Ι. Ντότσικας, Επ. Καθηγητής Φαρμακευτικής ΕΚΠΑ. Οι κυκλοδεξτρίνες (cyclodextrins, CDs)

Transcript

1 Οι κυκλοδεξτρίνες (cyclodextrins, CDs) Οι κυκλοδεξτρίνες είναι μία οικογένεια κυκλικών ολιγοσακχαριτών αποτελούμενες από μονομερή σακχάρων (α-d-γλυκοπυρανόζη) συνδεδεμένων μεταξύ τους με α - [1,4] γλυκοσιδικούς δεσμούς. Οι φυσικές κυκλοδεξτρίνες α, β, γ αποτελούνται, αντίστοιχα, από 6, 7 ή 8 μονάδες γλυκόζης και είναι αποτέλεσμα της μεταβολικής μετατροπής που κάνουν στο άμυλο διάφορα είδη βακτηριδίων, με χρήση μιας οικογένειας ενζύμων που ονομάζονται κυκλογλυκοσυλοτρανσφεράσεςαμυλάσες (CGTases). Με ρύθμιση των συνθηκών σε αυτές τις βιοτεχνολογικές αντιδράσεις μπορούν να ληφθούν οι 3 διαφορετικοί προαναφερθέντες ολιγοσακχαρίτες. Οι εμπορικά κυκλοφορούσες κυκλοδεξτρίνες παράγονται ακόμα και σήμερα με αντίστοιχες διαδικασίες, με τη διαφορά πως πλέον υπάρχουν περισσότερο εξειδικευμένα ένζυμα, τα οποία παράγουν σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ποσότητα την επιθυμητή κυκλοδεξτρίνη. Εικόνα 1: Δομή των α, β, και γ κυκλοδεξτρινών Τα βασικά χαρακτηριστικά τους φαίνονται στον παρακάτω Πίνακα: Κυκλοδεξτρίνες με λιγότερες από έξι μονάδες γλυκόζης δε μπορούν να σχηματιστούν λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης, ενώ κυκλοδεξτρίνες με εννέα ή περισσότερες μονάδες γλυκόζης είναι σχετικά δύσκολο να ληφθούν. 1

2 Λόγω του σχηματισμού των μονάδων της γλυκοπυρανόζης, τα μόρια κυκλοδεξτρίνης διαμορφώνονται σαν κόλουροι κώνοι. Η εσωτερική κοιλότητα του κώνου είναι υδρόφοβη (συγκρίσιμη με ένα αιθανολικό διάλυμα) και τα άκρα (εξωτερική επιφάνεια) υδρόφιλα. Η υδροφιλία των άκρων οφείλεται στα απεικονιζόμενα ελεύθερα υδροξύλια, συγκεκριμένα τα (2),(3) ΟΗ, χαρακτηριζόμενα ως δευτερεύοντα, που προβάλουν στην ευρύτερη είσοδο του «δακτυλιδιού» και τα (6) ΟΗ, χαρακτηριζόμενα πρωτεύοντα, που προβάλουν στην στενότερη. Οι συγκεκριμένες θέσεις επηρεάζουν σημαντικά το μόριο και αποτελούν θέσεις στόχους για αλκυλίωση ή γενικότερη προσθήκη ομάδων με στόχο την τροποποίηση των χαρακτηριστικών. Στην κοιλότητα προβάλουν τα αιθερικά οξυγόνα (4) Ο των σακχαρικών δεσμών, καθώς και τα υδρογόνα των θέσεων 3,5,6. Εικόνα 2: Η κυκλοδεξτρίνη σε 3διάστατη απεικόνιση Χημικά τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες: Ένας μεγάλος αριθμός χημικά τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών έχει παραχθεί και μελετηθεί. Η σύνθεσή τους βασίζεται στην αντίδραση χημικών μορίων με τις υδροξυλομάδες των κυκλοδεξτρινών. Οι συνήθεις αντιδράσεις παραγωγοποίησης είναι εστεροποιήσεις και αιθεροποιήσεις, οδηγώντας σε κυκλοδεξτρίνες με σημαντικά διαφοροποιημένες ιδιότητες. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες είναι οι υδροξυ-αλκυλιωμένες CDs που: -είναι πολύ ευδιάλυτες -δεν κρυσταλλώνουν -είναι οι πλέον ασφαλείς (λιγότερο τοξικές) 2

3 Εικόνα 3: Οι κυριότερες χημικά τροποποιημένες CDs Η παραγωγή των τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών έχει σαν στόχο: 1. Να αυξήσει την υδατοδιαλυτότητα των κυκλοδεξτρινών, αλλά και των ουσιών που συμπλοκοποιούνται: 2. Να οδηγήσει σε πιο σταθερά σύμπλοκα ουσιών π.χ. φαρμάκων με τις κυκλοδεξτρίνες. Αυτό βασικά οφείλεται στην ανάπτυξη ισχυρότερων δυνάμεων, με αποτέλεσμα π.χ. την ελάττωση της ταχύτητας αποικοδόμησης του φαρμάκου. Σχηματισμός συμπλόκων εγκλεισμού: Οι κυκλοδεξτρίνες μπορεί να εγκλωβίσουν στο εσωτερικό τους το υδρόφοβο τμήμα μορίων (π.χ. φαρμάκων) σχηματίζοντας σύμπλοκα εγκλεισμού. Τα σύμπλοκα εγκλεισμού είναι μοριακές δομές στις οποίες μετέχουν 2 τουλάχιστον μόρια, από τα οποία το ένα (ξενιστής) περικλείει το άλλο (επισκέπτης). Η σταθερότητα του συμπλόκου εξαρτάται από την ισχύ των δυνάμεων που αναπτύσσονται και τέτοιες είναι (στην υδρόφοβη κοιλότητα): -Van der Waals -υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις -δεσμούς υδρογόνου (με τα ΟΗ της εξωτερικής επιφάνειας) -ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις 3

4 Είναι σημαντικό να τονιστεί πως κατά το σχηματισμό των συμπλόκων εγκλεισμού δεν σχηματίζονται ομοιοπολικοί δεσμοί. Το τελευταίο είναι μεγάλης σημασίας, καθώς το φάρμακο για να απορροφηθεί μέσω των μεμβρανών και να συνδεθεί με τον υποδοχέα πρέπει να απελευθερωθεί από το σύμπλοκο. Σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των συμπλόκων παίζει η απομάκρυνση των μορίων νερού από την υδρόφοβη κοιλότητα της κυκλοδεξτρίνης, δρώντας ως μία ακόμη δύναμη, ελαττώνοντας την ενέργεια του συστήματος. Εικόνα 4: Συμπλοκοποίηση σαλικυλικού οξέος με βcd και συμμετοχή των μορίων νερού Συγκεκριμένα, κατά τη συμπλοκοποίηση το μόριο-επισκέπτης αποκτά κατάλληλο προσανατολισμό ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη επαφή με την υδρόφοβη εσωτερική κοιλότητα, ενώ τα υδρόφιλα μέρη αλληλεπιδρούν με το νερό. Η α-cd έχει μικρό δακτύλιο και λίγα μόρια μπορεί να «φιλοξενήσει». Η β-cd «φιλοξενεί» ιδανικά ένα βενζολικό πυρήνα, ενώ η γ-cd «μπορεί να φιλοξενήσει και μεγαλύτερους δακτυλίους. Το μόριο που έχει εγκλεισθεί στην κοιλότητα της CD μπορεί να απομακρυνθεί από αυτή μόνο από ένα άλλο μόριο με μεγαλύτερη συγγένεια από το ίδιο. Εφόσον δεν υπάρχει ομοιοπολικός δεσμός, είναι σαφές ότι υπάρχει μία δυναμική ισορροπία μεταξύ συμπλόκου, ελεύθερου φαρμάκου και ελεύθερης CD. Φάρμακο + CD [Φάρμακο-CD] Η ισχύς του σχηματιζόμενου συμπλόκου εκφράζεται από τη σταθερά σύνδεσης K st ή K c, όπως φαίνεται παρακάτω: 4

5 η οποία έχει ως μονάδες Μ -1. Η σταθερά σχηματισμού (η τιμή της) του συμπλόκου (Κst) εξαρτάται: κυρίως από την συμβατότητα μοριακού όγκου της CD και του δραστικού μορίου ή του τμήματος του δραστικού μορίου την ιοντική κατάσταση του φαρμάκου (που είναι συνάρτηση του ph) τη λιποφιλία του φαρμάκου ή του τμήματος που εγκλείεται τη λιποφιλία του διαλύτη που τα περιβάλει τη θερμοκρασία την παρουσία επιφανειοδραστικών ή και άλλου διαλύτη Το πιο σύνηθες προϊόν εγκλεισμού έχει στοιχειομετρική αναλογία φαρμάκου : κυκλοδεξτρίνης 1:1. Είναι όμως δυνατόν να σχηματιστούν σύμπλοκα 1:2, 2:1 ή και άλλων στοιχειομετρικών αναλογιών. Εικόνα 5: Σύμπλοκο εγκλεισμού 1:2 Τα σύμπλοκα με στοιχειομετρική αναλογία διαφορετική της 1:1 είναι ασθενέστερα από τα κλασσικά 1:1. Παρασκευή των συμπλόκων: Η παρασκευή των συμπλόκων γίνεται με διαδικασίες όπως: - η συγκαθίζηση - η λειοτρίβηση 5

6 - η λυοφιλοποίηση - η ξήρανση Η συγκαθίζηση είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την παρασκευή των συμπλόκων εγκλεισμού των κυκλοδεξτρινών. Πρόκειται για μία μέθοδο σε εργαστηριακή κλίμακα, που χαρακτηρίζεται από την απλότητα και την απαίτηση για εξοπλισμό χαμηλού κόστους. Η συνήθης διαδικασία περιλαμβάνει: α) τη διάλυση του φαρμάκου σε οργανικό διαλύτη, β) τη διάλυση της κυκλοδεξτρίνης σε υδατικό διάλυμα, ώστε να προκύψει μεγαλύτερη συγκέντρωση από την αντίστοιχη του φαρμάκου, γ) την προσθήκη του διαλύματος του φαρμάκου στο διάλυμα της κυκλοδεξτρίνης με συνεχή ανακίνηση, δ) την ψύξη για την καταβύθιση του συμπλόκου υπό μορφή κρυστάλλων, ε) την έκπλυση των κρυστάλλων με οργανικό διαλύτη και την στ) ξήρανση των κρυστάλλων για την απομάκρυνση του διαλύτη και τη λήψη κόνεως του συμπλόκου. Η λειοτρίβηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε εργαστηριακή όσο και σε βιομηχανική κλίμακα. Αποτελεί μία μέθοδο που βασίζεται στην προσθήκη του φαρμάκου σε υδατικό εναιώρημα της κυκλοδεξτρίνης (υπέρκορο διάλυμα) και λειοτρίβηση σε ιγδίο για το σχηματισμό πάστας μέχρι την πλήρη ξήρανσή της. Η λυοφιλοποίηση είναι μία μέθοδος ξήρανσης με την οποία η υγρασία που περιέχεται σε ένα υλικό μετατρέπεται σε πάγο με κατάψυξη του διαλύματος, ο οποίος στη συνέχεια απομακρύνεται με εξάχνωση μέσω μίας ελεγχόμενης θέρμανσης υπό κενό. Συνεπώς, ένα υδατικό διάλυμα κυκλοδεξτρίνης στο οποίο έχει προστεθεί το φάρμακο και έχει παραμείνει υπό ανακίνηση για αρκετό χρονικό διάστημα μέχρι την ολοκλήρωση της συμπλοκοποίησης, υποβάλλεται σε λυοφιλοποίηση. Η ξήρανση είναι στην ουσία το τελικό στάδιο των προηγούμενων μεθόδων. Είναι απαραίτητη για την απομάκρυνση του διαλύτη (κυρίως νερού) καθώς οδηγεί στην αποκατάσταση ισορροπίας και τη διάσταση του συμπλόκου. Η ξήρανση γίνεται συνήθως σε ξηραντήρες, ώστε να μην υπάρχουν προβλήματα αποικοδόμησης του φαρμάκου από αύξηση της θερμοκρασίας. Μελέτη και χαρακτηρισμός των συμπλόκων: Η μελέτη της διαδικασίας της συμπλοκοποίησης και ο χαρακτηρισμός των συμπλόκων εγκλεισμού είτε όσον αφορά τη στοιχειομετρία της συμπλοκοποίησης είτε τον προσδιορισμό της σταθεράς Κ του συμπλόκου είναι μεγάλης σπουδαιότητας. Μία σειρά αναλυτικών τεχνικών έχουν χρησιμοποιηθεί για αυτό το σκοπό, με τη λογική της συσχέτισης της μεταβολής ενός φυσικοχημικού μεγέθους με την έκταση της συμπλοκοποίησης. Τέτοιες μέθοδοι είναι η φασματοφωτομετρία UV-Vis, η φθορισμομετρία, η φασματομετρία μαζών, η φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού, η περίθλαση ακτίνων Χ, θερμικές μέθοδοι 6

7 (διαφορική θερμική ανάλυση, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Για παράδειγμα, στην περίπτωση της φασματομετρίας UV-Vis το μέγεθος που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση είναι η Απορρόφηση Α. Η μεταβολή της ΔΑ μπορεί να αξιοποιηθεί για την εύρεση της στοιχειομετρίας και τον προσδιορισμό της σταθεράς Κ του συμπλόκου. Εικόνα 6: Μεταβολές στην Απορρόφηση Α και τις τιμές των λ max κατά τo σχηματισμό συμπλόκου εγκλεισμού (Σημ: Οι κυκλοδεξτρίνες δεν απορροφούν στο UV-Vis) Εφαρμογές των κυκλοδεξτρινών: Οι κυκλοδεξτρίνες βρίσκουν εφαρμογή στις ακόλουθες περιπτώσεις: Βρίσκουν πολλές εφαρμογές (μέσω των συμπλόκων) ως: συστήματα διαλυτοποίησης (αύξηση υδατοδιαλυτότητας) συστήματα σταθεροποίησης (υδρολύσεις, οξειδώσεις, φωτοδιασπάσεις κτλ.) ενζυμικά μοντέλα καταλύτες συστατικά στατικών και κινητών φάσεων σε χρωματογραφίες για διαχωρισμό χειρομόρφων μορίων τροποποιητές γεύσης και οσμής (π.χ. Κάλυψη δυσάρεστης οσμής και γεύσης) παράγοντες ελάττωσης ανεπιθύμητων ενεργειών φαρμάκων (π.χ. ελάττωση ερεθιστικότητας) παράγοντες ελάττωσης πτητικότητας πτητικών ουσιών 7

8 Σταθερότητα φαρμάκων και κυκλοδεξτρίνες: Οι κυκλοδεξτρίνες είναι ένας από τους πιο κοινούς τρόπους σταθεροποίησης των φαρμακευτικών μορίων έναντι υδρολύσεων, οξειδώσεων, φωτοδιασπάσεων και άλλων αντιδράσεων μετατροπής τους μετά από την αλληλεπίδραση με στοιχεία του περιβάλλοντος. Η ιδέα της σταθεροποίησης μέσω του συμπλόκου εγκλεισμού έγκειται στην προστασία του αδύνατου σημείου του μορίου, δηλαδή εκείνου του μέρους που υφίσταται την προσβολή του νερού, του οξυγόνου ή του φωτός. Μέσω της στερεοχημικής παρεμπόδισης που παρέχεται με τη συμπλοκοποίηση, καθίσταται δυσκολότερη π.χ. η προσέγγιση του ύδατος (ή H +, OH - ). Αυτό έχει ως συνέπεια την ελάττωση της ταχύτητας υδρόλυσης του μορίου και συνακολούθως την αύξηση του χρόνου ζωής του προϊόντος. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να έχει και η χρήση κυκλοδεξτρινών που φέρουν μόνιμο φορτίο, ως αποτέλεσμα της χημικής τροποποίησης των βασικών κυκλοδεξτρινών. Πίνακας 1: Εμπορικά διαθέσιμα φαρμακευτικά προϊόντα με χρήση κυκλοδεξτρινών 8