Medicinal chemistry with fullerenes and fullerene derivatives

Abstract

The study of the biological applications of fullerenes has attracted increasing attention despite the low solubility of the carbon spheres in physiological media. The organic functionalisation of fullerenes has helped solubilisation by covalent attachment of hydrophilic appendages. Therefore, recently synthesised fullerene derivatives reach satisfactory concentrations in water. However, the tendency of the fullerenes to form clusters is enhanced in polar media, where better solubilisation can be achieved by means of multiple functionalisation or using micellar systems. Once homogeneously dissolved, the fullerenes and fullerene derivatives exhibit an interesting range of biological activities, especially promising in the field of photodynamic therapy, HIV, neuroprotection and apoptosis.

References

1. H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley, Nature, 1985, 318, 162.
2. W. Krätschmer, L. D. Lamb, K. Fostiropoulos and D. R. Huffman, Nature, 1990, 347, 354.
3. M. Prato, J. Mater. Chem., 1997, 7, 1097.
4. H. Tokuyama, S. Yamago, E. Nakamura, T. Shiraki and Y. Sugiura, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 7918.
5. S. H. Friedman, D. L. DeCamp, R. P. Sijbesma, G. Srdanov, F. Wudl and G. L. Kenyon, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 6506.
6. R. Sijbesma, G. Srdanov, F. Wudl, J. A. Castoro, C. Wilkins, S. H. Friedman, D. L. DeCamp and G. L. Kenyon, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 6510.
7. Comprehensive Medicinal Chemistry, ed. C. Hansch, P. G. Sammes and J. B. Taylor, Pergamon, Oxford, 1990, vol. 4.
8. A. W. Jensen, S. R. Wilson and D. I. Schuster, Bioorg. Med. Chem., 1996, 4, 767.
9. E. Nakamura, H. Tokuyama, S. Yamago, T. Shiraki and Y. Sugiura, Bull. Chem. Soc. Jpn., 1996, 69, 2143.
10. T. Andersson, K. Nilsson, M. Sundahl, G. Westman and O. Wennerström, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1992, 604.
11. T. Braun, Fullerene Sci. Technol., 1997, 5, 615.
12. J. L. Atwood, G. A. Koutsantonis and C. L. Raston, Nature, 1994, 368, 229.
13. S. Shinkai and A. Ikeda, Gazz. Chim. Ital., 1997, 127, 657.
14. Y. N. Yamakoshi, T. Yagami, K. Fukuhara, S. Sueyoshi and N. Miyata, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 517.
15. H. Hungerbühler, D. M. Guldi and K.-D. Asmus, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 3386.
16. R. V. Bensasson, E. Bienvenue, M. Dellinger, S. Leach and P. Seta, J. Phys. Chem., 1994, 98, 3492.
17. N. O. Mchedlov-Petrossyan, V. K. Klochkov and G. V. Andrievsky, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1997, 93, 4343.
18. S. A. Jenekhe and X. L. Chen, Science, 1998, 279, 1903.
19. R. M. Williams, W. Crielaard, K. J. Hellingwerf and J. W. Verhoeven, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas, 1996, 115, 72.
20. M. Hetzer, S. Bayerl, X. Camps, O. Vostrowsky, A. Hirsch and T. M. Bayerl, Adv. Mater., 1997, 9, 913.
21. W. A. Scrivens, J. M. Tour, K. E. Creek and L. Pirisi, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 4517.
22. L. Y. Chiang, J. B. Bhonsle, L. Wang, S. F. Shu, T. M. Chang and J. R. Hwu, Tetrahedron, 1996, 52, 4963.
23. Y. Tabata, Y. Murakami and Y. Ikada, Fullerene Sci. Technol., 1997, 5, 989.
24. T. Da Ros, M. Prato, F. Novello, M. Maggini and E. Banfi, J. Org. Chem., 1996, 61, 9070.
25. M. Brettreich and A. Hirsch, Tetrahedron Lett., 1998, 39, 2731.
26. D. M. Guldi, H. Hungerbülher and K.-D. Asmus, J. Phys. Chem., 1995, 99, 13 487.
27. D. M. Guldi, Res. Chem. Intermed., 1997, 23, 653.
28. J. Eastoe, E. Crooks, A. Beeby and R. Heenan, Chem. Phys. Lett., 1995, 245, 571.
29. D. M. Guldi, J. Phys. Chem. A, 1997, 101, 3895.
30. J. Eastoe, E. R. Crooks, A. Beeby and R. K. Heenan, Chem. Phys. Lett., 1995, 245, 571.
31. I. Lamparth and A. Hirsch, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 1727.
32. D. M. Guldi and K.-D. Asmus, Radiat. Phys. Chem., in the press.
33. T. Hamano, K. Okuda, T. Mashino, M. Hirobe, K. Arakane, A. Ryu, S. Mashiko and T. Nagano, Chem. Commun., 1997, 21.
34. Y.-Z. An, J. L. Anderson and Y. Rubin, J. Org. Chem., 1993, 58, 4799.
35. L. Isaacs and F. Diederich, Helv. Chim. Acta, 1993, 76, 2454.
36. S. Yamago, H. Tokuyama, E. Nakamura, M. Prato and F. Wudl, J. Org. Chem., 1993, 58, 4796.
37. M. Maggini, G. Scorrano, A. Bianco, C. Toniolo, R. P. Sijbesma, F. Wudl and M. Prato, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 305.
38. A. Skiebe and A. Hirsch, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 335.
39. N. Wang, J. Li, D. Zhu and T. H. Chan, Tetrahedron Lett., 1995, 36, 431.
40. l. Gan, D. Zhou, C. Luo, H. Tan, C. Huang, M. Lü, J. Pan and Y. Wu, J. Org. Chem., 1996, 61, 1954.
41. M. E. Vol'pin, E. M. Belavtseva, V. S. Romanova, A. I. Lapshin, L. I. Aref'eva and Z. N. Parnes, Mendeleev Commun., 1995, 129.
42. M. E. Vol'pin, Z. N. Parnes and V. S. Romanova, Russ. Chem. Bull., 1998, 47, 1021.
43. A. B. Holmes and G. R. Stephenson, Chem. Ind., 1994, 303.
44. A. Bianco, M. Maggini, G. Scorrano, C. Toniolo, G. Marconi, C. Villani and M. Prato, J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 4072.
45. A. Bianco, T. Bertolini, M. Crisma, G. Valle, C. Toniolo, M. Maggini, G. Scorrano and M. Prato, J. Peptide Res., 1997, 50, 159.
46. A. Bianco, V. Lucchini, M. Maggini, M. Prato, G. Scorrano and C. Toniolo, J. Peptide Sci., 1998, 4, 364.
47. F. Novello, M. Prato, T. Da Ros, M. De Amici, A. Bianco, C. Toniolo and M. Maggini, Chem. Commun., 1996, 903.
48. A. Yaron and F. Naidor, C. R. C. Crit. Rev. Biochem., 1993, 28, 31.
49. M. Prato and M. Maggini, Acc. Chem. Res., 1998, 31, 519.
50. S. Schergna, T. Da Ros, P. Linda, C. Ebert, L. Gardossi and M. Prato, Tetrahedron Lett., 1998, 39, 7791.
51. M. Prato, A. Bianco, M. Maggini, G. Scorrano, C. Toniolo and F. Wudl, J. Org. Chem., 1993, 58, 5578.
52. C. Toniolo and E. Benedetti, TIBS, 1991, 16, 350.
53. C. Toniolo, A. Bianco, M. Maggini, G. Scorrano, M. Prato, M. Marastoni, R. Tomatis, S. Spisani, G. Palù and E. D. Blair, J. Med. Chem., 1994, 37, 4558.
54. T. Redemann, C. Kempter, H.-G. Ihlenfeld, I. Lamparth, A. Skiebe, S. Meder, A. Hirsch, G. Boheim and G. Jung, Peptides, 1996, 747.
55. A. Kurz, C. Halliwell, J. Davis, A. Hill and G. Canters, Chem. Commun., 1998, 433.
56. B.-X. Chen, S. R. Wilson, M. Das, D. J. Coughlin and B. F. Erlanger, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1998, 95, 10809.
57. A. Bianco, F. Gasparrini, M. Maggini, D. Misiti, A. Polese, M. Prato, G. Scorrano, C. Toniolo and C. Villani, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 7550.
58. F. Moussa, S. Roux, M. Pressac, E. Génin, M. Hadchouel, F. Trivin, A. Rassat, R. Céolin and H. Szwarc, New J. Chem., 1998, 989.
59. F. Moussa, P. Chretien, P. Dubois, L. Chuniaud, M. Dessante, F. Trivin, P.-Y. Sizaret, V. Agafonov, R. Céolin, H. Szwarc, V. Greugny, C. Fabre and A. Rassat, Fullerene Sci. Technol., 1995, 3, 333.
60. F. Moussa, P. Chrétien, M. Pressac, F. Trivin, H. Szwarc and R. Céolin, Fullerene Sci. Technol., 1997, 5, 503.
61. F. Moussa, F. Trivin, R. Céolin, M. Hadchouel, P.-Y. Sizaret, V. Greugny, C. Fabre, A. Rassat and H. Szwarc, Fullerene Sci. Technol., 1996, 4, 21.
62. T. Tsuchiya, Y. N. Yamakoshi and N. Miyata, Biochem. Biophys. Res. Commun., 1995, 206, 885.
63. T. Tsuchiya, I. Oguri, Y. N. Yamakoshi and N. Miyata, FEBS Lett., 1996, 393, 139.
64. R. Bullard-Dillard, K. E. Creek, W. A. Scrivens and J. M. Tour, Bioorg. Chem., 1996, 24, 376.
65. S. Yamago, H. Tokuyama, E. Nakamura, K. Kikuchi, S. Kananishi, K. Sueki, H. Nakahara, S. Enomoto and F. Ambe, Chem. Biol., 1995, 2, 385.
66. P. Rajagopalan, F. Wudl, R. F. Schinazi and F. D. Boudinot, Antimicrob. Agents Chemother., 1996, 40, 2262.
67. T. H. Ueng, J. J. Kang, H. W. Wang, Y. W. Cheng and L. Y. Chiang, Toxicol. Lett., 1997, 93, 29.
68. C. S. Foote, Top. Curr. Chem., 1994, 169, 347.
69. K. Irie, Y. Nakamura, H. Ohigashi, H. Tokuyama, S. Yamago and E. Nakamura, Biosci. Biotechnol. Biochem., 1996, 60, 1359.
70. R. C. Richmond and U. J. Gibson, in Recent Advances in the Chemistry and Physics of Fullerenes and Related Materials, ed. K. M. Kadish and R. S. Ruoff, The Electrochemical Society Inc., Pennington, NJ, USA, 1995, p. 684.
71. See also: J. Kamat, T. Devasagayam, K. Priyadarsini, H. Mohan and J. Mittal, Chem.-Biol. Interact., 1998, 114, 145.
72. N. Higashi, T. Inoue and M. Niwa, Chem. Commun., 1997, 1507.
73. Y. N. Yamakoshi, T. Yagami, S. Sueyoshi and N. Miyata, J. Org. Chem., 1996, 61, 7236.
74. A. Boutorine, H. Tokuyama, M. Takasugi, H. Isobe, E. Nakamura and C. Hélène, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1994, 33, 2462.
75. Y.-Z. An, C.-H. B. Chen, J. L. Anderson, D. S. Sigman, C. S. Foote and Y. Rubin, Tetrahedron, 1996, 52, 5179.
76. F. Kasermann and C. Kempf, Antiviral Res., 1997, 34, 65.
77. R. F. Schinazi, R. P. Sijbesma, G. Srdanov, C. L. Hill and F. Wudl, Antimicrob. Agents Chemother., 1993, 37, 1707.
78. S. H. Friedman, P. S. Ganapathi, Y. Rubin and G. L. Kenyon, J. Med. Chem., 1998, 41, 2424.
79. R. F. Schinazi, C. Bellavia, R. Gonzalez, C. L. Hill and F. Wuld, in Recent Advances in the Chemistry and Physics of Fullerenes and Related Materials, ed. K. M. Kadish and R. S. Ruoff, The Electrochemical Society Inc., Pennington, NJ, 1995.
80. D. I. Schuster, S. R. Wilson and R. F. Schinazi, Bioorg. Med. Chem. Lett., 1996, 6, 1253.
81. R. Pellicciari, G. Costantino, M. Marinozzi and B. Natalini, Farmaco, 1998, 53, 255.
82. A. Hirsch, I. Lamparth and H. R. Karfunkel, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1994, 33, 437.
83. L. L. Dugan, D. M. Turetsky, C. Du, D. Lobner, M. Wheeler, C. R. Almli, C. K.-F. Shen, T.-Y. Luh, D. W. Choi and T.-S. Lin, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1997, 94, 9434.
84. K. Okuda, T. Mashino and M. Hirobe, Bioorg. Med. Chem. Lett., 1996, 6, 539.
85. S.-C. Hsu, C.-C. Wu, T.-Y. Luh, C.-K. Chou, S.-H. Han and M.-Z. Lai, Blood, 1998, 91, 2658.
86. Y. L. Huang, C. K. Shen, T. Y. Luh, H. C. Yang, K. C. Hwang and C. K. Chou, Eur. J. Biochem., 1998, 254, 38.
87. Y. L. Lai and L. Y. Chiang, J. Auton. Pharmacol., 1997, 17, 229.
88. S. C. Chueh, M. K. Lai, S. C. Chen, L. Y. Chiang and W. C. Chen, Transplant. Proc., 1997, 29, 1313.
89. L.-H. Lu, Y.-T. Lee, H.-W. Chen, L. Y. Chiang and H.-C. Huang, Br. J. Pharmacol., 1998, 123, 1097.
90. D. W. Cagle, T. P. Thrash, M. Alford, L. P. F. Chibante, G. J. Ehrhardt and L. J. Wilson, J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 8043.
91. A. M. Cassell, W. A. Scrivens and J. M. Tour, Angew. Chem., Int. Ed., 1998, 37, 1528.