Χρήση μοριακής δυναμικής σε συνδυασμό με φασματοσκοπία NMR για την πρόταση σύνθεσης βιοδραστικών μορίων και συστημάτων μεταφοράς τους

Abstract

In this thesis, the role of complexing natural and pharmaceutical molecules with proven beneficial health properties with 2-hydroxylpropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD) was studied. In the first part of the thesis, the molecular interactions between caffeic and rosmarinic acid in hydroxypropyl-β-cyclodextrin were studied using a combination of NMR spectroscopy and molecular modeling. Changes in the chemical shifts of carbon (13C CP/MAS) and hydrogen spectroscopy as well as intermolecular within the complex NOEs have clarified the orientation and conformations of the natural products into the cyclodextrin. Molecular dynamics and Isothermal Calorimetry (ITC) experiments were also conducted to investigate the stability and degree of substitution of the cyclodextrin. In the second part of the thesis, complexes of candesartan and candesartan cilexetil with HP-β-CD were characterized using ESI QTQF HRMS and solid state NMR and in particular CP/MAS spectroscopy. The 13C CP/MAS results showed broad peaks especially in the aromatic region, thus confirming the strong interactions between cyclodextrin and drugs. This experimental evidence was in accordance with MD simulations and quantum mechanical calculations. The synthesized and characterized complexes were evaluated biologically in vitro. It was shown that as a result of CAN’s complexation, CAN exerts higher antagonistic activity than CC. This intriguing result agrees with binding free energy calculations, which predicted efficient binding with CC while CAN binding was not favored. Thus, CC cannot be released easily from HP-β-CD and as a result is not suggested as a new pharmaceutical formulation. The opposite holds truth for CAN complex which could be used as a novel antihypertensive pharmaceutical formulation.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε ο ρόλος της συμπλοκοποίησης φυσικών και φαρμακευτικών μορίων με αποδεδειγμένη ευεργετική δράση στην υγεία με τη 2-υδροξυπροπυλο-β-κυκλοδεξτρίνη (HP-β-CD ή 2HP-β-CD). Τα σύμπλοκα όλων των ενώσεων ταυτοποιήθηκαν με χρήση φασματομετρίας ESI QTOF HRMS. Στο πρώτο τμήμα της διδακτορικής διατριβής, περιγράφονται οι υπολογισμοί μοριακών αλληλεπιδράσεων κατά τη σύμπλεξη μεταξύ των φυσικών προϊόντων καφεϊκού και του ροσμαρινικού οξέος εντός της HP-β-CD χρησιμοποιώντας συνδυασμό φασματοσκοπίας NMR υγρής και στερεής κατάστασης (ssNMR) και μοριακής μοντελοποίησης. Οι μεταβολές των χημικών μετατοπίσεων ανιχνεύθησαν κατά τη σύμπλεξη στα φάσματα άνθρακα περιστροφής υπό μαγική γωνία και χρήσης διασταυρούμενης πόλωσης 13C CP/MAS καθώς και πρωτονίων στα υψηλής διακριτικής ικανότητας σε διάλυμα φασμάτων 1Η NMR. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών συμπληρούμενα και με αυτά των δύο διαστάσεων 2D NOESY, αποσαφήνισαν τον προσανατολισμό και τις διαμορφώσεις που λαμβάνουν τα φυσικά προϊόντα εντός της υπό μελέτη κυκλοδεξτρίνης. Διεξήχθηκαν επίσης πειράματα μοριακής δυναμικής και θερμιδομετρίας ισοθερμικής τιτλοδότησης (ITC) για τη διερεύνηση μέσω θερμοδυναμικών παραμέτρων της σταθερότητας των δημιουργούμενων συμπλόκων και του βαθμού υποκατάστασης της κυκλοδεξτρίνης. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, μελετήθηκε η συμπλοκοποίηση του ΑΤ1 ανταγωνιστή και αντιυπερτασικού φαρμάκου της καντεσαρτάνης (CAN) και του προφαρμάκου του σιλεξετίλης της καντεσαρτάνης (CC) με την HP-β-CD. Τα αποτελέσματα 13C CP/MAS έδειξαν ευρείες κορυφές ειδικά στην αρωματική περιοχή, επιβεβαιώνοντας έτσι τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ κυκλοδεξτρίνης και CAN ή CC. Αυτή η πειραματική παρατήρηση συμφωνεί με τις in silico προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής MD και τους υπολογισμούς κβαντομηχανικής. Τα συντιθέμενα σύμπλοκα αξιολογήθηκαν βιολογικά in vitro τα οποία κατέδειξαν ισχυρότερη ανταγωνιστική δράση του συμπλόκου με την CAN έναντι αυτού της CC. Το ενδιαφέρον αυτό αποτέλεσμα συμφωνεί με τους θεωρητικούς υπολογισμούς της ελεύθερης ενέργειας, οι οποίοι προβλέπουν την αποτελεσματικότερη δέσμευση με τη CC σε αντίθεση με αυτην της CAN. Επομένως η CC δεν αποδεσμεύεται εύκολα από την HP-β-CD και δεν μπορεί να αποτελέσει νέα φαρμακοτεχνική μορφή. Το αντίθετο συμβαίνει με το φάρμακο CAN το οποίο μπορεί να αποτελέσει μια νέα βελτιωμένη φαρμακοτεχνική μορφή κατά της υπέρτασης.