Βιοφυσική μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων-φαρμάκων και κυτταρικής μεμβράνης

Abstract

Derivatives of 2-aminobenzimidazoles have gained attention during the last years due to their wide pharmacological activity acting as anti-inflammatory, hypotensive, analgesic, and anti-aggregatory agents. They are also common ligands in transition metal coordination chemistry forming complex compounds with enhanced biological properties especially in targeted cancer therapy. A key issue to understand anti-tumor effects is drug permeability through cellular membranes as poor permeability outcomes can avert further futile drug development. In this work, we carried out atomistic molecular dynamics (MD) simulations and biased MD simulations to explore the interactions of 2-benzimidazolyl-urea (BZIMU) with two different phospholipid bilayers, one consisting of 128 DPPC (dipalmitoyl phosphatidylcholine) lipids and the other consisting of 128 DPPG (dipalmitoyl phosphatidylglycerol) lipids, alongside with a previously synthesized copper (II) complex compound of BZIMU. The aim was to study the permeability of these compounds by assessing their free energy profile along the bilayer normal. The simulations indicated that both the ligand (2-benzimidazolyl-urea) and the complex show a similar behavior yielding high energy barriers for the permeation process for both bilayer systems. However, with increasing concentration of BZIMU, the molecules tend to aggregate and form a cluster, leading to the formation of a pore. Clustering and pore formation can possibly explain the previously observed cytotoxicity of the BZIMU molecule via membrane damage. Comparison of the two lipid bilayers, showed higher affinity of the two molecules, thus longer stay, in the interior of the DPPG membrane rather than the DPPC lipid bilayer, whereas with the increasing concentration of BZIMU, the diffusion was increased for the DPPG membrane compared with the DPPC bilayer.

Τα παράγωγα των βενζιμιδαζολών έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω της ευρείας φαρμακολογικής τους δράσης και δρουν ως αντιφλεγμονώδεις, υποτασικές, αναλγητικές και αντισυσσωματικές ενώσεις. Είναι επίσης κοινοί προσδέτες (ligands) στη χημεία ενώσεων συναρμογής μετάλλων μεταπτώσεως. Σχηματίζουν σύμπλοκες ενώσεις με βελτιωμένες βιολογικές ιδιότητες ειδικά στη στοχευμένη θεραπεία κατά του καρκίνου. Ένα βασικό ερώτημα για την κατανόηση των επιδράσεων κατά των καρκινικών όγκων είναι η διαπερατότητα του φαρμάκου διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών, καθώς πιθανή χαμηλή διαπερατότητα μπορεί να αποτρέψει περαιτέρω μάταιη ανάπτυξη φαρμάκων. Σε αυτήν την εργασία, πραγματοποιήσαμε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) σε ατομιστικό επίπεδο και προσομοιώσεις biased MD για να διερευνήσουμε τις αλληλεπιδράσεις της 2-benzimidazolyl-urea (BZIMU) με δύο διαφορετικές διπλoστιβάδες φωσφολιπιδίων. Η πρώτη αποτελείται από 128 λιπίδια DPPC (dipalmitoyl phosphatidylcholine) και η δεύτερη αποτελείται από 128 λιπίδια DPPG (dipalmitoyl phosphatidylglycerol), μαζί με μια πρόσφατα συντεθειμένη ένωση συμπλόκου BZIMU με χαλκό. Ο στόχος ήταν να μελετηθεί η διαπερατότητα αυτών των ενώσεων αξιολογώντας το προφίλ ελεύθερης ενέργειάς τους κατά μήκος του άξονα της διπλοστιβάδας. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τόσο ο προσδέτης (2-benzimidazolyl-urea) όσο και το σύμπλοκο έχουν παρόμοια συμπεριφορά παρουσιάζοντας, και για τα δύο συστήματα διπλοστιβάδων, σύνορα υψηλής ενέργειας κατά τη διαδικασία διείσδυσης. Ωστόσο, με την αυξανόμενη συγκέντρωση του BZIMU, τα μόρια τείνουν να συσσωματώνονται, προκαλώντας τον σχηματισμό πόρων. Η συσσωμάτωση των μορίων και ο σχηματισμός πόρων, μπορεί πιθανώς να εξηγήσει την προηγουμένως παρατηρηθείσα κυτταροτοξικότητα του μορίου BZIMU μέσω διάρρηξης της μεμβράνης. Η σύγκριση των δύο λιπιδικών διπλοστιβάδων, έδειξε υψηλότερη αλληλεπίδραση των δύο μορίων με τα λιπίδια, και επομένως μεγαλύτερη παραμονή τους, στο εσωτερικό της μεμβράνης DPPG παρά στη διπλοστιβάδα λιπιδίων DPPC, ενώ με την αυξανόμενη συγκέντρωση του BZIMU, η διάχυση αυξήθηκε για τη μεμβράνη DPPG σε σύγκριση με την διπλοστιβάδα DPPC.