Μελέτη προϊόντων εγκλεισμού βιοδραστικών ουσιών σε κυκλοδεξτρίνες

Abstract

Cyclodextrins (CDs) are natural starch derivatives which consist of α-(1,4) linked glycopyranose subunits. They provide a cage-like supramolecular structure with a hydrophobic internal cavity, where they can incorporate apolar molecules (guests) or parts of molecules, forming the so-called “inclusion compounds”. In these inclusion complexes, covalent bonds are not found between interacting molecules, and they are known as “host-guest” interactions. Terpenes are organic compounds, produced by a variety of medicinal and aromatic plants (MAP) and are present in their essential oils. The majority of monoterpenes are insoluble in water and extremely volatile, properties that make their use in perfumery, cosmetics, drug and food industries problematic. They are found to have antioxidant and antimicrobial properties but most of them are insoluble in water and sensitive to oxidation, two major undesirable properties which preclude their use. Thus, inclusion complexes with CDs, resulting in better stability, higher water solubility, increased bioavailability and offer a slow release of the guests sustaining their action. The crystal structures of inclusion complexes of linear terpenes such as: geraniol, β-citronellol, E/Z-citral and farnesol, with natural and methylated cyclodextrins, have been investigated by X-ray crystallography. The crystal structure of the inclusion complex of gibberellic acid (GA3, from the family of gibberellins of Plant Growth Regulators) in ΤΜ-β-CD was also studied in order to compare the degree of distortion of ΤΜ-β-CD as encapsulant of linear terpenes or more bulky molecules, such as GA3 (Katerina K. Fourtaka “Studies of molecular encapsulation of bioactive compounds in cyclodextrins”). Xray crystallography is a technique used to determine the arrangement of atoms of a crystalline solid in three dimensional space. Thus, it is the unique method that gives information about the molecular structure of such inclusion complexes (stoichiometry, geometry, intramolecular and intermolecular interactions). The parameters that affect the crystal packing mode, the formation of the dimers or the monomers and the degree of distortion of the host-guest molecules are also examined herein. Experiments were conducted also in order to investigate how cyclodextrins affect the antimicrobial activity of citral against Escherichia coli bacteria. Beside all cyclodextrins, the presence of TM-β-CD seems to aid significantly the antimicrobial activity of citral.

Οι κυκλοδεξτρίνες (CD) είναι ολιγοσακχαρίτες, οι οποίοι αποτελούνται από α-(1-4)-D γλυκοπυρανόζες, τοποθετημένες σε έναν κυκλικό σχηματισμό. Διαθέτουν υδρόφιλες περιφέρειες και υδρόφοβες κοιλότητες όπου έχουν την ικανότητα να φιλοξενούν μία μεγάλη ποικιλία μορίων (ξενιζόμενα μόρια). Τα μόρια αυτά διαθέτουν κατάλληλο μέγεθος, σχήμα και τουλάχιστον ένα υδρόφοβο τμήμα δημιουργώντας έτσι, μαζί με τις κυκλοδεξτρίνες (ξενιστές), τα λεγόμενα «προϊόντα εγκλεισμού». Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε ο εγκλεισμός γραμμικών τερπενίων, τα οποία αποτελούν και συστατικά των αιθερίων ελαίων μιας πληθώρας φαρμακευτικών φυτών. Εμφανίζουν αντιοξειδωτικές και αντιμικροβιακές ιδιότητες, όμως, πολλά από αυτά είναι πολύ πτητικά, ευοξείδωτα και εμφανίζουν ευαισθησία στο φως, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους. Ο εγκλεισμός βρίσκει πολλές εφαρμογές διότι μάσω αυτού α. βελτιώνονται χαρακτηριστικές του ιδιότητες όπως η υδατοδιαλυτότητα, η βιοδιαθεσιμότητα, κ.ά., β. προστατεύεται το μόριο από χημική αποδόμηση, οξείδωση κ.ά. και γ. επιτυγχάνεται βραδεία αποδέσμευσή του από το σύμπλοκο λόγω ύπαρξης μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τα προϊόντα εγκλεισμού των: γερανιόλη, β-κιτρονελλόλη, E-,Z-κιτράλη και φαρνεσόλη στις φυσικές α-CD και β-CD (6 και 7 γλυκοζιτικές μονάδες αντίστοιχα) και στις μεθυλιωμένες DM-β-CD (2,6-δι-Ο-μεθυλ-β-κυκλοδεξτρίνη) και TΜ-β-CD (2,3,6-τρι-O-μεθυλ-β-κυκλοδεξτρίνη). Τη μελέτη αυτή συμπληρώνει το προϊόν εγκλεισμού του γιββερελλικού οξέος (GΑ3) σε TΜ-β-CD, ως συνέχεια μελέτης εγκλεισμού φυτορυθμιστικών ουσιών σε κυκλοδεξτρίνες [Φουρτάκα Κ., Μεταπτυχιακή διατριβή, «Μελέτη εγκλεισμού βιοδραστικών ουσιών σε κυκλοδεξτρίνες»] αλλά και για τη σύγκριση των δομικών χαρακτηριστικών του εγκλεισμού σε TΜ-β-CD, μορίων με διαφορετικό σχήμα και μέγεθος. Το κύριο μέρος αυτής της εργασίας αφορά στη δομική μελέτη, με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ, των δομικών χαρακτηριστικών αυτών των προϊόντων εγκλεισμού με σκοπό να προσδιοριστούν οι σχετικές ατομικές θέσεις ξενιστή-ξενιζομένου στα προϊόντα εγκλεισμού, η στοιχειομετρία, η γεωμετρία και οι ενδομοριακές αλλά και διαμοριακές αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται στην κρυσταλλοδομή. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα προκειμένου να αναλυθούν οι συνθήκες και το ποσοστό επιρροής των κυκλοδεξτρινών στην αντιβακτηριακή δράση της Ε-/Ζ-κιτράλης ενάντια στο Escherichia coli.