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NOVEL IONIC PHARMACEUTICAL SYSTEMS AS TARGETED THERAPY DRUGS FOR LUNG CANCER
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Orientador(es)
Resumo(s)
Cancer remains a leading cause of mortality worldwide, with lung cancer representing the deadliest form and accounting for approximately 18% of all cancer-related deaths. Histo-
logically, lung cancer is divided into small cell lung cancer (SCLC, ~15% of cases) and nonsmall cell lung cancer (NSCLC, ~85% of cases). Despite advances in chemotherapy and tar-
geted therapies, treatment efficacy remains limited due to challenges such as drug resistance, poor solubility, and low bioavailability.
Ionic liquids (ILs) as low-melting organic salts with tunable physicochemical proper-
ties, have attracted growing interest in pharmaceutical research. Particularly promising are
third-generation ILs, known as active pharmaceutical ingredient-ionic liquids (API-ILs), in
which the drug itself is incorporated into the ionic structure through pairing with a biocom-
patible counterion. This strategy enables modulation of solubility, stability, and pharmacoki-
netic behavior, offering a novel platform for anticancer drug development.
Methotrexate (MTX), a folate antagonist used in NSCLC therapy, is a Biopharmaceuti-
cal Classification System (BCS) class IV drug with poor solubility and permeability. Exploiting
its ionizable structure, twelve MTX-based salts were synthesized via a sustainable acid-base
neutralization and characterized by NMR, elemental analysis, and FTIR-ATR. These MTXsalts
exhibited enhanced water solubility and improved antiproliferative activity. Notably,
[C12mim]2[MTX], [C10mim]2[MTX] and [C10-3-Picoline]2[MTX]), displayed significant antipro-
liferative activity against A549 lung cancer cells with IC50 values of 0.55, 0.94, and 1.71 μM, respectively. Further studies revealed that these salts induced intrinsic (mitochondria-medi-
ated) apoptosis without increasing reactive oxygen species (ROS) levels. Importantly, [C10 3-
picoline]2[MTX] also showed strong activity across multiple cancer cell lines, including HCT116 (20.43 nM), A2780 (11.28 nM), and doxorubicin-resistant HCT116 (50.12 nM). Struc-
ture-activity relationship (SAR) analysis indicated that long alkyl chains (C10-C12) enhanced
antiproliferative effect, but only when coupled to an imidazole or picoline ring. Uptake studies suggested that internalization of the most active MTX-salts occurred predominantly via pas-
sive diffusion.
Erlotinib (ELB) and Afatinib (AFA), epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitors (TKIs) used in NSCLC, were also investigated as API-ILs. ELB, a first-gener-
ation reversible inhibitor, and AFA, a second-generation irreversible inhibitor are both BCS
class II drugs limited by acquired EGFR-mediated resistance. Four ELB- and four AFA-salts
were synthesized via acid-base neutralization and characterized by NMR, elemental analysis, FTIR-ATR, and thermogravimetric analysis (TGA). These salts exhibited improved water sol-
ubility and, in some cases, enhanced antiproliferative activity. Among ELB-salts, [ELB][C12SO3] achieved an IC50 of 7.54 μM in H1975 cells (1.6-fold improvement over erlotinib
hydrochloride) and an IC50 > 50 μM in human fibroblasts, yielding a selective index (SI) > 7. In
the H1650 cells, [ELB][C12SO3] overcame erlotinib resistance (IC50 = 2.12 μM, SI > 24) and mod-
estly increased apoptosis (~6%). SAR analysis confirmed that longer alkyl chains (C10–C12) en-
hanced activity.
For AFA-salts, [AFA][C1SO3] and [AFA][C12SO3] demonstrated IC50 values of 0.45 and
0.46 μM, respectively, in H1650 cells - representing a 2.8-fold improvement over AFA. These salts also demonstrated favorable SI values of 21 and 14. However, no significant increase in
apoptosis was detected, suggesting that the antiproliferative effect may occur via apoptosisindependent mechanisms or transient apoptotic events not captured by Annexin V/PI assays. Interestingly, both long alkyl chains and short alkyl chains (C1) enhanced activity in AFA-salts, likely due to improved solubility and bioavailability.
Overall, the formulation of anticancer drugs as API-ILs significantly improved solubil-
ity, selectivity, and antiproliferative activity. These findings highlight API-ILs as a promising and sustainable strategy for overcoming the pharmacokinetic and resistance limitations of conventional NSCLC therapies.
O cancro continua a ser uma das principais causas de mortalidade em todo o mundo, sendo o cancro do pulmão a forma mais letal, responsável por aproximadamente 18% de todas as mortes relacionadas com o cancro. Histologicamente, o cancro do pulmão é divido em cancro do pulmão de pequenas células (SCLC, ~15% dos casos) e cancro do pulmão de não pe- quenas células (NSCLC, ~85% dos casos). Apesar dos avanços na quimioterapia e nas terapias alvo, a eficácia dos tratamentos permanece limitada devido a desafios como resistência aos fármacos, baixa solubilidade e reduzida biodisponibilidade. Os líquidos iónicos (ILs) como sais orgânicos de baixo ponto de fusão com propriedades físico-químicas ajustáveis, têm atraído crescente interesse na investigação farmacêutica. Parti- cularmente promissores são os ILs de terceira geração, conhecidos como líquidos iónicos de ingrediente farmacêutico ativo (API-ILs), nos quais o próprio fármaco é incorporado na estru- tura iónica através da sua associação a um contra-ião biocompatível. Esta estratégia permite modular a solubilidade, estabilidade e comportamento farmacocinético, oferecendo uma pla- taforma inovadora para o desenvolvimento de fármacos anticancerígenos. O metotrexato (MTX), um antagonista do folato utilizado no tratamento do NSCLC, é classificado como um fármaco de classe IV do Sistema de Classificação Biofarmacêutica (BCS), devido à sua baixa solubilidade e permeabilidade. Aproveitando a sua estrutura ionizável, doze sais de MTX foram sintetizados através de neutralização ácido-base sustentável e caracterizados por RMN, análise elementar e FTIR-ATR. Estes sais de MTX exibiram maior solubi- lidade em água e atividade antiproliferativa reforçada. Em particular, [C12mim]2[MTX], [C10mim]2[MTX] e [C10 3-picolina]2[MTX] apresentaram atividade antiproliferativa significa- tiva contra células de cancro do pulmão A549, com valores de IC50 de 0,55; 0,94 e 1,71 μM, respetivamente. Estudos adicionais revelaram que estes sais induziram apoptose intrínseca (mediada pela mitocôndria) sem aumento dos níveis de espécies reativas de oxigénio (ROS). Importa destacar que [C10 3-picolina]2[MTX] também demonstrou forte atividade em várias outras linhas celulares cancerígenas, incluindo HCT116 (20,43 nM), A2780 (11,28 nM) e HCT116 resistente à doxorrubicina (50,12 nM). A análise da relação estrutura-atividade (SAR) indicou que cadeias alquilo longas (C10-C12) aumentaram o efeito antiproliferativo, mas apenas quando ligadas a um anel de imidazol ou picolina. Estudos de internalização sugeriram que a captação dos sais de MTX mais ativos ocorreu predominantemente por difusão passiva. O Erlotinib (ELB) e Afatinib (AFA), inibidores da tirosina-quinase do recetor do fator de crescimento epidérmico (EGFR-TKIs) utilizados no tratamento do NSCLC, também foram in- vestigados como API-ILs. O ELB é um inibidor reversível de primeira geração, enquanto o AFA é um inibidor irreversível de segunda geração; ambos são classificados como fármacos de classe II do BCS e apresentam limitações clínicas devido à resistência adquirida mediada pelo EGFR. Quatro sais de ELB e quatro sais de AFA foram sintetizados por neutralização ácido-base e caracterizados por RMN, análise elementar, FTIR-ATR e análise termogravimé- trica (TGA). Estes sais exibiram solubilidade melhorada em água e, em alguns casos, maior atividade antiproliferativa. Entre os sais de ELB, o [ELB][C12SO3] alcançou um IC50 de 7,54 μM em células H1975 (1,6 vezes mais ativo do que o erlotinib cloridrato) e IC50 > 50 μM em fi- broblastos humanos, resultando num índice de seletividade (SI) > 7. Em células H1650, [ELB][C12SO3] superou a resistência ao erlotinib (IC50 = 2,12 μM, SI > 24) e aumentou modesta- mente a apoptose (~6%). A análise SAR confirmou que as cadeias alquílicas longas (C10-C12) potenciaram o efeito antiproliferativo. Para os sais de AFA, [AFA][C1SO3] e [AFA][C12SO3] apresentaram valores de IC50 de 0,45 e 0,46 μM, respetivamente, em células H1650 – representando a uma melhoria de 2,8 em rela- ção ao afatinib. Estes sais apresentaram também valores promissores de seletividade: 21 e 14, respetivamente. Contudo, não foi observado um aumento significativa da apoptose, sugerindo que o efeito antiproliferativo pode ocorrer através de mecanismos independentes da apoptose ou por eventos apoptóticos transitórios não detetados pelo ensaio Annexin V/PI. Curiosa- mente, tanto cadeias alquilo longas como curtas (C1) aumentaram a atividade nos sais de AFA, provavelmente devido à maior solubilidade e consequente aumento da biodisponibilidade. Em geral, a formulação de fármacos anticancerígenos como API-Ils melhorou significa- tivamente a solubilidade, seletividade e atividade antiproliferativa. Estes resultados destacam os API-Ils como uma estratégia promissora e sustentável para superar limitações farmacoci- néticas e de resistência das terapias convencionais para NSCLC.
O cancro continua a ser uma das principais causas de mortalidade em todo o mundo, sendo o cancro do pulmão a forma mais letal, responsável por aproximadamente 18% de todas as mortes relacionadas com o cancro. Histologicamente, o cancro do pulmão é divido em cancro do pulmão de pequenas células (SCLC, ~15% dos casos) e cancro do pulmão de não pe- quenas células (NSCLC, ~85% dos casos). Apesar dos avanços na quimioterapia e nas terapias alvo, a eficácia dos tratamentos permanece limitada devido a desafios como resistência aos fármacos, baixa solubilidade e reduzida biodisponibilidade. Os líquidos iónicos (ILs) como sais orgânicos de baixo ponto de fusão com propriedades físico-químicas ajustáveis, têm atraído crescente interesse na investigação farmacêutica. Parti- cularmente promissores são os ILs de terceira geração, conhecidos como líquidos iónicos de ingrediente farmacêutico ativo (API-ILs), nos quais o próprio fármaco é incorporado na estru- tura iónica através da sua associação a um contra-ião biocompatível. Esta estratégia permite modular a solubilidade, estabilidade e comportamento farmacocinético, oferecendo uma pla- taforma inovadora para o desenvolvimento de fármacos anticancerígenos. O metotrexato (MTX), um antagonista do folato utilizado no tratamento do NSCLC, é classificado como um fármaco de classe IV do Sistema de Classificação Biofarmacêutica (BCS), devido à sua baixa solubilidade e permeabilidade. Aproveitando a sua estrutura ionizável, doze sais de MTX foram sintetizados através de neutralização ácido-base sustentável e caracterizados por RMN, análise elementar e FTIR-ATR. Estes sais de MTX exibiram maior solubi- lidade em água e atividade antiproliferativa reforçada. Em particular, [C12mim]2[MTX], [C10mim]2[MTX] e [C10 3-picolina]2[MTX] apresentaram atividade antiproliferativa significa- tiva contra células de cancro do pulmão A549, com valores de IC50 de 0,55; 0,94 e 1,71 μM, respetivamente. Estudos adicionais revelaram que estes sais induziram apoptose intrínseca (mediada pela mitocôndria) sem aumento dos níveis de espécies reativas de oxigénio (ROS). Importa destacar que [C10 3-picolina]2[MTX] também demonstrou forte atividade em várias outras linhas celulares cancerígenas, incluindo HCT116 (20,43 nM), A2780 (11,28 nM) e HCT116 resistente à doxorrubicina (50,12 nM). A análise da relação estrutura-atividade (SAR) indicou que cadeias alquilo longas (C10-C12) aumentaram o efeito antiproliferativo, mas apenas quando ligadas a um anel de imidazol ou picolina. Estudos de internalização sugeriram que a captação dos sais de MTX mais ativos ocorreu predominantemente por difusão passiva. O Erlotinib (ELB) e Afatinib (AFA), inibidores da tirosina-quinase do recetor do fator de crescimento epidérmico (EGFR-TKIs) utilizados no tratamento do NSCLC, também foram in- vestigados como API-ILs. O ELB é um inibidor reversível de primeira geração, enquanto o AFA é um inibidor irreversível de segunda geração; ambos são classificados como fármacos de classe II do BCS e apresentam limitações clínicas devido à resistência adquirida mediada pelo EGFR. Quatro sais de ELB e quatro sais de AFA foram sintetizados por neutralização ácido-base e caracterizados por RMN, análise elementar, FTIR-ATR e análise termogravimé- trica (TGA). Estes sais exibiram solubilidade melhorada em água e, em alguns casos, maior atividade antiproliferativa. Entre os sais de ELB, o [ELB][C12SO3] alcançou um IC50 de 7,54 μM em células H1975 (1,6 vezes mais ativo do que o erlotinib cloridrato) e IC50 > 50 μM em fi- broblastos humanos, resultando num índice de seletividade (SI) > 7. Em células H1650, [ELB][C12SO3] superou a resistência ao erlotinib (IC50 = 2,12 μM, SI > 24) e aumentou modesta- mente a apoptose (~6%). A análise SAR confirmou que as cadeias alquílicas longas (C10-C12) potenciaram o efeito antiproliferativo. Para os sais de AFA, [AFA][C1SO3] e [AFA][C12SO3] apresentaram valores de IC50 de 0,45 e 0,46 μM, respetivamente, em células H1650 – representando a uma melhoria de 2,8 em rela- ção ao afatinib. Estes sais apresentaram também valores promissores de seletividade: 21 e 14, respetivamente. Contudo, não foi observado um aumento significativa da apoptose, sugerindo que o efeito antiproliferativo pode ocorrer através de mecanismos independentes da apoptose ou por eventos apoptóticos transitórios não detetados pelo ensaio Annexin V/PI. Curiosa- mente, tanto cadeias alquilo longas como curtas (C1) aumentaram a atividade nos sais de AFA, provavelmente devido à maior solubilidade e consequente aumento da biodisponibilidade. Em geral, a formulação de fármacos anticancerígenos como API-Ils melhorou significa- tivamente a solubilidade, seletividade e atividade antiproliferativa. Estes resultados destacam os API-Ils como uma estratégia promissora e sustentável para superar limitações farmacoci- néticas e de resistência das terapias convencionais para NSCLC.
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Palavras-chave
Active Pharmaceutical Ingredients Ionic Liquids Lung Cancer Chemotherapy Targeted Therapy