ΝΕΑ ΤΡΙΑΔΙΚΑ ΣΥΜΠΛΟΚΑ ΒΑΝΑΔΟ ΥΠΕΡΟΞΟ-ΒΕΤΑΪΝΗΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΙΝΣΟΥΛΙΝΟΜΙΜΗΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΑΡΚΙΝΙΚΗΣ ΤΟΥΣ ΔΡΑΣΗΣ.

Transcript

1 ΝΕΑ ΤΡΙΑΔΙΚΑ ΣΥΜΠΛΟΚΑ ΒΑΝΑΔΟ ΥΠΕΡΟΞΟ-ΒΕΤΑΪΝΗΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΙΝΣΟΥΛΙΝΟΜΙΜΗΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΑΡΚΙΝΙΚΗΣ ΤΟΥΣ ΔΡΑΣΗΣ. Ευφροσύνη Κιοσέογλου, Κατερίνα Γαβριήλ, Αθανάσιος Σαλίφογλου Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124, Τηλ.: , ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε αυτή τη μελέτη επιτεύχθηκε η σύνθεση του τριαδικού υλικού V(V)-υπεροξο-βεταΐνη, με μοριακό τύπο Na 2 [V 2 (O 2 ) 4 O 2 L 2 ], (1) όπου L = Me 3 N(+)-CH 2 -COO(-). Το ασυνήθιστο αυτό κρυσταλλικό υλικό έχει συντεθεί παρουσία του καρβοξυμεθυλο τριμεθυλο αμμωνίου ή βεταΐνης (C 5 H 11 NO 2 ) συναρμοσμένης με το υπεροξο-v(v) συγκρότημα μονοπυρηνικά. Το δεύτερο σύμπλοκο που συντέθηκε είναι το τριαδικό υλικό με μοριακό τύπο K 2 [(VO) 2 (O 2 ) 4 {(CH 3 ) 3 NCH 2 CO 2 )}]. H 2 O (2) και το τρίτο είναι το επίσης τριαδικό υλικό με μοριακό τύπο (NH 4 ) 2 [(VO) 2 (O 2 ) 4 {(CH 3 ) 3 NCH 2 CO 2 )}] H 2 O (3). Το δεύτερο και το τρίτο υλικό παρουσιάζουν παρόμοια δομή. Τα τρία υλικά παρασκευάστηκαν σε σχεδόν ουδέτερο περιβάλλον. Εκπληκτικά, το βανάδιο εμφανίζεται στην πλήρως οξειδωμένη μορφή του +5 και το κίτρινο χρώμα των κρυστάλλων δείχνει την παρουσία περισσότερων του ενός υποκαταστατών υπεροξειδίου που δεσμεύονται με αυτό. Η επιβεβαίωση αυτού του ισχυρισμού προήλθε από την κρυσταλλογραφική μελέτη με ακτίνες- X, με την οποία επιβεβαιώνεται ο διπύρηνος χαρακτήρας των νέων ειδών και ο τρόπος συναρμογής τους. Το ph εμφανίζεται να είναι ένας καθοριστικός πλέον παράγοντας στη σύνθεση που οδηγεί στην απομόνωση των παραπάνω κρυσταλλικών υλικών. Τέλος, οι χαρακτηρισμοί των FT-IR, UV, Raman, φθορισμού, τεχνικών χαρακτηρισμού της δομής και οι βιολογικές μελέτες, οι οποίες διεξάγονται, αναμένεται να παρέχουν πολυάριθμες πληροφορίες για τις φυσικοχημικές ιδιότητές τους και τη δυνατότητά τους ως προς την ινσουλινομιμητική δράση τους. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Έχει βρεθεί ότι οι ενώσεις βαναδίου παρουσιάζουν συνεργιστική δράση με την ινσουλίνη και μπορούν να λειτουργήσουν ως παράγοντες μείωσης της γλυκόζης στο ανθρώπινο αίμα. Για το σκοπό αυτό, οι ενώσεις βαναδίου εμφανίζονται να μιμούνται/ενισχύουν τις περισσότερες από τις μεταβολικές δράσεις της ινσουλίνης τόσο in vitro όσο και in vivo. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι η θεραπεία με βανάδιο μειώνει τα επίπεδα γλυκόζης στο πλάσμα σε πειραματικά μοντέλα του σακχαρώδη διαβήτη Ι και επίσης βελτιώνει την ευαισθησία της ινσουλίνης σε μοντέλα του σακχαρώδους διαβήτη ΙΙ [1]. Η ινσουλινο-μιμητική ικανότητα των ενώσεων του βαναδίου, κυρίως του βαναδικού ανιόντος (σε ph 5-9: H 2 VΟ 4 ) έχει προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον [2,3,4]. Πρόσφατη αναφορά περιγράφει τη χρήση του bis(maltolato)oxovanadium(iv) (BMOV) στη ρύθμιση του επιπέδου της γλυκόζης στο αίμα διαβητικών αρουραίων μετά από χορήγηση του βαναδοσυμπλόκου μέσω του στόματος. Επιπλέον, τα υδατικά διαλύματα υπεροξοβαναδικών ειδών εμφανίζονται να είναι ασταθή και να χάνουν την ινσουλινο-μιμητική τους δραστικότητα με το χρόνο. Παρόλα αυτά, η παρατήρηση αυτή εγείρει την πρόκληση για περαιτέρω έρευνα, η οποία: (i) μπορεί να οδηγήσει σε κλινικά χρήσιμους παράγοντες για τη θεραπευτική αντιμετώπιση του διαβήτη, (ii) προσφέρει διορατικότητα στη λειτουργία δράσης της ινσουλίνης, και (iii) επεκτείνει την βιοανόργανη χημεία του βαναδίου για την ανάπτυξη ινσουλινομιμητικών φαρμάκων.

2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων προμηθεύτηκαν από διάφορες εταιρίες και η καθαρότητά τους κυμαινόταν από 97% έως 99%. Η βεταΐνη (C 5 H 11 NO 2 ) προμηθεύτηκε από την εταιρία Sigma-Aldrich, το πεντοξείδιο του βαναδίου και η αμμωνία προμηθεύτηκαν από την εταιρία Panreac, το υδροχλωρικό οξύ προμηθεύτηκε από την εταιρία Merck, και τέλος, το υδροξείδιο του καλίου [KOH] και το υδροξείδιο του νατρίου [ΝαΟΗ] προμηθεύτηκαν από την εταιρία Riedel- de Haën. Η παρασκευή των όλων των διαλυμάτων έγινε με υπερκαθαρό νερό. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σ αυτή τη μελέτη σχεδιάσθηκαν και συντέθηκαν διακριτά, τριαδικής φύσεως, υβριδικά υλικά V(V) με οργανικά υποστρώματα και H 2 O 2. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνεται το τριαδικό υλικό V(V)-υπεροξο-βεταΐνη (L), με μοριακό τύπο Na 2 [V 2 (O 2 ) 4 O 2 L 2 ] (1), όπου L = Me 3 N(+)- CH 2 -COO(-). Το ασυνήθιστο αυτό υλικό συντέθηκε παρουσία του zwitterion καρβοξυμεθυλο τριμεθυλο αμμωνίου ((carboxymethyl)trimethylammonium) ή βεταΐνη (C 5 H 11 NO 2 ) και οδήγησε στη συναρμογή του οργανικού υποστρώματος στον υπεροξο-v(v) μονοπυρηνικό σκελετό. Το δεύτερο υλικό που συντέθηκε είναι το τριαδικό υλικό με μοριακό τύπο K 2 [(VO) 2 (O 2 ) 4 {(CH 3 ) 3 NCH 2 CO 2 )}]. H 2 O (2), και το τρίτο είναι επίσης τετραϋπερόξο υλικό με μοριακό τύπο (NH 4 ) 2 [(VO) 2 (O 2 ) 4 {(CH 3 ) 3 NCH 2 CO 2 )}] H 2 O (3). Σύνθεση υπεροξο τριαδικών ενώσεων του βαναδίου V(V) με τη βεταΐνη Η σύνθεση των ενώσεων αυτών του βαναδίου στην οξειδωτική κατάσταση +5 πραγματοποιήθηκε στο νερό, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Συγκεκριμένα, η αντίδραση του V 2 O 5 με τη βεταΐνη (C 5 H 11 NO 2 ), σε υδατικό διάλυμα ph ~ 6.5 παρουσία υπεροξειδίου, οδήγησε στην απομόνωση κίτρινου κρυσταλλικού υλικού στους 4 o C που αντιστοιχεί στις ενώσεις 1-3. Για τη ρύθμιση του ph χρησιμοποιήθηκε διάλυμα ΚΟΗ, NaOH ή NH 3 Συγκεκριμένα, η αντίδραση για τον σχηματισμό της ένωσης 2 φαίνεται παρακάτω. Παρόμοια σχηματίζονται οι ενώσεις 1 και 3 με αλλαγή μόνο του αντισταθμιστικού ιόντος: KOH/H 2 O 2 V 2 O C 5 H 11 NO 2 ph~4.5 Εικόνα 1. Σχηματική παράσταση της αντίδρασης 2 Σύνθεση της ένωσης g (1.1 mmol) V 2 O 5 διαλύθηκαν σε 3 ml υπερκαθαρού νερού. Στο μίγμα που προέκυψε προστέθηκε υδατικό διάλυμα ΚΟΗ υπό συνεχή ανάδευση. Το μίγμα της αντίδρασης με πορτοκαλί χρώμα θερμάνθηκε στους 50 ο C μέχρι να σχηματιστεί διαυγές άχρωμο υλικό ΚVO 3. Το μίγμα αφέθηκε να κρυώσει και στη συνέχεια προστέθηκαν 0.26 g (2.2 mmol) βεταΐνης (C 5 H 11 NO 2 ). Το διάλυμα παρέμεινε διαυγές, ενώ το ph του ήταν Στη συνέχεια προστέθηκε HCl (37% κ.ό.) για να πέσει το ph του διαλύματος. Το διάλυμα παρέμεινε διαυγές μέχρι το τελικό ph 6.5, ενώ το χρώμα του έγινε πορτοκαλί-κίτρινο. Τέλος, προστέθηκε Η 2 Ο 2 (30% κ.β.) σε αναλογία V: Η 2 Ο 2 1:16, (1.78 ml) υπό ανάδευση. Το διάλυμα έγινε πορτοκαλί και το ph μειώθηκε περισσότερο στο 4.5. Το μίγμα της αντίδρασης τοποθετήθηκε στο ψυγείο στους 4 ο C. Μετά από δέκα μέρες το διάλυμα παρέμεινε κίτρινο και προέκυψε κίτρινο κρυσταλλικό υλικό, το οποίο απομονώθηκε με διήθηση υπό κενό.

3 Με παρόμοιο τρόπο παρασκευάστηκαν οι ενώσεις 1 και 3. O2 C4 N C3 C5 O12 O3 O4 O10 V2 O7 V1 O1 C1 C2 O8 O9 O11 O5 O6 Εικόνα 2. Diamond διάγραμμα του [V 2 (O 2 ) 4 O 2 {(CH 3 ) 3 NCH 2 CO 2 )}] ανιοντικού συμπλόκου στις ενώσεις 1 και 2. Φασματοσκοπία FT-IR Transmitance %T wavenumber cm -1 Εικόνα 3. Φάσμα FT-IR της ένωσης 2.

4 Η φασματοσκοπία FT-IR σε KBr έδειξε αρκετά σημαντικές απορροφήσεις σε όλες τις περιπτώσεις των συμπλόκων Ως χαρακτηριστικό παράδειγμα αναφέρεται η περίπτωση του συμπλόκου 2. Η αντισυμμετρική τάση δόνησης των καρβοξυλίων της βεταΐνης που συναρμόστηκε με το V(V) εμφανίζεται στην περιοχή 1632 cm Η συμμετρική τάση δόνησης των καρβοξυλίων, εμφανίζεται στην περιοχή cm Οι δονήσεις των υπεροξο ομάδων στα παραπάνω σύμπλοκα εμφανίζονται στην περιοχή cm -1. Ανάλογες μετρήσεις για τα τρία σύμπλοκα έγιναν με φασματοσκοπία NMR, Raman και φθορισμού. Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων με άλλες φασματοσκοπίες και επαληθεύουν τη δομή που προέκυψε από κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Φασματοφωτομετρία UV-Visible 4 Absorbance, A λmax= A=1.22 e= Wavelength, nm Εικόνα 4. Το ηλεκτρονικό φάσμα του 2 σε H 2 O Η φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού (UV-Vis) της ένωσης 2 που παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήμα δείχνει ότι: 1. Το ηλεκτρονικό φάσμα παρουσιάζει μια ζώνη στα 329 nm (ε 183 M -1 cm -1 ) με προοδευτική αύξηση της απορρόφησης στην υπεριώδη περιοχή. 2. Μια επιπλέον χαρακτηριστική απορρόφηση παρατηρείται στα ~228 nm (ε 612 M -1 cm -1 ). 3. Η LMCT ζώνη στα 329 nm έχει αποδοθεί στην παρουσία συναρμοσμένης υπεροξο ομάδας στο βανάδιο.

5 Θερμοσταθμική Ανάλυση TGA-DTG Εικόνα 5. Θερμική ανάλυση TGA-DTG της ένωσης 1 Η θερμική ανάλυση TGA-DTG της ένωσης 1 που παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήμα δείχνει ότι, η ένωση 1 είναι θερμικά σταθερή μέχρι και τους 30 C. Από αυτό το σημείο και έπειτα αρχίζει μια διεργασία αφυδάτωσης της 1, με απομάκρυνση των μορίων του νερού από το πλέγμα μεταξύ 30 και 146 C, αντανακλώντας μια ενδόθερμη διεργασία. Ακολουθούν στη συνέχεια αλλεπάλληλα στάδια μεταξύ 146 C και 409 C που περιλαμβάνουν διάσπαση του οργανικού μέρους του μορίου κατά 68.33% του συνολικού του βάρους και με χωρίς περαιτέρω απώλειες βάρους μέχρι τους 1200 C. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η μελέτη της αλληλεπίδρασης βεταΐνης, υπεροξειδίου του υδρογόνου και βαναδίου(v) αναπτύχθηκε στα πλαίσια της δομικής ειδοκατανομής. Σύμφωνα με αυτήν, συντέθηκαν στο εργαστήριο υδατοδιαλυτά και πιθανώς βιοδιαθέσιμα είδη του βαναδίου με φυσιολογικούς υποκαταστάτες α) κάτω από ph-εξαρτώμενες συνθήκες, β) μεταβαλλόμενη μοριακή στοιχειομετρία V:υπόστρωμα (για δυαδικά συστήματα) και V:υπόστρωμα:Η 2 Ο 2. Τα είδη αυτά χαρακτηρίστηκαν στην πλειοψηφία τους φασματοσκοπικά (UV-Visible, FT-IR) και δομικά με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Πέραν αυτών των τεχνικών, μελετήθηκε η ηλεκτροχημική συμπεριφορά των αναδυόμενων ειδών με κυκλική βολταμμετρία και η θερμοσταθμική τους συμπεριφορά με TGA-DTG. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών παρείχε πολυάριθμες πληροφορίες για τις ιδιότητές τους στη στερεά και υγρή φάση, προβάλλοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης ινσουλινομιμητικής δράσης [3,4,5]. Στο πλαίσιο αυτό, είναι σημαντικό να εξακριβωθεί αν οι φυσικοχημικές ιδιότητες των δυαδικών βαναδιο-τετρα-υπερόξο συμπλόκων που αλληλεπιδρούν με ligands, όπως η βεταΐνη, μπορούν να διαφοροποιηθούν δομικά παρέχοντας διαλυτά και βιοδιαθέσιμα σύμπλοκα είδη, ικανά για την προώθηση περαιτέρω αλληλεπιδράσεων, με μεγαλύτερης μοριακής μάζας βιομόρια, και τελικό στόχο την ατοξική ενισχυμένη ινσουλινομιμητική δράση. Τα συμπεράσματα που εξάγονται από τη μελέτη των συστημάτων αυτών δίνονται παρακάτω: Οι νέες ενώσεις του βαναδίου που έχουν συντεθεί, απομονωθεί, και χαρακτηριστεί πλήρως, αποτελούν διακριτά υδατοδιαλυτά είδη.

6 Τα είδη αυτά πιθανώς να είναι βιοδιαθέσιμα. Όλα τα είδη που έχουν απομονωθεί, συντέθηκαν κάτω από ph-εξαρτώμενες συνθήκες. Το ph, στο οποίο πραγματοποιείται μια συνθετική αντίδραση, επηρεάζει το βαθμό αποπρωτονίωσης των διαφόρων υποκαταστατών και κατά συνέπεια τα χημικά είδη που σχηματίζονται. Σημαντικό παράγοντα στη συνθετική διαδικασία αποτελεί το αντισταθμιστικό ιόν, το οποίο χρησιμοποιείται κάθε φορά για την εξουδετέρωση του ανιοντικού φορτίου του κάθε χημικού είδους που γεννάται στο υδατικό διάλυμα. Κάποια από τα είδη που έχουν απομονωθεί, έχει βρεθεί ότι δε μπορούν να απομονωθούν με κάποιο άλλο αντισταθμιστικό ιόν παρά μόνο με το συγκεκριμένο. Η εξειδίκευση αυτή συνδέεται με τη θερμοδυναμική σταθερότητα του είδους στο διάλυμα, τη διαλυτότητά του και τη δυνατότητα να απομονωθεί στη στερεά κατάσταση Τα αντισταθμιστικά ιόντα προέρχονται από υδατικά διαλύματα βάσεων, που χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση του ph. Στις περιπτώσεις των ενώσεων του βαναδίου V(V) με τη βεταΐνη, αναμένονται νέα είδη με μορφή αμφοτερικού ιόντος (zwitterion) και ιδιαίτερες ιδιότητες. Τα φάσματα UV-Visible των ενώσεων του βαναδίου στο διάλυμα, είναι σε συμφωνία με τη δομή τους στη στερεά κατάσταση. Τα φάσματα FT-IR των ενώσεων του βαναδίου είναι σε συμφωνία με τη δομή των συμπλόκων. Η μελέτη της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς των συμπλόκων ενώσεων του βαναδίου προτείνει ότι πιθανώς να υπάρχουν και άλλα χημικά είδη που δεν έχουν συντεθεί και χαρακτηριστεί μέχρι σήμερα. Οι διακριτές αυτές ιδιότητες των χημικών ειδών μεταβάλλουν τη διαλυτότητα και τη βιοδιαθεσιμότητά τους και εν δυνάμει τη βιολογική δραστικότητά τους (ινσουλινομιμητική δράση). Το τελευταίο αναμένεται να προσδιορισθεί με in vitro πειράματα με αδιποκύτταρα. Για την περαιτέρω διερεύνηση της χημείας του βαναδίου, απαιτούνται στοχευμένες προσπάθειες ph-εξαρτώμενης σύνθεσης, δομικού και φασματοσκοπικού χαρακτηρισμού νέων ειδών του βαναδίου με α) διακριτά δομικά χαρακτηριστικά, και β) λογικό σχεδιασμό (rational design) της φύσης ομάδων που συμμετέχουν στα φυσιολογικά υποστρώματα που χρησιμοποιούνται για τη δέσμευση του βαναδίου. Περαιτέρω συνθετικές προσπάθειες για τη διερεύνηση της χημείας του βαναδίου στις βιολογικά αποδεκτές οξειδωτικές καταστάσεις V(IV) και V(V) με άλλα φυσιολογικά υποστρώματα θα πρέπει να περιλαμβάνουν μοριακούς στόχους, όπως αμινοξέα, νουκλεοτίδια, σάκχαρα, ενώσεις με φωσφορικές ομάδες κ.ά. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Gabriel C., Kaliva M., Venetis J., Baran P., Rodriguez-Escudero I., Voyiatzis G., Zervou M., Salifoglou A., Inorg. Chem. 48: (2009). [2] Djordjevic C., Wampler G.L., J. Inorg.Biochem. 25:51 55 (1985). [3] Gabriel C., Kioseoglou E., Venetis J., Psycharis V., Raptopoulou C.P., Terzis A., Voyiatzis G., Bertmer M., Mateescu C., Salifoglou A., Inorg. Chem. 51: (2012). [4] Marzban L., McNeill J., The Journal of Trace Elements in Experimental Medicine 16:253 (2003).

7 [5] Kaliva M., Raptopoulou C.P., Terzis A., Salifoglou A., J. Inorg. Biochem. 93:161 (2003). [6] Kaliva M. et al., Inorganic Chemistry 43:2895 (2004). [7] Zhou Z.-H., Yan W.-B., Wan H.-L., Tsai K.-R., Wang J.-Z., Hu S.-Z., Chem. Crystallogr. 25:807 (1995). [8] Goldwaser, I., Qian, S., Gershonov, E., Molecular Pharmacology 58: (2000). [9] Shaver A., Ng J., Hall D., Inorg. Chem. 32: (1993). [10] Kaliva M., Raptopoulou C.A., Terzis A., Salifoglou A., J. Inorg. Biochem. 93:161 (2003).