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Modelización molecular de complejos de inclusión de
Ciclodextrinas con Acetazolamida
Cristina Ortega Miranda
DEPARTAMENTO DE FARMACIA Y TECNOLOGÍA FARMACÉUTICA
1
TRABAJO FIN DE GRADO
GRADO EN FARMACIA
MODELIZACIÓN MOLECULAR DE COMPLEJOS DE INCLUSIÓN DE CICLODEXTRINAS CON ACETAZOLAMIDA
CRISTINA ORTEGA MIRANDA
Sevilla, 6 Julio 2016. Facultad de Farmacia, Aula multimedia.
Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica.
Prof. Dr. José Ramón Moyano Méndez.
Trabajo experimental.
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Resumen Lasciclodextrinas(CDs)sonoligómeroscíclicosconstituidosporseis,siete,ochoomásunidadesde
α-D-glucopiranosa unidos por enlaces 1-4. Se obtienen por una reacción de degradación de la
enzimaciclodextrin-glucotransferasasobreelalmidón.TantolasCDsnaturalescomosusdiferentes
derivados poseen la capacidad de formar compuestos de inclusión con una amplia variedad de
especiesquímicas,modificandolaspropiedadesfisicoquímicasdelasmismasdeformaventajosa.
EstefenómenoconstituyelabasedemúltiplesaplicacionesenelcampodelaMedicina,Farmacia,
Química,Agricultura,AlimentaciónyMedioambiente,entreotras.
En la actualidad, en nuestro departamento se están estudiando diferentes aspectos de la
complejacióndeACZconCDs,conobjetodeaumentarsusolubilidadypermitirlaincorporaciónde
unamayorconcentracióndefármacoeneldesarrollodeunmedicamentosoluciónoftálmicapara
tratamiento del glaucoma. En este trabajo, intentaremos profundizar el conocimiento de las
interacciones entreACZ yuna seriedeCDs, en concretoβ-CDehidroxipropil β-CD (HP-b-CD) al
formarcomplejosde inclusiónatravésdemodelizaciónmolecular (insilico),medianteelusode
softwaredemodelizaciónmolecular.Paraello,seacudióalempleodemecánicamolecular(campo
defuerzaMM+enelvacío),complementándosecon laaplicacióndemétodossemiempíricosde
mecánicacuántica (ParametricModel3).Para lacorrecta realizacióndeesta técnicayasípoder
hallarelmínimoglobaldeenergía, fuenecesariopartirdeestructurasdemínimaenergíade los
monómeros(fármacosyCDs).Losresultadosobtenidossugierenlaformacióndecomplejosestables
yportantoviables,paraloscualesseobservóquelospuentesdehidrógenojugabanunpapelmuy
importante.Engeneral, losvaloresdediferencialdeenergíaHOMO-LUMOsehallaronenbuena
correlación con los valores de energía de complejación e interacción confirmando también la
estabilidaddeloscomplejos.
Palabrasclave:acetazolamida,ciclodextrina,complejodeinclusión,modelizaciónmolecular.
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Índice
1. Introducción y antecedentes…………………………………………………………..4 1.1. Historia y características de las ciclodextrinas………………………..4
1.2. Complejos de inclusión……………………………………………………………..8
1.3. Métodos de elaboración de complejos de inclusión……………….10
1.4. Aplicaciones de los complejos de inclusión…………………………...11
1.5. Modelización molecular………………………………………………………....14
2. Objetivos………………………………………………………………………………………..17
3. Metodología……………………………………………………………………………......18
4. Resultados……………………………………………………………………………………..21
5. Discusión…………………………………………………………………………………………24
6. Conclusiones………………………………………………………………………………….29
7. Bibliografía…………………………………………………………………………………….30
4
1. Introducción y antecedentes
1.1. Historia y características de las ciclodextrinas
Las ciclodextrinas (CDs) son un conjunto de sustancias obtenidas a partir de la degradación
enzimáticadelalmidón.LasCDspertenecenalafamiliademoléculascuyaestructurasecompone
de una cavidad hidrófoba dimensionalmente estable que puede atrapar o encapsular otras
moléculas. Las notables propiedades de encapsulación conducen a una relación de tipo
"hospedador-huésped"quesepuedenmodificary/omejorarlascaracterísticasfísicas,químicas,y
biológicasdelamoléculahuésped(Crini,2014).
La historia de las CDs se inició en Francia a finales del siglo XIX con la labor del farmacéutico y
químicoAntoineVillierssobrelaaccióndelasenzimasendiversoshidratosdecarbono;enparticular,
losestudiosqueutilizan lasprocedentesdelClostridiumbutyricum sobre lade féculadepatata.
Villiersdescribeque,bajociertascondiciones,elalmidóndepatatapuedefermentarparaproducir
principalmente dextrinas. En junio de 1891, Villiers describe la composición química de estos
hidratosdecarbonocristalinosypropusoelnombrede“celulosina”debidoalassimilitudesconla
celulosa(Crini,2014).
AprincipiosdelsiglopasadoenViena,elquímicoybacteriólogoaustríacoFranzSchärdinger,estudió
losmicroorganismosresistentesalcaloryteníacomoobjetivomejorarlacomprensióndelaquímica
yladegradacióndelalmidón.En1903,descubrióqueuntipodemicroorganismomuyresistenteal
caloreracapazdedisolverelalmidónyformarsubproductoscristalinos,distinguiendodostiposde
polisacáridos a los que llamó dextrina cristalina A y dextrina cristalina B. La forma B se parecía
celulosina de Villiers. Entre 1905 y 1911, Schärdinger da la primera descripción detallada de la
preparación,separaciónypurificacióndeestasdosprimeroscelulosinas(Crini,2014).
En1910,HansPringsheim,químicoybioquímicoalemán,aislóα-dextrinasyß-dextrinaspuras,y
describió suspropiedades fundamentales, confirmando las conclusionespreviamentepublicadas
porSchärdinger.Tambiénmostróquelasdosdextrinaseransolublesenagua,peroinsolublesen
alcohol,éterycloroformo,yéstasnosereducíanen lasolucióndeFehling.Además,Pringsheim
descubreelpodercomplejantedeestoscompuestosysucapacidadparaformarcompuestosde
inclusión(Crini,2014).
5
EstudiosposterioresrevelaronquelasCDsestánformadasporseis,siete,ochoomásunidadesde
α-D-glucopiranosaunidosporenlaces1-4,y seproducenporuna reaccióndedegradaciónde la
enzimaciclodextrin-glucotransferasasobreelalmidón(MartíndelValle,2004).
Por tanto, las CDs son oligómeros cíclicos que contienen varias unidades de glucosa unidas por
mediodeenlacesα(1−4)conformandounanillo.Poseenunextremoquecontienegruposhidroxilo
primarios,otroextremocongruposhidroxilossecundariosyenelinteriordelacavidadlosgrupos
CH y oxígenos glucosídicos. El extremo donde se sitúan los grupos hidroxilo primarios tiene un
diámetroreducidocomparadoalextremodondeseencuentranlosgruposhidroxilosecundarios.
EstosextremosdelaCDquecontienenlosgruposhidroxilosonpolares,mientrasquesuinteriores
relativamentenopolar.UnacualidadquecaracterizaalasCDseslaformatoroidalquedelimitauna
cavidad apolar, mientras que en el exterior el ambiente es hidrófilo, gracias a los hidroxilos
previamentedescritos(Jullian,2007)(Figuras1y2).
Figura1.Estructuraquímicaydimensionesaproximadasdelabeta-CD(MartínezyGómez,2007).
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Figura2.Estructurabeta-CD:ModelomoleculardeStuart(izquierda)yestructura(derecha)(Crini,2014).
Loshidroxilos secundarios -OH (3) son losmenos reactivos,pudiendo reaccionar selectivamente
cuando los -OH (2) y -OH (6) han sidobloqueadospreviamente. Como consecuenciadeque los
grupos hidroxilo libres están situados en el exterior de la superficie de los anillos, las CDs son
hidrófilasysolublesenaguaysusolubilidadeselresultadodelacapacidaddeinteraccióndedichos
gruposhidroxiloconelmedioacuoso,siendomayorparalaγ-CDylaα-CD.LasCDssonigualmente
solubles en disolventes apróticos fuertemente polares, como el dimetilsulfóxido y la
dimetilformamida. Las CDs son estables en disoluciones neutras y básicas, pero se degradan
lentamenteenpHácido.Enestadosólidosedescomponenporencimade200ºC(MartínezyGómez,
2007).
LosgruposhidroxilodelasCDssonreactivosypermitenmediantesíntesisquímicalaobtenciónde
derivadosmediantelaintroduccióndediferentessustituyentes,quealterandeformasignificativa
laspropiedadesdelasCDsdeorigen.(Cyclolab,2016;Szejtli,1998;Uekamaycols.,1998)(Figura3).
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Figura3.DerivadosmásusualesdelasCDs(Cyclolab,2016).
Entrelasmodificacionesmásventajosasestánlareduccióndetoxicidad,elaumentodesolubilidad
intrínseca,lamejoradelaselectividadenprocesodeseparaciónquímica/catálisis,laformaciónde
polímerosdeCDs,etc.
UnodelosderivadosmásutilizadossonlasCDshidroxipropilados,queposeenunaaltasolubilidad
y baja toxicidad con respecto a las CDs de origen, lo cual las hace un candidato ideal para la
vehiculizacióndeprincipiosactivosdebajasolubilidadensolucioneparenteralesyoftálmicas,entre
otras. Con diferentes grados de sustitución, destaca la hidroxipropil b-CD, una de las CDs que
formaránpartedeesteestudio.
Asimismo,losderivadossulfobutiléterymetiladosocupanunlugardestacadoencuantoasuusoy
potencialidades(StellaRajewsky,1994,Szejtli,1998).
8
1.2. Complejos de inclusión
Eltérmino"einschlussverbindurg"(compuestodeinclusión)fueintroducidoporSchlenken1950;
tambiénseconoceenlaliteraturaatravésdeotrasdenominaciones,talescomoaducto,clatrato,
compuestomolecularycomplejo(Szejtli,1998).
Loscomplejosdeinclusiónsonsistemasquepresentanlaestructuradeunclatrato,esdeciruna
moléculaquecontieneunsegundotipodemolécula.Elcompuestohuéspedsesitúaenlacavidad
del hospedador sin alterar su estructura de forma significativa pudiendo formar compuestos
cristalinosapartirdemoléculasencualquierestadodelamateria(Szejtli,2004).
EnmedioacuosolacavidaddelaCDsehallaocupadapormoléculasdeagua.Alserestadecarácter
apolarseproduceuna interaccióndesfavorable,por loquees fácilqueestasmoléculasdeagua
seansustituidaspormoléculashuéspedmenospolares, loqueda lugaralcomplejode inclusión
(Szejtli,2004).
LaformacióndepuentesdehidrógenopermitequelasCDpuedaninteraccionarentresí,pudiendo
darlugaradímeros,loquefavorecelauniónconmoléculashidrófobasdegrantamañocomolos
esterolesyesteroides(Loftssonycols.,2006).TambiénsepuededarlaunióndevariasCDdando
lugaraunsistemapolimérico(Wintgensycols.,2012).Laformacióndecomplejosdeinclusiónde
moléculas de fármaco con CDs suele ir acompañada de cambios favorables en las propiedades
fisicoquímicasdel fármaco, tales como la solubilidad, velocidaddedisolución, la estabilidady la
biodisponibilidad(AlAzzamycols.,2015)
Laestequiometríamáscomúndeloscomplejosdefármaco-CDes1:1,esdecir,unamoléculade
fármacoformauncomplejoconunamoléculadeCD.Laestequiometríadeloscomplejosenestado
purodependesolamentedelanaturalezadelasustanciaacomplejarydelasdimensionesdela
cavidadde laCDo sus sustituyentes.Así, no sólopodemosencontraren solución complejosde
estequiometría1:1,sinotambién1:2,2:1,ó2:2.Ensolución,elequilibriodeasociación-disociación,
así como la concentración del huésped y/o de CD, determina la relación forma libre/forma
complejadaparaelhuéspedylaCD(Loftssonycols.,2004).
LagranimportanciadelasCDsresideensucapacidaddeformarcomplejosdeinclusióndeforma
selectivaconotrasmoléculas,ioneseinclusoradicales,modificandodichauniónlaspropiedadesde
lasmoléculashuéspedyhospedadora(Dodziuk,2006).
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Los complejos de inclusión se forman cuando la molécula "invitada" está parcial o totalmente
incluida dentro de la "cavidad de acogida". Debido a la cavidad hidrofóbica, las CDs ofrecen al
huéspedunambienteadecuadoparalainteracción.LaesferaexteriordelasCDsescompatiblecon
elagua,loquepermitelauniónmediantepuentesdehidrógeno.Debidoaestacaracterística,las
CDsformancomplejosdeinclusiónconunaampliavariedaddecompuestoshidrófobosycambian
las propiedades fisicoquímicas y biológicas de las moléculas huésped. Estos cambios pueden
mejorarelpotencialterapéuticodelosfármacosporladisminucióndesudescomposiciónantesde
queentrenlostejidosymediantelaalteracióndelaformaenqueentraneneltejido.(Gidwaniy
Vyas,2015).
Puestoquelaformacióndecomplejosinfluiráenlaspropiedadesfisicoquímicasdelosmediosde
complejaciónacuosa,losmétodosquemonitorizanestoscambiosdelosmediossepuedenaplicar
para estudiar la formación de complejos. Por ejemplo, las mediciones de los cambios de
conductividad,determinacionesdedepresióndelpuntodecongelación,lasmedidasdeviscosidad
ytitulacionescalorimétricas.Sinembargo,sólounospocosdeestosmétodossepuedenaplicarpara
obtener informaciónestructuralde los complejosde fármaco /CD.Para clasificar los complejos
basándonosensuefectosobrelasolubilidaddelsustrato,seusanlosperfilesdesolubilidaddefase
(HiguchiyConnors,1965;Loftssonycols.,2002)(Figura4).
LosperfilesdesolubilidaddefasetipoAseobtienencuandolasolubilidaddelsustratoaumentacon
elaumentodelaconcentracióndeligando(esdecirCD).Cuandoelcomplejoesdeprimerorden
con respecto al ligando y primero o superior orden con respecto al sustrato, los perfiles de
solubilidaddefaseseobtienendetipo𝐴".Sielcomplejoesdeprimerordenconrespectoalsustrato
perodesegundoomásaltoordenconrespectoalligando,seobtienenperfilesdesolubilidadde
fasedetipo𝐴#.Losperfilesdesolubilidaddefasedetipo𝐴$puedenserdifícilesdeinterpretar.Los
perfilesdesolubilidaddefasedetipoBindicanlaformacióndecomplejosconsolubilidadlimitada
en elmedio de complejación acuosa. En general, los derivados de CD solubles en agua forman
perfiles de solubilidad de fase de tipo A, mientras que las CDs naturales menos solubles con
frecuenciaformanperfilesdetipoB.EnelprimerpuntodelacurvatipoBlasoluciónestásaturada,
loqueproduce la formacióndeunamesetaen lagráficaalañadirmásCD.El finalde lameseta
correspondeconunaprecipitacióndel complejodebidoa laadicióndeCDextra.Secreeque la
mayoríadeloscomplejosdefármaco/CDsoncomplejosdeinclusión,perotambiénseconocen
CDs para formar complejos de no inclusión y agregados de complejos capaces de disolver
medicamentosatravésdeestructurasdetipomicela.Losperfilesdesolubilidaddefasenoverifican
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la formación de complejos de inclusión, sólo describen cómo la creciente concentración de CD
influyenenlasolubilidaddelfármaco(Loftssonycols.,2002).
Figura 4. Diagrama de solubilidad de fases (Loftsson y cols., 2002)
1.3. Métodos de elaboración de complejos de inclusión
Losmétodos de elaboración de los complejos de inclusión recogidos en la bibliografía sonmuy
diversos.Sinembargo,éstospuedenseragrupadosendistintostipos,pudiendopresentarcadauno
deellosdiferentesvariantes.Acontinuaciónseexponen losmásusuales (Moyanoycols.,1994;
1995).
1.3.1. Preparacióndecomplejosenmediolíquido:
1.3.1.1. Preparaciónensolución:
- Coprecipitación:Lamezclasesometeaagitaciónatemperaturaconstantehastaalcanzarel
equilibrio.El complejoprecipitaen formadeunpolvomicrocristalino, se filtray se seca
(Moyanoycols.,1998).
- Neutralización:ConsisteenadicionaraunasoluciónácidaobásicadeCD,elprincipioactivo
enformadesal,seajustaelpHdelmedioalaneutralidadyelprecipitadoobtenidosefiltra
ysesometeasecado(Moyanoycols.,1998).
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- Atomización:Sebasaenprepararunasoluciónde laCDydelprincipioactivoenaguao
disolvente orgánico, se somete a agitación durante, tras la cual es introducida en un
atomizador(Spray-Dryer),dondeesnebulizadaenformadegotículasaaltatemperatura,
evaporándoseeldisolventeyrecogiéndoselaspartículasdesoluto.
- Liofilización:Seprocededelamismaformaqueenelmétodoanterior,peroenestecasola
soluciónseliofiliza,aislándoseelcompuestodeinclusión.
- Evaporación(co-evaporación):Consisteenprepararunasolución,generalmenteetanólica,
delaCDydelprincipioactivoenproporcionesmolaresenteras(1:1,1:23:4),sesometea
agitaciónysedejaevaporareldisolvente.
1.3.2. Preparacióndecomplejosenmediosólido:
- Amasado:seusaenfármacosdebajasolubilidad.LamezcladeprincipioactivoyCDjunto
con una solución acuosa o hidroalcohólica se amasa en un mortero y la masa
posteriormentesesecahastalaevaporacióncompletadellíquido.(Hirayamaycols.,1988).
- Trituración: Consiste en la trituración de la mezcla de CD y principio activo mediante
diferentestécnicas(molinovibracional,molinocerámico,mortero,etc.)(Muraycols.,2001).
- Fusión:Mediante fusión del principio activo, al que se adiciona la CD pulverizada. Tras
enfriamiento,elexcesoesretiradoporlavadoconundisolventequeposeabajatendencia
aincluirseenlacavidaddelaCD.
- Calentamientoencontenedorsellado:ConsisteenintroducirunamezclatrituradadeCDy
principio activo en un recipiente cerrado, se somete a agitación y calentamiento a una
temperaturaytiempodefinidos.
- Métododecompactación:SebasaensometerunamezclafísicadefármacoyCDalaacción
deunaprensahidráulica,dandolugaralaformacióndelcompuestodeinclusión.
1.4. Aplicaciones de los complejos de inclusión
EsconocidoyampliamentedescritoenlaliteraturaquelasCDsysusderivadostienenunaamplia
variedaddeaplicacionesprácticas:Farmacia,Medicina,Alimentación,Cosmética,Química,Catálisis,
Biotecnología, Industria textil,etc. La investigaciónsobreCDs tambiénesmuyactivaencampos
talescomolaformulacióndedetergentesyadhesivos,elsectorde losplásticosy la industriade
fibrasypapel.Lagranmayoríadeestasaplicacionesquímicasybiológicassebasanenlacapacidad
deformarcomplejosdeinclusión(Crini,2014).
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Loscamposdeaplicaciónsondiversos.DestacamoselempleodeCDs,aunqueasociadasasistemas
poliméricos, para la purificación de aguas. Existen importantes proyectos internacionales que
intentandesarrollarsistemasquepermitaneliminarsustanciascontaminantes(metalespesadosy
pesticidas)atravésdeCDsfuncionalizadasqueretendríanmoléculashidrofóbicaspresentesenel
medioacuoso(MartínezyGómez,2007).
Un importante porcentaje de CDs usadas comercialmente corresponde a la alimentación y a la
cosméticayaseopersonalcomo,porejemplo,laeliminacióndeoloresformadosenladegradación
microbianadelsudor,incorporándoseconestefinendesodorantesdebarra(MartínezyGómez,
2007).
Sinembargo,esindudablequeelmayoresfuerzoeninvestigaciónestárelacionadoconsupotencial
enelcampofarmacéutico(Tabla1).Lainmensamayoríadelosprincipiosactivossonpocosolubles
en agua y, consecuentemente, su velocidad de disolución y su absorción biológica es lenta y
frecuentementepocoeficaz.Lasolubilizacióndefármacospocosolublesmedianteelempleode
CDscontribuyedecisivamentealamejoradesubiodisponibilidad(Carrierycols.,2007;Uekamay
cols.,1998)(Figura5).
Figura5.EfectodelacomplejaciónconCDssobrelabiodisponibilidaddeAPItrasadministración
noparenteral(Uekamaycols.,1998).
2-Hydroxypropyl-!-cyclodext r in is usefu l in prevent -ing the crysta l growth of amorphous nifedipine,main ta in ing a rela t ively fine and uniform size ofcrysta ls even under adverse storage condit ions (60°C, 75% rela t ive humidity). The size of n ifedipinecrysta ls grown in polyvinylpyr ror idone mat r ix was>50 µm, whereas tha t in 2-hydroxypropyl-!-cyclo-dext r in mat r ix after dissocia t ion of the inclusioncomplex is ∼5 µm. Fur thermore, 2-hydroxypropyl-!-cyclodextr in can prevent the polymorphic transit ionof a metastable n ifedipine to a stable form. Themetastable form (form B, mp 163 °C) of n ifedipine ist ransien t ly formed at an ear ly stage of storage of it samorphous form, and the glassy form of nifedipineis obta ined by cooling melt s of the stable form (formA, mp 171 °C). 2-Hydroxypropyl-!-cyclodext r in sup-pressed the crysta lliza t ion of the glassy nifedipineand the polymer ic t ransit ion of form B to form A,indicat ing that form B could be prepared in high yield(75%) by heat ing in the amorphous 2-hydroxypropyl-!-cyclodext r in mat r ix. Such inhibit ions of crysta l-liza t ion and polymorphic t ransit ion are repor ted forchloramphenicol palmita te,108 spironolactone,109 met-ronidazole benzoate,110 and tolbutamide.111 The 2-hy-droxypropylated cyclodextrin complexes with spirono-lactone main ta ined an amorphous sta te for lengthyt ime periods (over 2 months at 75% rela t ive humidityand 60 °C). The whisker growth from tablet s andpowder of isosorbide 5-mononit ra te, an organic n i-t ra te vasodila tor , is reta rded by the complexa t ionwith !-cyclodext r in .112 Therefore, the cyclodext r incomplexa t ion is a lso usefu l for the stabiliza t ion ofdrugs in the solid sta te.
C. Absorption EnhancementThe ra te and exten t of bioava ilability of a poor ly
water-soluble drug from its cyclodextr in complex canbe opt imized by adjust ing var ious factors affect ingthe dissocia t ion equilibr ium of the complex both inthe formula t ion and in the biophase in which thecomplex is administered. Only a free form of thedrug, which is in equilibr ium with the complexed onein solu t ion , is capable of penet ra t ing lipophilic bar -r iers consist ing of either mucosa l epithelia or st ra t i-fied cell layers and eventua lly enter ing the systemiccirculat ion. In general, maximal absorption enhance-ment is obta ined when just enough cyclodext r in isused to solubilize a ll the drug in solu t ion . Fur theraddit ion of cyclodextr in to the drug solut ion decreasesthe free fract ion of the drug and, hence, reduces thedrug’s bioava ilability.Pract ica l formula t ions usua lly conta in a la rge
quant ity of pharmaceut ica l excipien ts, which maycompete with the drug for the cyclodext r in cavity.Such compet it ion may also occur with endogenoussubstances exist ing a t the absorpt ion site. Thedisplacement of the drug from the cyclodextr in cavityby exogenous and endogenous substances a t theabsorpt ion site is responsible for accelera t ion of thedrug absorpt ion .113 For instance, the overa ll processof drug absorpt ion from the solid complex in thepresence of the compet ing agent is shown in Figure5, where k d is the dissolu t ion ra te constan t , Kc is thestability constant of the complex of the drug with the
cyclodext r in , K i is the stability constan t of thecomplex of the competing agent with the cyclodextr in,and k a is the absorpt ion ra te constan t of the drug.High dissolu t ion ra tes and the rela t ive stability ofthe complexes (K i > Kc) favor a free drug which isreadily ava ilable for absorpt ion . By cont rast , a freecyclodext r in after the dissocia t ion of the complexremoves some components from the membrane sur -face, thereby modifying the t ranspor t proper t ies ofthe membranes and facilit a t ing the drug absorpt ion ,especia lly for water -soluble drugs.20 In th is sect ion ,recent findings on enhanced drug absorpt ion byhydrophilic cyclodext r ins administered via differen troutes are descr ibed.
1. Oral DeliveryThe commercia l viability of cyclodextr in-based oral
formula t ions has been established with the market -ing of more than 10 products.25 Hydrophilic cyclo-dext r ins are par t icu la r ly usefu l for improving sta -bility, solubility, dissolu t ion ra te, and wet tability ofdrugs through the formation of inclusion complexes.20The cyclodext r ins are supposed to act only as car r iermater ia ls and help to t ranspor t the drug through anaqueous medium to the lipophilic absorpt ion sur facein the gast roin test ina l t ract s. Therefore, such ap-plica t ions have been successfu l when the ra te-limit -ing step in drug absorpt ion is dissolu t ion of the drugit self and not absorpt ion across the gast roin test ina lt ract s. Recent studies have shown tha t mult icom-ponent complexa t ion of ketoconazole, an imidazoleant ifunga l agent , with !-cyclodext r in and acids issuper ior to a binary complex of the drug with !-cy-clodext r in in respect to ora l absorpt ion enhance-ment .114,115 Other studies have demonst ra ted tha t acombina t ion of R-cyclodext r in with cit r ic acid iseffect ive to prevent gel format ion of cefot iam hexet ilhydrochlor ide, an ora lly act ive ant ibacter ia l agent ,promoting the dissolut ion rate and improving the oralbioava ilability.116 The poten t ia l use of hydrophiliccyclodext r ins in developing the ra te- or t ime-con-t rolled ora l formula t ions will be discussed in deta ilin sect ion VI.A.Rapidly dissolving complexes of drugs with hydro-
philic cyclodext r ins are well su ited for sublingua l or
Figure 5. Schemat ic represen ta t ion of the systemicabsorpt ion of drug from its cyclodext r in complex throughbiologica l membranes in the presence of the compet ingagent .
Cyclodextrin Drug Carrier Systems Chemical Reviews, 1998, Vol. 98, No. 5 2055
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Otrosprincipiosactivossonsensiblesalaoxidaciónohidrólisisypuedendescomponerseporlaluz
yelcalor.MuchasdeestasmoléculassoncapacesdeformarfácilmentecomplejosconlasCDs,por
loquelamayoríadesuslimitacionesdeusopuedenquedarsolventadasmediantedichaasociación
(Martínez y Gómez, 2007). De forma general, la situación demáxima absorción del fármaco se
alcanzacon lamínimacantidaddeCDqueescapazdesolubilizartodoel fármacoendisolución,
mientrasquelaadicióndemayorcantidaddeCDdisminuyelacantidaddefármacolibreyportanto
desubiodisponibilidad(Uekamaycols.,1998).
Tabla 1. Ejemplos de medicamentos comercializados que contienen CDs (Loftsson y cols., 2005).
Thorsteinn Loftsson Cyclodextrins
of the drug substance although various opinion have been given and interpretation related to this point can be division and product-specific. Table III. Examples of marketed products containing cyclodextrin. Drug Administration route Trade name Market α-Cyclodextrin
Alprostadil (PGE1) IV Prostavastin Europe, Japan, USA Cefotiam hexetil HCl Oral Pansporin T Japan
β-Cyclodextrin Benexate HCl Oral Ulgut, Lonmiel Japan Dexamethasone Dermal Glymesason Japan Iodine Topical Mena-Gargle Japan Nicotine Sublingual Nicorette Europe Nimesulide Oral Nimedex, Mesulid Europe Nitroglycerin Sublingual Nitropen Japan Omeprazol Oral Omebeta Europe PGE2 Sublingual Prostarmon E Japan Piroxicam Oral Brexin Europe Tiaprofenic acid Oral Surgamyl Europe
2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin
Cisapride Rectal Propulsid Europe Hydrocortisone Buccal Dexocort Europe Indomethacin Eye drops Indocid Europe Itraconazole Oral, IV Sporanox Europe, USA Mitomycin IV Mitozytrex USA
Randomly methylated β-cyclodextrin
17β-Estradiol Nasal spray Aerodiol Europe Chloramphenicol Eye drops Clorocil Europe
Sulfobutylether β-cyclodextrin
Voriconazole IV Vfend Europe, USA Ziprasidone maleate IM Geodon, Zeldox Europe, USA
2-Hydroxypropyl-γ-cyclodextrin
Diclofenac sodium Eye drops Voltaren Europe
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1.5. Modelización molecular
Lamodelizaciónmoleculareslacienciadeestudiarlaestructuramolecularysufunciónatravésde
laconstruccióndemodelosy lacomputación.Laconstruccióndemodelospuedeser tansimple
comomoldesdeplásticoovarillasdemetal,otansofisticadoeinteractivocomo,gráficosanimados
encoloryesculturasdefabricaciónláserdemadera.(Schlick,2010).
Los primeros cálculos en este campo se remontan a 1946, cuando FrankWestheimer calculó el
índice de racemización de derivados bifenilo. A principios de 1960, se comienzan a desarrollar
camposdefuerzadeformasistemáticaenvariasinstituciones.Acomienzosdelosañossetentadel
siglopasado,RahmanyStillingerpublicanelprimertrabajoendinámicamoleculardeunamolécula
polar,elagua.Afinalesdeestadécadaseempiezanadesarrollartécnicasparaelusodecamposde
fuerzademecánicamolecularcomométododeminimizaciónenergética(Schlick,2010).
El apasionante campo de lamodelización de sistemasmoleculares por ordenador ha atraído la
atención de científicos de diversas disciplinas. En particular, elmodelado de grandes polímeros
biológicos-proteínas,ácidosnucleicosylípidos-esverdaderamentemultidisciplinar.Losbiólogos
describenlaimagencelular;Losquímicosavanzanenlosdetallesatómicosymoleculares;losfísicos
extiendensuvisiónanivelelectrónicoylasfuerzassubyacentes;losmatemáticossecentranenel
análisisyformulacióndemodelosyalgoritmosnuméricosapropiados;ylosingenierosproporcionan
el soporte de puesta en práctica fundamental para el funcionamiento de los programas de
ordenadorenplataformasdealtavelocidaddeprocesamiento(Schlick,2010).
Una de las primeras metas de la modelización molecular es la determinación de la estructura
molecularóptimaasociadaalamínimaenergía.Apartirdeestainformaciónesposibleobtenerla
mayoríadepropiedadesfísicasyquímicas.Estemínimodeenergía(mínimoglobal)correspondea
laestructuramásestable,mientrasquelosmínimoslocaleshacenreferenciaaestadosdetransición
(Schlick,2010)(Figura6).
Entrelasmuchasaplicacionesdelamodelizaciónmolecularcabedestacarlacapacidaddediseñar
nuevasmoléculaspudiendopredecirsucomportamientoypropiedadesfísicoquímicas,predecirla
estructura y plegamiento de proteínas, predecir el efecto de sustituyentes en moléculas ya
conocidas,estudiodecatálisisenzimática,etc.(Schlick,2010).
15
Figura6.Mínimosdeenergíalocalyglobal(Schlick,2010).
Los programas usados en modelización molecular utilizan modelos matemáticos basados en la
mecánicamolecularoenlamecánicacuánticaparallevaracaboloscálculosnecesariosenelestudio
delaestructuramolecular.Unodelosmétodosmásusadotantoporsusimplicidadcomoporsu
eficaciaeseldelamecánicamolecular(Schlick,2010).
La mecánica molecular se desarrolló por primera vez a principios de 1970 por dos grupos de
investigadoresquímicos:elgrupoEngler,Andose,yShleyer,yelgrupoAllinger.
Lamecánicamolecularsebasaenlamecánicaclásicaonewtoniana,asumiendoqueloselectrones
estánfijosycalculalaposicióndelosnúcleosinterpretandoquelamoléculaesunacolecciónde
partículas unidas entre sí por fuerzas elásticas (Comba y cols., 2009). Por tanto, En lamecánica
molecular sedefineuncampode fuerzamecánicaqueseutilizaparacalcularunaenergíade la
moléculaenestudio. Laenergíacalculadaamenudose llamaenergíadedeformaciónoenergía
estéricadelamolécula.Elcampodefuerzasecomponedevarioscomponentes,comolaenergíade
enlace-estiramiento,energíadeángulo-flexión,ylaenergíadeenlace-torsión(Paviaycols.,2016).
16
Para calcular la energía de deformación final para una molécula, el ordenador cambia
sistemáticamentecada longituddeenlace,ángulodeenlaceyángulodetorsiónen lamolécula,
recalculando la energía de deformación cada vez, manteniendo cada cambio que minimiza la
energía total, y rechazando los cambios que aumentan la energía. En otras palabras, todas las
longitudesdeenlaceyángulossecambianhastaquesereducealmínimolaenergíadelamolécula
(Paviaycols.,2016).
Porlotanto,lamecánicamolecularasumequelaenergíaestéricadeunamoléculaprovienedeunas
pocas interacciones específicas de la molécula. Estas interacciones incluyen la compresión y
extensiónde enlacesmás allá de sus distancias y ángulos de equilibrio. Asimismo, se tienen en
cuenta losefectosde torsióndeenlaces simples, la interaccióndeVanderWaalsentreátomos
próximosentresíylainteracciónelectrostáticaentrecargasparcialesenunamoléculaconenlaces
polares(Leach,2001).
Sehandesarrolladomuchosmétodospara acelerar el cálculodeesteprocesodeminimización.
Estosmétodosusaninformacióndelasderivadasdelafuncióndeenergíapotencialparacalcular
cambiosenlascoordenadasdecadaetapa.ElmétododeNewton-Raphson(basadosenlasegunda
derivada)esunode losmásconocidos,existiendootrasconmayorcomplejidadcomo“Adopted
BasisNewton-Raphson”(ABNR)oNewton-Raphsontruncado(Jensen,2007).
Junto a los métodos anteriores, los métodos de gradiente conjugado (basados en la primera
derivada),talescomolosalgoritmosFletcher-ReevesoPolak-Ribière,seempleanampliamenteen
minimizaciónenergética(Combaycols.,2009).
Esobvioquelamecánicamolecularsedesarrollóparaencontrarlaconformacióndeenergíamás
bajadeunamoléculadadaoparacomparar lasenergíasdevarias conformacionesde lamisma
molécula. La mecánica molecular calcula una "energía de deformación", no las energías
termodinámicas, tales como calor de formación. Se requieren procedimientos basados en la
mecánicacuánticaylamecánicaestadísticaparacalcularlasenergíastermodinámicas(Paviaycols.,
2016).
LaQuímicaCuántica(aplicacióndelaMecánicaCuánticaasistemasatómicosymoleculares)sebasa
en laresoluciónde laecuacióndeSchrödinger.Debidoa lacomplejidaddeesaecuaciónsoloes
posiblesuresoluciónparaelátomodehidrógeno,porloqueesnecesariorecurriraaproximaciones
que permitan obtener las funciones de onda de otros átomos y moléculas, un ejemplo es la
aproximacióndeBornOppenheimer.Estaconsisteenlaseparacióndelosmovimientosdelnúcleo
17
yloselectronesyasumequeloselectronessemuevenenuncampogeneradoporunnúcleofijo
debidoalagrandiferenciademasayvelocidadentreambos(Doucetycols.,1996).
ExistendoscategoríasdecálculosorbitalesbasadosenMecánicaCuántica:losmétodosabinitioy
lossemiempíricos.Abinitiosignifica“desdeelprincipio”,loqueimplicaqueloscálculosporeste
métodorequierendatosdeconstantesfísicascomolavelocidaddelaluz,laconstantedePlankola
masa de partículas elementales. Esta usa las ecuaciones de Hartree-Fock y Roothaan-Hall sin
aproximarointegrarningúntérminoHamiltoniano.Encontraposición,losmétodossemiempíricos
simplifican estas ecuaciones aproximandoo ignorandoparámetros, con el ahorro de tiempode
computaciónqueestoconlleva(Schlick,2010).
2. Objetivos Estetrabajosecentraenelestudiodelasinteraccionesfármaco-CDconacetazolamida.
La acetazolamida (ACZ) es un inhibidor de la enzima anhidrasa carbónica y está indicada en el
tratamiento de edemas asociados a insuficiencia cardíaca congestiva, edemas de origen
medicamentosoyotroscuadrosderetenciónhidrosalina.Puedeadministrarseenasociacióncon
otrosdiuréticoscuandosenecesiteactuaradistintosnivelesde lanefrona.Además tambiénse
indica en el tratamiento adyuvante del glaucoma de ángulo abierto y glaucoma secundario, el
tratamientopreoperatoriodelglaucomaagudodeángulocerrado,yeltratamientoadyuvantede
laepilepsia(petitmal).
Existe una amplia literatura referente a la interacción de dichas moléculas con CDs, buscando
mejorarlasolubilidadyvelocidaddedisolucióndelaACZdeformaqueseredujeselavariabilidad
interindividualenlabiodisponibilidad(Ammarycols.,1998;Loftssonycols.,1994).
En la actualidad, en nuestro departamento se están estudiando diferentes aspectos de la
complejacióndeACZconCDs,conobjetodeaumentarsusolubilidadypermitirlaincorporaciónde
unamayorconcentracióndefármacoeneldesarrollodeunmedicamentosoluciónoftálmicapara
tratamiento del glaucoma. En este trabajo, intentaremos profundizar el conocimiento de las
interaccionesentreACZ yuna seriedeCDs, en concretoβ-CDehidroxipropil β-CD (HP-β-CD) al
formarcomplejosdeinclusiónatravésdemodelizaciónmolecular(insilico),medianteelusodel
softwaredemodelizaciónmolecular.
18
3. Metodología Losestudiosdemodelizaciónmolecularsehanllevadoacabomedianteelempleodelospaquetes
desoftwareinformáticosHyperchem®versión8.0.8(Hypercube,2016)yGaussian09Wversión9.0
yGaussview5.0pormecánicamolecularycuántica(Gaussian09Rev.01,2009,Gaussview,ver5,
2009).
Laestructurainicialdeβ-CDseobtuvodelabasededatosProteinDataBank(Leilaycols.,2011).La
construccióndelaHP-β-CDsellevóacaboañadiendosustituyentes2-hidroxipropiloalesqueletode
β-CDobtenidode laPDB ID:3CGT.Estaestructura seensambló siguiendo las indicacionesde la
“CyclodextrinKnowledgeBase”(Hazaiycols.,2010).Porsuparte,laestructuramoleculardeACZse
construyóenHyperchem.
Paraobtener laconformaciónmásestablede lasestructurasdeCDsy lamoléculahuésped,que
sirviesencomopuntodepartidaválidoparalassimulaciones,serealizóunanálisisconformacional
utilizandoelprogramadebúsquedaconformacional incluidoenHyperchem.Seestablecieronlas
siguientes condiciones: la variación de la flexibilidad de los ángulos de torsión ±60° ÷ ±180°; el
criteriodeenergíapara laaceptaciónde laconformaciónse fijóen4Kcal/molsobreelmínimo;
todaslasconformacionescondistanciasatómicasmenoresde0,5Åydiferenciasentreángulosde
torsiónmenos de 15° no se consideraron, así como conformaciones con diferencias de energía
menoresde0,05Kcal/mol.Elmáximonúmerodeoptimizacionesycálculositerativosfuede1000,
hastaunmáximode100conformaciones.Losátomosdehidrogenonosetuvieronencuentaenel
proceso(Pînzaruycols.,2011).
EltratamientosellevóacabousandoelcampodefuerzaMM+presenteenHyperchem,teniendo
elalgoritmoPolak-Ribière,conunvalordeconvergenciaderms(mediacuadrática)de0,01Kcal/Å
mol.
LasestructurasdelasCDsy laACZobtenidasporMM+serefinaronposteriormentemedianteel
empleodelmétodosemiempíricoPM3(ParametricModel3)incluidoenGaussian09W.Seaplicó
unaoptimizaciónsinrestricciones,conunvalordeconvergenciade0,01Kcal/Åmol.
Conelfindeidentificarlaestructuradeloscomplejoscorrespondientesalosmínimosglobalesde
la energía potencial superficial de CDs, nuestros estudios se llevaron a cabo según el método
descritopreviamenteenlaliteratura(Fathallahycols.,1994).Posicionandolamoléculaenelorigen
delsistemadecoordenadaslaCDseorientódemaneraquelosátomosdeoxigenoglucosídicose
situasenenelplanoXY.
19
LosgruposhidroxilossecundariosseorientaronenladireccióndelejeZ.Acontinuación,lamolécula
huéspedsesituóalolargodelejez(desde-10Åhasta+10Å),teniendoencuentalasdiferentes
orientaciones de la molécula huésped en el caso de que la CD tuviese varias posibilidades de
interacción(hidroxilossecundarioshacialaderecha:orientaciónA;viceversaorientaciónB).Enel
casodeloscomplejos1:2haycuatroorientacionesposibles(Figura7).
Figura7.PosiblesorientacionesdelcomplejoACZ-HP-β-CD1:2.
A B
C D
20
Enuntercerpaso,lamoléculahuéspedseintroduceypasaatravésdelaCDporpasos(Figura8).
Encadapasode1Åserealizaunaoptimizacióndelageometríaenvacíousandoelcampodefuerza
MM+ (algoritmo Polak-Ribière, con rms de 0,01 Kcal/ Åmol) registrándose la energía tras cada
optimización. Dichas energías se representan frente a las coordenadas y se toma el estado de
mínimaenergíaparacadacomplejofármaco-CD.
Figura8.OrientacióntipoAdelcomplejoAZC-CD.ElhuéspedsedesplazaporelejeZenpasosde1Å.
Así, los complejos más estables encontrados por MM+ se re-optimizaron por el método
semiempírico PM3 sin restricciones. Para ello, se emplearon Gaussian 09W / Gausview 5 e
Hyperchemversión8.0.8.
Z (+10 Å) Z (+10 Å)
X Y
21
4. Resultados
EnlaFigura9serepresentaelresultadodelestudiodeanálisisconformacionalcorrespondientea
lamoléculadeACZ.Laconformacióndemínimaenergíacorrespondeaunvalorde43,383Kcal/mol.
EstevalorcorrespondealaminimizaciónporMM+,siendoposteriormenterefinadoaPM3.
Figura9.FormulaestructuralyestructurarefinadadeACZ.
Elcálculodelaenergíadecomplejaciónserealizótraslabúsquedadelmínimoglobaldeenergía
talycomosedescribeenlaseccióndemetodología.Comoejemplosdecálculodemínimoglobal,
adjuntamoslasgráficascorrespondientesaloscomplejosACZ-β-CD(a)PM3yACZ-HP-β-CD(a)
PM3(Figuras10y11).
Losresultadosdeminimizaciónenergéticadeloscompuestosdeinclusiónsehanpresentado
comoenergíasdecomplejación,interacciónydeformación(verecuaciones1-3).Laenergíade
complejaciónsedefinecomoladiferenciaentrelaenergíadelcomplejoylasumadelaenergíade
cadamonómeroensurespectivoequilibriogeométrico.Laenergíadeinteracciónsedefinecomo
ladiferenciaentrelaenergíadelcomplejoylasumadelasenergíasdeambasmoléculasensu
geometríadecomplejo.Laenergíadedeformaciónsedeterminacomoladiferenciaentrela
energíadeunodelosmiembrosdelcomplejoysuenergíaconlageometríaquetendríasi
estuvieseformandoelcomplejo(Barbiricycols.,2000;Ohashiycols.,1990;Zhouycols.,2009).
∆Ecomplejación = Ecomplejo - (ECD libre + Ehuésped libre) Eq. 1
∆Einteracción = Ecomplejo - (ECD en el complejo + Ehuésped en el complejo) Eq. 2
∆Edeformación CD = ECD en el complejo - ECD libre Eq. 3
22
Figura10.EvolucióndelaenergíasdecomplejofrentealadistanciaparaelcompuestodeinclusiónACZ-β-CD(a)PM3.
Figura11.EvolucióndelaenergíasdecomplejofrentealadistanciaparaelcompuestodeinclusiónACZ-HP-β-CD(a)PM3.
128
130
132
134
136
138
140
142
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Ener
gía
(Kca
l/m
ol)
Distancia (Å)
ACZ-β-CD(a) PM3
Energía complejo (Kcal/mol)
134
136
138
140
142
144
146
148
150
152
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Ener
gía
(Kca
l/m
ol)
Distancia (Å)
ACZ-HP-β-CD(a)PM3
Energía complejo (Kcal/mol)
23
A continuación se muestran los resultados de energía potencial superficial (SEP) expresados en
kcal/mol de los complejos de inclusión de la CD y para las posibles orientaciones entre la molécula
y la CD, tanto en MM+ como su posterior refinamiento por PM3 (Tablas 2 y 3).
Tabla2.EnergíascorrespondientesaloscomplejosACZ-CDsexpresadasenKcal/mol.Amododereferencia,lasmoléculasseñaladasconasteriscoseconstruyeronyminimizaronporMM+sin
posteriorrefinamientoporPM3.
OptimizadasporMM+ ∆Complejación ∆EInteracción ∆EDeformaciónCDEstequiometría1:1
ACZ-β-CD(a)* -5,254386 -22,713746 8,642728ACZ-β-CD(b)* -11,51788 -24,314354 3,675261
ACZ-HP-β-CD(a)* -11,443691 -20,979915 0,541143ACZ-HP-β-CD(b)* -10,679689 -20,099401 0,657546ACZ-β-CD(a)(PM3) 9,999005 -25,911415 30,500743ACZ-β-CD(b)(PM3) 10,121654 -25,037664 30,289001
ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -49,715669 -89,59098 34,649018ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) -48,375463 -79,747919 26,186739
Estequiometría1:2 ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -74,330115 -129,328138 -7,188137ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) -68,350273 -128,284893 -5,204393ACZ-HP-β-CD(c)(PM3) 5,676806 0,210725 32,102923ACZ-HP-β-CD(d)(PM3) -0,597747 -5,768677 24,745991
Tabla3.EnergíasdeloscomplejosACZ-CDsrefinadosporPM3expresadasenKcal/mol.
∆EComplejación(Kcal/mol)
∆EInteracción(Kcal/mol)
EHOMO(eV)
ELUMO(eV)
∆EHOMO-LUMO(eV)
Estequiometría1:1ACZ-β-CD(a)(PM3) -87,69 -14,05 -9,89 1,70 -11,59ACZ-β-CD(b)(PM3) -83,63 -8,11 -9,61 -1,66 -7,95
ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -70,94 -7,86 -9,73 -1,60 -8,13ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) -77,28 -6,00 -9,99 -1,75 -8,24
Estequiometría1:2 ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -162,15 -11,02 -9,62 -1,34 -8,28ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) 3691,58 3852,26 392,98 393,52 -0,54ACZ-HP-β-CD(c)(PM3) -162,15 -7,05 -9,99 -1,64 -8,36ACZ-HP-β-CD(d)(PM3) -163,83 -7,96 274,03 277,59 -3,57
24
Asimismo, se incluyen las energías de HOMO y LUMO para los complejos refinado por PM3 (Eq. 4).
∆EHOMO-LUMO = EHOMO – ELUMO Eq. 4
El salto de energía entre los orbitales moleculares HOMO y LUMO se considera un índice de la
estabilidad del complejo formado (Karelson y cols., 1996), por lo cual su cálculo y resultados se
han incluido en nuestro estudio. Ello ha sido posible mediante el empleo de PM3, el cual a
diferencia de la mecánica molecular tiene en cuenta la configuración de electrones.
5. Discusión Enestetrabajosehanrealizadovarioscentenaresdeoptimizaciones,sincontarconloscálculosde
búsqueda conformacional. Para ello fue necesario el uso de series intensivas de cálculo,
programandolastareasmediantescriptingyrecopilaciónderesultadosenarchivosderegistro(log).
Vistoelvolumendecálculosarealizar,seplanteóeldilemasobresi recurrira laopcióndeusar
mecánicacuánticaomecánicamolecular.Enanteriorestrabajos(Rico-Ruiz,2014),considerandoel
tiempo de computación necesario, nos decantamos por el uso de mecánica molecular (MM+),
teniendoencuentalaopinióndemuchosautores,loscualesconsideranqueelusodealgoritmos
demecánicamolecularessuficienteparaexplicarlaformacióndecomplejosdeinclusiónconCDs
(Dodziuk,2006;Lipkowitz,1998).Sinembargo,unadelasprincipaleslimitacionesdelamecánica
molecularesquenotieneencuentaloselectronesensuscálculos.Portanto,enestetrabajohemos
queridodarunpasoadelante,confirmandolosresultadosmedianteminimizaciónenergéticapor
métodos semiempíricos. Entre dichosmétodos, se puedeoptar por varias opciones, tales como
Extended-Hückel, Austin Model 1 (AM1) o Parametric Model 3 (PM3), siendo los dos últimos
ampliamenteusadosenmodelizaciónmoleculardecomplejosconCDs.Al final, trasconsultar la
literaturaexistentesobreeltema,decidimosoptarporusarPM3,alserunmétodoquepermite
simularconmayorprecisiónlosenlacedehidrógeno(Leilaycols.,2011),loscualespodríanapriori
constituirunacontribuciónsignificativaalainteracciónACZ:CD,vistalaestructuradelamolécula,
dondeaparecenvariosgruposdecarácterelectronegativo.
Aunqueenunprincipioseabordólaoptimizacióndecomplejosdeestequiometría1:1deACZcon
β-CDyderivados,resultadosrecogidosennuestrolaboratorioindicanlaformacióndecomplejos
1:2conHP-β-CD.Portanto,serealizóunanuevaseriedeoptimizacionesenergéticasdecomplejos
deestequiometría1:2.
25
Unodelosprincipalesproblemasquehallamosennuestrodiseñoexperimentalfueelempleode
del paquetede softwareGaussian™para realizar laminimización energéticamediantemétodos
semiempíricos. La elección del dicho software se basó en su amplio uso por parte demúltiples
autores.UnavezrealizadoelcálculodelaestructurademínimaenergíadeloscomplejosporMM+
enHyperchem™,elposteriorrefinamientoporPM3atravésdeGaussiandabalugaralaaparición
deerroresduranteelprocesodecomputación,porlocualtuvoquedescartarsesuusoyrecurrir
finalmentealesquemadecomputaciónPM3incluidoenelpaqueteHyperchem.
Dentro de las posibles causas, la más probable a nuestro juicio fueron problemas en la
interconversión entre los formatos propietarios de las estructuras moleculares entre ambas
plataformas(extensión.HINparaHyperchemyextensiones.GJFo.MOLparaGaussian).
Tal y como indican los datos, las energías de complejación e interacción fueron negativas en la
mayoría de los casos, indicando que el proceso se halla favorecido desde el punto de vista
termodinámico. En este punto, los cálculos realizados exclusivamente por mecánica molecular,
indicaron la formación de complejos estables tanto con β-CD como con HP-β-CD en ambas
orientaciones.Adestacar lasbajasenergíasdedeformación registradaspara laHP-β-CD, lo cual
indicaunbalanceenergéticomuypositivoenlainteracciónconACZ.
Loscomplejos1:1siguenunacorrelacióndeenergíastantoentratamientoMM+comoPM3.Los
resultadosdediferencialdeenergíaHOMO-LUMOconfirmanlaformacióndecomplejosestables
enestarelaciónestequiometria(orientaciónAencasodeβ-CDyorientaciónBparalaHP-β-CD).Sin
embargo,elestudiode loscomplejosdeestequiometria1:2,ensusdiferentesorientacionesdio
lugararesultadosdispares.LoselevadosvaloresdeenergíadecomplejaciónyenergíasHOMOy
LUMOdescartancomocomplejosviableslasorientacionesByD.
En los complejos, se observó que la interacción tiene lugar prevalentemente a través del anillo
tiadiazol.Apesardetratarsedeungrupopolar,latendenciaainteraccionarconlacavidaddelaCD
seestabilizapormediode laformacióndepuentesdehidrógeno,tantoconhidroxilosprimarios
comosecundariosenfuncióndelaorientacióndepartidadelasimulación.
AmododeejemploseincluyelaimagendelcomplejoACZ-β-CD(a)(PM3).Obsérveselaformación
depuentesedeHentre loshidroxilosprimariosde laβ-CDconelgrupotiadiazoly losoxígenos
sulfonílicosdeACZ(Figura12).
26
Figura12.ComplejoACZ-β-CD(a)(PM3)desdedosorientacionesdiferentes.Lalongituddelos
enlacesdeHvienedadaenÅ.
Enelcasodeloscomplejos1:2,apesardelosresultadosdenuestrolaboratorioqueindicanuna
estequiometria1:2fármaco:CD,elpequeñotamañodelaACZhaceimprobablelaformacióndeun
complejo1:2dondedichamolécula interaccionesimultáneamentecon lascavidadesdedosCDS
27
adyacentes.EllonoshizosospecharconlapresenciadeunfenómenodedimerizaciónentreCDs,
los cuales sehallanampliamentedescritosenbibliografía.Unaevidenciadedicho fenómenose
muestra en la estructura simulada del complejo 1:2 ACZ-HP-β-CD en orientación C, donde la
asociaciónentreCDsapareceestabilizadaporlaformacióndevariospuentesdeHintermoleculares
entraambosanillos(Figura13).
Figura13.ComplejoACZ-HP-β-CD(c)(PM3),dondeseobservanlosenlacesdeHqueparticipan
enlaestabilizacióndelaestructura.
Como hemos comentado con anterioridad, en un compuesto de inclusión pueden intervenir
diferentes fuerzas, tales como interacciones tipo puente de H, interacciones hidrofóbicas e
interaccionesvanderWaals.Unaformadeversielprocesodecomplejaciónsehallainfluenciado
por interacciones de van der Waals es representar la energía de los complejos minimizados a
diferentesvaloresjuntoalasenergíasdevanderWaals.Lapresenciadeperfilessimilaresindicaría
quelasfuerzasdevanderWaalsinfluyenenelprocesodecomplejación(Figura14).Sinembargo,
28
ennuestrocaso,lacontribucióndelosenlacesdeHposeeunpesoespecialenlacomplejación,tal
ycomoaparecerepresentadaencálculosprecedentes.
Figura14.Paralelismoenlaevolucióndelasenergíasdecomplejación(trazadonaranja,ejede
ordenadasizquierdo)yenergíadevanderWaals(trazadoverde,ejedeordenadasderecho).
0
5
10
15
20
25
30
35
128
130
132
134
136
138
140
142
-10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00
Ener
gía
van
der
Waa
ls
Ener
gía
com
plej
o (K
cal/
mol
)
Distancia (Å)
Energía (Kcal/mol) vdW
29
6. Conclusiones 1. SeestudiólaformacióndecompuestosdeinclusióndeACZcondistintasCDs.Paraello,se
acudióalempleodemecánicamolecular,enconcretoelcampodefuerzaMM+enelvacío.
Asimismo,dichoscálculossecomplementaronconlaaplicacióndemétodossemiempíricos
demecánicacuántica,enconcretoelParametricModel3(PM3).
2. LasCDsescogidasfuerontantodeorigennatural(β-CD)comoderivados(HP-β-CD).Laβ-CD
seescogiócomoreferencia,mientrasqueelderivadohidroxipropiladoseescogióenfunción
delinterésycompatibilidadconlaformulaciónyvíadeadministración,ennuestrocasovía
oftálmica.
3. Enlaminimizaciónenergéticasehacefundamentalladistinciónentremínimosdeenergía
local y global para la obtención de resultados fiables. Para ello, se optó realizar
optimizaciones geométricas a diferentes distancias fármaco-CD, y registrando los valores
paracadaunadelasposicionesyorientaciones.
4. Para lacorrectarealizacióndeestatécnicayasípoderhallarelmínimoglobaldeenergía
paracadacaso, fuenecesariopartirdeestructurasdemínimaenergíade losmonómeros
(fármacosyCDs).Ellofueposiblemedianteelprogramadebúsquedaconformacional.Una
vezdisponibleslasestructurasdefármacoyCDminimizadas,seprocedióasurefinamiento
pormétodossemiempíricos(PM3).
5. Entotal,sehanrealizadountotalde12combinacionesdecomplejos,con21posicionesde
optimizaciónrelativasporcadaunodeellos.Elnúmerodeoptimizacionesrealizadasentotal
superalas250.Atalfin,serealizaronscriptsparaautomatizacióndetareas,asícomoregistro
delasenergíasenarchivos(logs).
6. Unavezaplicadaslasoptimizacionesmediantemecánicamolecularseprocedióalposterior
refinamientodelasestructurasdemenorenergíapormétodossemiempíricosPM3.
7. Los resultados obtenidos (valores negativos de energía de complejación e interacción)
sugierenquelaformacióndecomplejosdalugaraestructurasestablesyportantoviables.
En general, los valores de diferencial de energía HOMO-LUMO se hallaron en buena
correlaciónconlosvaloresdeenergíadecomplejacióneinteracción.Soloenaquelloscasos
dondelacomplejaciónsehallaclaramentedesfavorecida,losvaloresdedichodiferencialde
energíafueronlógicamentebajos.
30
8. Por último, nuestros estudios revelaron que la formación de puentes de H juegan un
importantepapelenlainteracciónACZ-CD,pudiendorelegaraunsegundoplanolasfuerzas
devanderWaals.
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