Synthesis, characterization, cytotoxic studies, and biosensor development of ferrocenecarboxylate complexes

Abstract

The application of ferrocene chemistry in biosensing and as potential anti-cancer drug is presented in this research work. A series of modified ferrocenes with a variety of groups were synthesized and their structures characterized by 1H and 13C NMR, IR, elemental analysis, electrochemical methods and molecular modeling methods. Three ferrocenes modified with hormones and Vitamin D2 (estrone-3-(ferrocenecarboxylate), estradiol-3-(ferrocenecarboxylate), and ergocalciferol-3-(ferrocenecarboxylate)) were designed to lead the drugs for the hormone dependent cancers. The cytotoxic activity of these complexes in colon cancer (HT29) and hormone dependent breast cancer (MCF-7) cell lines was investigated in vitro. Only estradiol-3-(ferrocenecarboxylate) showed good cytotoxic activity in both cell lines, exceeding those of ferrocenium and ferrocene. In MCF-7, estradiol-3-(ferrocenecarboxylate) exhibited remarkable IC50, in the low micromolar range. This may be attributed to the presence of the estradiol vector. Computational studies between alpha-estrogen receptor ligand binding domain site and estradiol-3-(ferrocenecarboxylate) revealed various hydrophobic interactions that might explain the cytotoxic activity of this ester. In order to investigate the role of the phenyl group and redox active pendant groups on ferrocene, we synthesized 4-fluorophenyl ferrocencarboxylate, 4-chlorophenyl ferrocencarboxylate, 4-bromophenyl ferrocencarboxylate, 4-iodophenyl ferrocencarboxylate and its analog replacing the halide with the redox active species pyrrol (4(1H-pyrrol-yl)phenyl ferrocenecarboxylate). Cytotoxic properties tested in MCF-7 breast cancer and MCF-10A healthy breast cell lines. Only 4-chlorophenyl ferrocencarboxylate and 4-bromophenyl ferrocencarboxylate displayed high cytotoxic activity on MCF-7 and low cytotoxic activity on healthy breast cells MCF-10A, providing a potential to be developed as drugs. The pyrrol substituent showed high cytotoxic activity on both cell lines and low potential as anti-cancer drug. However, 4(1H-pyrrol-yl)phenyl ferrocenecarboxylate has other applications, in particular as amperometric biosensor. A mixture of pyrrol, 4(1H-pyrrolyl)phenyl ferrocenecarboxylate and glucose oxidase were submitted to a steady potential forming a matrix of polymers. This matrix contains ferrocene as a mediator and enhances the electrochemical signal upon glucose detection rendering in a more sensitive biosensor.

La aplicación de la química de ferroceno en biosensores y como potencial droga anticáncer es presentada en este trabajo de investigación. Una serie de ferrocenos modificados con una variedad de grupos fueron sintetizados y su estructura caracterizada por 1H y 13C NMR, IR, análisis elemental, métodos electroquímicos y métodos de modelaje molecular. Se diseñaron tres ferrocenos modificados con hormonas y vitamina D2 (3-ferrocenocarboxilato de estradiol, 3- ferrocenocarboxilato de estrona y 3-ferrocenocarboxilato de ergocalciferol) para guiar la droga hacia el cáncer dependiente de hormonas. La actividad citotóxica de estos complejos en cáncer del colon (HT-29) y cáncer del seno dependiente de hormonas (MCF-7) fue investigada in-vitro. Sólo el ferrocenocarboxilato de estradiol mostró buena actividad citotóxica en ambas líneas celulares excediendo a ferroceno y ferrocenio. Para MCF-7, ferrocenocarboxilato de estradiol mostró un IC50 excepcional a concentraciones de magnitud micromolar. Esto puede ser atribuido a la presencia del vector de estradiol. Estudios computacionales entre el dominio de enlace del ligando en el receptor de estrógeno alfa y ferrocenocarboxilato de 3-estradiol revelaron varias interacciones hidrofóbicas que podrían explicar la actividad citotóxica de este éster. Para poder investigar el rol del grupo fenilo y la actividad redox del ferroceno, sintetizamos ferrocenocarboxilato de 4-fluorofenilo, ferrocenocarboxilato de 4-clorofenilo, ferrocenocarboxilato de 4-bromofenilo, ferrocenocarboxilato de 4-iodofenilo y un análogo reemplazandoel haluro por pirrol, la cual es una especie redox activa (ferrocenocarboxilato de 4(1H-pirrol-il)fenilo). Las propiedades citotóxicas fueron probadas en células del cáncer MCF-7 y en células normales (MCF-10A) de seno. Sólo ferrocenocarboxilato de 4-clorofenilo y ferrocenocarboxilato de 4-bromofenilo mostraron alta actividad citotóxica en MCF-7, y baja en MFC-10A proveyendo el potencial de ser desarrolladas como drogas. El sustituyente de pirrol mostró alta citotoxicidad en ambas líneas celulares y bajo potencial como droga anticáncer. Sin embargo, el ferrocenocarboxilato de 4(1H-pirrol-il)fenilo tiene otras aplicaciones, en particular como biosensor amperométrico. Una mezcla de pirrol, ferrocenocarboxilato de 4(1H-pirrolil)fenilo y glucosa oxidasa son sometidos a un potencial constante formando una matriz de polímeros. Esta matriz contiene ferroceno como mediador e incrementa la señal electroquímica para la detección de glucosa generando un biosensor más sensitivo.