Bioactivity of quinoxaline-1,4-dioxide derivatives in radioresistant tumour cells exposed to radiotherapy

Abstract

Quinoxaline-1,4-dioxide derivatives are synthetic heterocyclic compounds with multiple biological and pharmacological effects, including anticancer activity. Carcinogenesis is a complex process characterized by a multitude of cell mechanisms. However, the resistance and multidrug resistance of certain tumours to therapy remains a high priority research. Previous studies of our group with quinoxaline-1,4-dioxide (QNX) derivatives demonstrated a biotoxicity action in bacterial models and their capability to promote cell damage by the production of reactive oxygen species (ROS). In this study, we investigated the bioactivity of quinoxaline-1,4-dioxide (QNX), 2-methylquinoxaline-1,4-dioxide (2MQNX), 3-methyl-2-quinoxalinecarboxamide-1,4-dioxide (3M2QNXC), 2-amino-3-cyanoquinoxaline-1,4-dioxide (2A3CQNX) and 2-hidroxiphenazine-1,4-dioxide (2HF) in different animal cell lines to determine their cytotoxicity and potential radiation chemosensitizing action in radioresistante cell models submitted to Radiotherapy. In vitro cell cultures were used to evaluate the influence of quinoxaline-1,4-dioxide derivatives in viability, migration and proliferation of non-malignant (3T3-L1 and HMVEC-D) and malignant (B16-F10, MeWo, GL-261 and BC3H1) cell lines and their influence in metabolic activity, catalase activity, glutathione and 3-nitrotyrosine (3-NT) quantitation by HPLC in malignant melanocytes (B16-F10, MeWo) and brain tumour cells (GL-261 and BC3H1) submitted to radiotherapy treatments (total dose of 6 Gy) was evaluated. The viability IC50 concentrations for each quinoxaline-1,4-dioxide derivatives were calculated, and a concomitant reduction of migration and proliferation was observed mainly in malignant cell lines. QNX and 2MQNX decrease the tumour cell viability with higher IC50 when compared to 3M2QNCX, 2A3CQNX and 2HF. 2HF demonstrated the most pronounced cytotoxic effects in all cell lines tested with the lowest IC50 values. 2HF exhibited potent anti-viability, anti-migration and antiproliferative actions selectively in tumour cells. 2A3CQNX, 2HF, and 3M2QNXC decrease antioxidant cell defences, decreasing the quantification of GSH in the non-irradiated tumour cell lines. After irradiation, quinoxaline-1,4-dixides derivatives sensitize radiation action, decreasing catalase activity, GSH values and increasing 3-NT levels. In overall, quinoxaline-1,4-dioxide derivatives presented a cytotoxic effect on tested cell lines, with the decrease of cell viability, cell migration and cell proliferation. Quinoxaline-1,4-dioxides derivatives modulate the oxidative status in malignant melanocytes and brain tumour cell lines and exhibited a potential radiosensitizer in vitro action, decreasing antioxidant cell defences, specifically glutathione synthesis, modifying the intrinsic radioresistance of cell lines in study. Once more, 2HF produced unrecoverable cell damages in irradiated and non-irradiated human malignant melanocytes (MeWo) and glioma cell lines. Nevertheless, further molecular and in vivo studies are requesting to clarification of the cellular mechanism of action of these quinoxaline derivatives.

Los derivados de la quinoxalina-1,4-dióxido son compuestos heterocíclicos sintéticos con numerosos efectos biológicos, que incluyen aplicaciones anticancerígenas, antihistamínicas, antimicrobianas, antivirales, antifúngicas, antituberculosas y antiinflamatorias, entre otras. El proceso de carcinogénesis se caracteriza por la interacción de diferentes mecanismos biológicos, y la resistencia al tratamiento de ciertos tumores es una preocupación y una prioridad en la investigación. Estudios previos de nuestro grupo con derivados de quinoxalina-1,4-dióxido mostraron una acción de toxicidad en modelos microbianos y su capacidad para promover el daño celular mediante la producción de especies reactivas de oxígeno. Así, en este estudio proponemos investigar la bioactividad de la quinoxalina-1,4-dióxido (QNX), la 2-metilquinoxalina-1,4-dióxido (2MQNX), la 3-metil-2-quinoxalinecarboxamida-1,4-dióxido (3M2QNXC) , 2-amino-3-cianocinoxalina-1,4-dióxido (2A3CQNX) y 2-hidroxifenazina-1,4-dióxido (2HF) en modelos celulares in vitro de células normales y tumorales, para la descripción de la aplicación de nuevas moléculas con Potencial antitumoral en modelos resistentes a la terapia, y explora su efectividad como potenciales inductores de estrés oxidativo y moléculas de sensibilización radioactiva para uso en radioterapia. Líneas celulares in vitro de fibroblastos de ratón 3T3-L1 (ATCC® CL-173 ™), células endoteliales microvasculares dérmicas humanas (HMVEC-D), melanoma de ratón B16-F10 (ATCC CRL-6475 ™), melanoma maligno humano MeWo ATCC HTB-65 ™), células de glioma cerebral de rata (GL261) y células tumorales de ratón cerebral BC3H1de (ATCC CRL-1443 ™) se utilizaron para evaluar la influencia de los derivados de quinoxalina-1,4-dióxido en la viabilidad, migración y Proliferación, así como su influencia en la actividad metabólica, actividad de catalasa, cuantificación de glutatión y 3-nitrotirosina (3-NT) de melanoma y células tumorales cerebrales, después de los tratamientos de radioterapia (dosis total de 6 Gy). Los resultados demuestran una viabilidad reducida de todas las líneas celulares con análogos de quinoxalina-1,4-dioxidos analizados. Sin embargo, la IC50 de los compuestos QNX y 2MQNX mostró altas concentraciones en comparación con 3M2QNCX, 2A3CQNX y 2HF. A su vez, el compuesto 2HF presentó efectos citológicos más pronunciados en todas las líneas celulares analizadas con los valores más bajos de IC50, comparativamente con los otros compuestos que se están evaluando. 2HF redujo la motilidad tanto del melanoma como de las líneas celulares del tumor cerebral y demostró efectos antiproliferativos sobre el melanoma y las células tumorales malignas del cerebro, sin interferir con la actividad proliferativa de los fibroblastos y las células endoteliales. Los resultados obtenidos de la evaluación de la acción de estos compuestos en el estrés oxidativo celular también permitieron concluir que estos derivados de quinoxalina influyen en su modulación in vitro, debido a la alteración de los valores de glutatión total, con la reducción de la proporción GSH, la alteración de la actividad de la catalasa y Valores 3-NT. Los compuestos 2A3CQNX, 3M2QNXC y 2HF sensibilizan la acción de la radiación y reducen las defensas antioxidantes de las células tumorales, especialmente la síntesis de glutatión, modificando el rendimiento intrínseco de la radiorresistencia de las líneas celulares en el estudio. En total, todos los derivados de quinoxalina-1,4-dióxido estudiados afectaron la viabilidad celular, la modulación de la migración celular y / o mostraron un efecto antiproliferativo en la mayoría de las líneas celulares analizadas, con modulación del estrés oxidativo celular y la acción de radioensibilización en las líneas celulares en estudio. Sin embargo, más estudios centrados en los mecanismos moleculares de la acción intracelular y las vías biológicas de estos derivados de la quinoxalina son de suma importancia.

Os derivados de quinoxalina-1,4-dióxido son compostos heterocíclicos sintéticos con numerosos efectos biolóxicos abarcando aplicacións anticarcinoxénicas, antihistamínicas, antimicrobianas, antivirais, antifúnxicas, anti-tuberculose e antiinflamatorias, entre outras. O proceso de carcinoxénese caracterízase pola interacción de diferentes mecanismos biolóxicos, ea resistencia ao tratamento de certos tumores é unha preocupación e unha prioridade na investigación. Estudos anteriores do noso grupo con derivados de quinoxalina-1,4-dióxido mostraron unha acción de toxicidade en modelos microbianos e a súa capacidade para promover o dano celular pola produción de especies reactivas de osíxeno. Así, neste estudo nós propoñemos investigar a bioactividade de quinoxalina-1,4-dióxido (QNX), 2-metilquinoxalina-1,4-dióxido (2MQNX), 3-metil-2-quinoxalinecarboxamida-1,4-dióxido (3M2QNXC), 2-amino-3-cianoquinoxalina-1,4-dióxido (2A3CQNX) e 2-hidroxifenazina-1,4-dióxido (2HF) en modelos celulares in vitro de células normais e tumorais, para a descrición da aplicación de novas moléculas con potencial antitumoral en modelos resistentes à terapia, e explorar a súa eficacia como potenciais indutores de estrés oxidativo e moléculas de radiosensibilización para uso en radioterapia. Liñas celulares in vitro de fibroblastos de rato 3T3-L1 (ATCC ® CL-173 ™), células endoteliais microvasculares dérmicas humanas (HMVEC-D), B16-F10 melanoma de rato (ATCC CRL-6475 ™), MeWo melanoma maligno humano (ATCC HTB- 65 ™), células de glioma de ratiño (GL261) e células BC3H1de tumor cerebral de rato (ATCC CRL-1443 ™) foron utilizadas para avaliar a influencia dos derivados de quinoxalina-1,4-dióxido na viabilidade, migración e proliferación, así como a súa influencia na actividade metabólica, actividade da catalase, cuantificación de glutatión e 3-nitrotirosina (3-NT) de células tumorais de melanoma e cerebrais, despois de tratamentos de radioterapia (a dose total de 6 Gy). Os resultados demostran unha viabilidade reducida de todas as liñas celulares cos análogos de quinoxalina-1,4-dióxidos analizados. Con todo, as IC50 dos compostos QNX e 2MQNX mostraron concentracións altas en comparación con 3M2QNCX, 2A3CQNX e 2HF. A súa vez, o composto 2HF presentou efectos citolóxicos máis pronunciados en todas as liñas celulares analizadas cos valores IC50 máis baixos, comparativamente cos outros compostos sometidos a avaliación. O 2HF reduciu a motilidade tanto do melanoma como das liñas celulares do tumor cerebral e demostrou efectos antiproliferativos sobre o melanoma e células malignas de tumores cerebrais, non interferindo na actividade proliferativa de fibroblastos e das células endoteliais. Os resultados obtidos da avaliación da acción destes compostos no estrés oxidativo celular permitiron tamén concluír que estes derivados de quinoxalina inflúen na sua modulación in vitro, pola alteración dos valores do glutatión total, con reduccíon da ración de GSH, alteración da actividade da catalasa e dos valores 3-NT. Os compostos 2A3CQNX, 3M2QNXC e 2HF sensibilizan a acción de radiación e diminúen as defensas antioxidantes das células tumorais, especialmente da síntese do glutatión, modificando o rendemento intrínseco da radioresistencia das liñas celulares no estudo. En conxunto, todos os derivados de quinoxalina-1,4-dióxidos estudados afectaron a viabilidade celular, a modulación da migración celular e/ou exhibiron un efecto antiproliferativo na maioría das liñas celulares probadas, con modulation de estrés oxidativo celular e acción de radiosensibilización en as liñas celulares en estudo. Non obstante, máis estudos centrados nos mecanismos moleculares de acción intracelulares e vías biolóxicas para estes derivado de quinoxalina son de suma importancia.