New ferrocene chemotherapeutic drugs and early detection of breast cancer using a nanostructured gold biosensor

Abstract

Three new ferrocene complexes were synthesized with 4-(1H-pyrrol-1-yl)phenol group appended to the cyclopentadienyl (Cp) rings. These are: 1,1’-4-(1H-pyrrol-1- yl)phenyl ferrocenedicarboxylate, (‘Fc-(CO2-Ph-4-Py)2’), 1,4-(1H-pyrrol-1-yl)phenyl, 1’- carboxyl ferrocenecarboxylate (‘Fc-(CO2-Ph-4-Py)CO2H’) and 4-(1H-pyrrol-1-yl)phenyl ferroceneacetylate (‘Fc-CH2CO2-Ph-4-Py’). The new species were full characterized by spectroscopic methods (FT-IR, 1HNMR, 13CNMR, and MS), and by electrochemistry. Additionally, the X-ray single crystal structure of Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 was resolved. The Fc- (CO2-Ph-4-Py)2 crystallizes in the orthorhombic space group Pbca with the Fe2+ cation positioned on an inversion center and the Cp rings adopted an anti conformation. Cyclic voltammetry experiments showed that Fc-CH2CO2-Ph-4-Py has a redox potential very similar to the Fc/Fc+ redox couple whereas Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 and Fc-(CO2-Ph-4- Py)CO2H have redox potentials of over 400 mV higher than Fc/Fc+ redox couple. The in vitro studies of Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 and Fc-(CO2-Ph-4-Py)CO2H revealed that the latter two compounds have moderate antiproliferative activity on MCF-7 breast cancer cell line with a IC50 values of 45.5(6) and 57(7) µM respectively. In contrast with Fc-CH2CO2-Ph-4-Py which displayed low anti-proliferative activity with an IC50 value of 103(6) µM. The genotoxic effects of the new synthesized ferrocenes were addressed with cytokinesis-block micronucleus assay (CBMN) and reactive oxygen species (ROS) induction assay. The Fc- (CO2-Ph-4-Py)2 showed with the higher genotoxic effects on the MCF-7 followed by Fc- (CO2-Ph-4-Py)CO2H, and Fc-CH2CO2-Ph-4-Py with the lower effects. There is a correlation between the IC50 values of the ferrocenes and the amount of micronucleus formation activity on binucleated cells and the reactive oxygen species (ROS) production on MCF-7 cell line. However, no correlation was found between the redox activity and the genotoxic effects. A nanostructured gold dsDNA biosensor for early detection of breast cancer was designed and fabricated. The nanostructured gold dsDNA biosensor is based on the detection of the binding event of the beta protein 1 (BP1) with dsDNA. A redox-active probe (methylene blue) was intercalated in dsDNA to monitor the electrochemical response of the binding event of BP1. A linear correlation of the electrochemical response by concentration of BP1 was obtained (R2 = 0.998) with a limit of detection of 1.2 nM. This nanostructured gold dsDNA sensor is shown to be sensitive, selective, stable, and reusable allowing for its potential clinical use.

Tres nuevos complejos de ferroceno fueron sintetizados utilizando 4-(1H-pyrrol-1- yl)fenol como grupo funcional enlazado a los anillos de ciclopentadieno (Cp). Estos nuevos compuestos son: 1,1’-4-(1H-pyrrol-1-yl)fenol ferrocenodicarboxylato, (‘Fc-(CO2-Ph-4- Py)2’), 1,4-(1H-pyrrol-1-yl)fenyl, 1’-carboxyl ferrocenocarboxylato (‘Fc-(CO2-Ph-4- Py)CO2H’) and 4-(1H-pyrrol-1-yl)fenyl ferrocenoacetylato (‘Fc-CH2CO2-Ph-4-Py’). Estas nuevas especies fueron caracterizadas por métodos espectroscópicos (FT-IR, 1HNMR, 13CNMR, and MS) y electroquímicos. Además la estructura cristalina de Fc-(CO2-Ph-4- Py)2 fue resuelta por medio de rayos X. Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 cristalizó en una celda ortorrómbica con grupo especial Pbca con los cations de Fe2+ posicionados en un punto de inversión y los anillos de Cp adoptando una conformación anti. Experimentos de voltametría cíclica demostraron que Fc-CH2CO2-Ph-4-Py posee un potencial redox similar al de Fc/Fc+ mientras que Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 y Fc-(CO2-Ph-4-Py)CO2H tienen potenciales redox mayores a 400 mV. Estudios in vitro de Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 y Fc-(CO2-Ph-4- Py)CO2H revelaron que estos compuestos poseen una actividad anti-proliferativa moderada en células de cáncer de seno, MCF-7, con un IC50 de 45.5(6) and 57(7) µM respectivamente. En cambio, Fc-CH2CO2-Ph-4-Py reflejó la menor actividad antiproliferativa con un IC50 de 103(6) µM. Los efectos genotóxicos de los tres compuestos también fueron estudiados mediante el ensayo de bloqueo de citoquinesis (cytokinesisblock micronucleus assay, CBMN) y el ensayo de inducción de especies reactivas de oxígeno (ROS). El compuesto Fc-(CO2-Ph-4-Py)2 reflejó los efectos genotóxicos más altos en células MCF-7 seguido por Fc-(CO2-Ph-4-Py)CO2H, y Fc-CH2CO2-Ph-4-Py con efectos menores. Encontramos una correlación entre los valores de IC50 y la cantidad de formación de micro núcleos y la producción de especies reactivas de oxígeno. Mientras que no se pudo establecer una relación entre el efecto genotóxico y la actividad redox de los compuestos. El problema de la detección temprana del cáncer de seno fue abordado mediante la elaboración de un biosensor basado en nanoestructuras de oro con DNA de doble hélice (dsDNA). El compuesto con actividad redox azul de metileno se utilizó como intercalador para monitorear la respuesta electroquímica del evento de enlace de la beta proteína 1 (BP1) con el dsDNA. Se obtuvo una relación lineal entre la respuesta del sensor con las concentraciones de BP1 con un factor de correlación de R2 = 0.998 y un límite de detección de 1.2 nM. Éste sensor nanoestructurado de oro demostró ser sensitivo, selectivo, estable y reusable teniendo así un potencial uso para la detección temprana del cáncer de seno a nivel clínico.