att inducera apoptos i T-celler när det behövs. CYP4B1 är inaktivt hos människor men med mindre förändringar i aminosyrasekvensen kan det aktiveras igen. Detta skulle resultera i T-cellsdöd när cellerna exponeras för 4-IPO, eftersom de metaboliserar 4-IPO effektivt. Icke-toxiska 4-IPO-analoger kan också hämma nikotin-härledd nitrosaminketon (NNK) metabolism. NNK är ett pre-carcinogen som aktiveras inuti lungan. Av de fyra testade analogerna (4-hydroxi-lfenyl-1-pentanon (HPP); 7-hydroxi-1-fenyl-1-oktanon (HPO); 4-hydroxi-1- (2-tienyl)-1-pentanon (HTP); 4-hydroxi-l-(3-pyridyl)-l-pentanon (HPYP)) HPP och HPO visade konkurrenskraftig och icke-kompetitiv hämning av NNK och det minskar tumörbildning hos möss.
Giftighet
4-IPO är ett specifikt dödligt giftigt ämne som huvudsakligen är inriktat på bronkiolära exokrina celler i de mindre bronkiolerna hos gnagare och nötkreaturslungor . Med en ökad dos är det också möjligt att påverka andra celler och organismers luftvägar . Kovalent bindning av 4-IPO till medlemmar av CYP-familjen (främst CYP4B1) leder så småningom till biotransformation av 4-IPO till en endial mellanprodukt, som kan binda till en mängd olika proteiner. Dessa bindande händelser är permanenta och ansvariga för 4-IPO-toxicitet. Detta kommer att resultera i cytotoxicitet och så småningom nekros av bronkiolära exokrina celler, medan cilierade bronkiolära celler och andra epiteliala lungceller inte påverkas på grund av lägre nivåer av cytokromproteiner. Nekrotiska fläckar, även kallade lesioner eller primära patologiska förändringar, kan utvecklas till ödem, vilket resulterar i förtjockning av alveolar septum , överbelastning och blödning (sekundära och tertiära patologiska förändringar). Dödligheten beror troligen på lungödem . Före döden visade hundarna också snabb och ytlig andning , medan ansträngd andning och utarmning av lymfocyter kan observeras hos råttor. LD50 - dosen varierar mellan olika arter. Hos honmöss räcker 21 mg/kg/dag med 4-IPO, medan 35 mg/kg/dag hos hanmöss var nödvändigt. 15 mg/kg 4-IPO intravenöst administrerat till råttor är dödligt och hos hundar är denna dos 12 mg/kg. Det är möjligt att öka LD50 med 2–4,5 gånger när individer behandlas med flera icke-toxiska doser i förväg.
Hos människor visar 4-IPO minimala effekter i lungan eftersom enzymerna som behövs för biotransformation av 4-IPO inte är närvarande. Istället påverkas levern, eftersom mänskliga leverceller innehåller enzymer för att biotransformera 4-IPO. Något liknande kan observeras hos hanmöss. Förutom effekterna som ses i lungorna har de också vissa enzymer i sin njure som kan omvandla 4-IPO till dess reaktiva mellanprodukt. Som ett resultat observeras njurtoxicitet. Honmöss och omogna hanmöss har inte dessa enzymer. Därför är de resistenta mot njurtoxicitet.
Effekter på djur
4-IPO har, i likhet med människor, en toxisk effekt på djur. Det är giftigt för boskap och många försöksdjur. Hankaniner, möss, råttor och hamstrar användes för att testa effekten av 4-IPO på. Hos alla fyra arterna var lungan ett stort mål. Hos hamstrar och möss upptäcktes ytterligare levernekros respektive njurnekros. 4-IPO kan också hota nyfödda kalvar . Om de utsätts för 4-IPO ökar det deras känslighet för bovint parainfluensavirus 3. Parainfluensa i sig har inga allvarliga hälsoeffekter men tillsammans med andra infektioner kan det leda till komplex enzootisk lunginflammation .