Modelización molecular de complejos de inclusión de

Ciclodextrinas con Acetazolamida

Cristina Ortega Miranda

DEPARTAMENTO DE FARMACIA Y TECNOLOGÍA FARMACÉUTICA

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TRABAJO FIN DE GRADO

GRADO EN FARMACIA

MODELIZACIÓN MOLECULAR DE COMPLEJOS DE INCLUSIÓN DE CICLODEXTRINAS CON ACETAZOLAMIDA

CRISTINA ORTEGA MIRANDA

Sevilla, 6 Julio 2016. Facultad de Farmacia, Aula multimedia.

Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica.

Prof. Dr. José Ramón Moyano Méndez.

Trabajo experimental.

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Resumen Lasciclodextrinas(CDs)sonoligómeroscíclicosconstituidosporseis,siete,ochoomásunidadesde

α-D-glucopiranosa unidos por enlaces 1-4. Se obtienen por una reacción de degradación de la

enzimaciclodextrin-glucotransferasasobreelalmidón.TantolasCDsnaturalescomosusdiferentes

derivados poseen la capacidad de formar compuestos de inclusión con una amplia variedad de

especiesquímicas,modificandolaspropiedadesfisicoquímicasdelasmismasdeformaventajosa.

EstefenómenoconstituyelabasedemúltiplesaplicacionesenelcampodelaMedicina,Farmacia,

Química,Agricultura,AlimentaciónyMedioambiente,entreotras.

En la actualidad, en nuestro departamento se están estudiando diferentes aspectos de la

complejacióndeACZconCDs,conobjetodeaumentarsusolubilidadypermitirlaincorporaciónde

unamayorconcentracióndefármacoeneldesarrollodeunmedicamentosoluciónoftálmicapara

tratamiento del glaucoma. En este trabajo, intentaremos profundizar el conocimiento de las

interacciones entreACZ yuna seriedeCDs, en concretoβ-CDehidroxipropil β-CD (HP-b-CD) al

formarcomplejosde inclusiónatravésdemodelizaciónmolecular (insilico),medianteelusode

softwaredemodelizaciónmolecular.Paraello,seacudióalempleodemecánicamolecular(campo

defuerzaMM+enelvacío),complementándosecon laaplicacióndemétodossemiempíricosde

mecánicacuántica (ParametricModel3).Para lacorrecta realizacióndeesta técnicayasípoder

hallarelmínimoglobaldeenergía, fuenecesariopartirdeestructurasdemínimaenergíade los

monómeros(fármacosyCDs).Losresultadosobtenidossugierenlaformacióndecomplejosestables

yportantoviables,paraloscualesseobservóquelospuentesdehidrógenojugabanunpapelmuy

importante.Engeneral, losvaloresdediferencialdeenergíaHOMO-LUMOsehallaronenbuena

correlación con los valores de energía de complejación e interacción confirmando también la

estabilidaddeloscomplejos.

Palabrasclave:acetazolamida,ciclodextrina,complejodeinclusión,modelizaciónmolecular.

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Índice

1. Introducción y antecedentes…………………………………………………………..4 1.1. Historia y características de las ciclodextrinas………………………..4

1.2. Complejos de inclusión……………………………………………………………..8

1.3. Métodos de elaboración de complejos de inclusión……………….10

1.4. Aplicaciones de los complejos de inclusión…………………………...11

1.5. Modelización molecular………………………………………………………....14

2. Objetivos………………………………………………………………………………………..17

3. Metodología……………………………………………………………………………......18

4. Resultados……………………………………………………………………………………..21

5. Discusión…………………………………………………………………………………………24

6. Conclusiones………………………………………………………………………………….29

7. Bibliografía…………………………………………………………………………………….30

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1. Introducción y antecedentes

1.1. Historia y características de las ciclodextrinas

Las ciclodextrinas (CDs) son un conjunto de sustancias obtenidas a partir de la degradación

enzimáticadelalmidón.LasCDspertenecenalafamiliademoléculascuyaestructurasecompone

de una cavidad hidrófoba dimensionalmente estable que puede atrapar o encapsular otras

moléculas. Las notables propiedades de encapsulación conducen a una relación de tipo

"hospedador-huésped"quesepuedenmodificary/omejorarlascaracterísticasfísicas,químicas,y

biológicasdelamoléculahuésped(Crini,2014).

La historia de las CDs se inició en Francia a finales del siglo XIX con la labor del farmacéutico y

químicoAntoineVillierssobrelaaccióndelasenzimasendiversoshidratosdecarbono;enparticular,

losestudiosqueutilizan lasprocedentesdelClostridiumbutyricum sobre lade féculadepatata.

Villiersdescribeque,bajociertascondiciones,elalmidóndepatatapuedefermentarparaproducir

principalmente dextrinas. En junio de 1891, Villiers describe la composición química de estos

hidratosdecarbonocristalinosypropusoelnombrede“celulosina”debidoalassimilitudesconla

celulosa(Crini,2014).

AprincipiosdelsiglopasadoenViena,elquímicoybacteriólogoaustríacoFranzSchärdinger,estudió

losmicroorganismosresistentesalcaloryteníacomoobjetivomejorarlacomprensióndelaquímica

yladegradacióndelalmidón.En1903,descubrióqueuntipodemicroorganismomuyresistenteal

caloreracapazdedisolverelalmidónyformarsubproductoscristalinos,distinguiendodostiposde

polisacáridos a los que llamó dextrina cristalina A y dextrina cristalina B. La forma B se parecía

celulosina de Villiers. Entre 1905 y 1911, Schärdinger da la primera descripción detallada de la

preparación,separaciónypurificacióndeestasdosprimeroscelulosinas(Crini,2014).

En1910,HansPringsheim,químicoybioquímicoalemán,aislóα-dextrinasyß-dextrinaspuras,y

describió suspropiedades fundamentales, confirmando las conclusionespreviamentepublicadas

porSchärdinger.Tambiénmostróquelasdosdextrinaseransolublesenagua,peroinsolublesen

alcohol,éterycloroformo,yéstasnosereducíanen lasolucióndeFehling.Además,Pringsheim

descubreelpodercomplejantedeestoscompuestosysucapacidadparaformarcompuestosde

inclusión(Crini,2014).

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EstudiosposterioresrevelaronquelasCDsestánformadasporseis,siete,ochoomásunidadesde

α-D-glucopiranosaunidosporenlaces1-4,y seproducenporuna reaccióndedegradaciónde la

enzimaciclodextrin-glucotransferasasobreelalmidón(MartíndelValle,2004).

Por tanto, las CDs son oligómeros cíclicos que contienen varias unidades de glucosa unidas por

mediodeenlacesα(1−4)conformandounanillo.Poseenunextremoquecontienegruposhidroxilo

primarios,otroextremocongruposhidroxilossecundariosyenelinteriordelacavidadlosgrupos

CH y oxígenos glucosídicos. El extremo donde se sitúan los grupos hidroxilo primarios tiene un

diámetroreducidocomparadoalextremodondeseencuentranlosgruposhidroxilosecundarios.

EstosextremosdelaCDquecontienenlosgruposhidroxilosonpolares,mientrasquesuinteriores

relativamentenopolar.UnacualidadquecaracterizaalasCDseslaformatoroidalquedelimitauna

cavidad apolar, mientras que en el exterior el ambiente es hidrófilo, gracias a los hidroxilos

previamentedescritos(Jullian,2007)(Figuras1y2).

Figura1.Estructuraquímicaydimensionesaproximadasdelabeta-CD(MartínezyGómez,2007).

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Figura2.Estructurabeta-CD:ModelomoleculardeStuart(izquierda)yestructura(derecha)(Crini,2014).

Loshidroxilos secundarios -OH (3) son losmenos reactivos,pudiendo reaccionar selectivamente

cuando los -OH (2) y -OH (6) han sidobloqueadospreviamente. Como consecuenciadeque los

grupos hidroxilo libres están situados en el exterior de la superficie de los anillos, las CDs son

hidrófilasysolublesenaguaysusolubilidadeselresultadodelacapacidaddeinteraccióndedichos

gruposhidroxiloconelmedioacuoso,siendomayorparalaγ-CDylaα-CD.LasCDssonigualmente

solubles en disolventes apróticos fuertemente polares, como el dimetilsulfóxido y la

dimetilformamida. Las CDs son estables en disoluciones neutras y básicas, pero se degradan

lentamenteenpHácido.Enestadosólidosedescomponenporencimade200ºC(MartínezyGómez,

2007).

LosgruposhidroxilodelasCDssonreactivosypermitenmediantesíntesisquímicalaobtenciónde

derivadosmediantelaintroduccióndediferentessustituyentes,quealterandeformasignificativa

laspropiedadesdelasCDsdeorigen.(Cyclolab,2016;Szejtli,1998;Uekamaycols.,1998)(Figura3).

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Figura3.DerivadosmásusualesdelasCDs(Cyclolab,2016).

Entrelasmodificacionesmásventajosasestánlareduccióndetoxicidad,elaumentodesolubilidad

intrínseca,lamejoradelaselectividadenprocesodeseparaciónquímica/catálisis,laformaciónde

polímerosdeCDs,etc.

UnodelosderivadosmásutilizadossonlasCDshidroxipropilados,queposeenunaaltasolubilidad

y baja toxicidad con respecto a las CDs de origen, lo cual las hace un candidato ideal para la

vehiculizacióndeprincipiosactivosdebajasolubilidadensolucioneparenteralesyoftálmicas,entre

otras. Con diferentes grados de sustitución, destaca la hidroxipropil b-CD, una de las CDs que

formaránpartedeesteestudio.

Asimismo,losderivadossulfobutiléterymetiladosocupanunlugardestacadoencuantoasuusoy

potencialidades(StellaRajewsky,1994,Szejtli,1998).

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1.2. Complejos de inclusión

Eltérmino"einschlussverbindurg"(compuestodeinclusión)fueintroducidoporSchlenken1950;

tambiénseconoceenlaliteraturaatravésdeotrasdenominaciones,talescomoaducto,clatrato,

compuestomolecularycomplejo(Szejtli,1998).

Loscomplejosdeinclusiónsonsistemasquepresentanlaestructuradeunclatrato,esdeciruna

moléculaquecontieneunsegundotipodemolécula.Elcompuestohuéspedsesitúaenlacavidad

del hospedador sin alterar su estructura de forma significativa pudiendo formar compuestos

cristalinosapartirdemoléculasencualquierestadodelamateria(Szejtli,2004).

EnmedioacuosolacavidaddelaCDsehallaocupadapormoléculasdeagua.Alserestadecarácter

apolarseproduceuna interaccióndesfavorable,por loquees fácilqueestasmoléculasdeagua

seansustituidaspormoléculashuéspedmenospolares, loqueda lugaralcomplejode inclusión

(Szejtli,2004).

LaformacióndepuentesdehidrógenopermitequelasCDpuedaninteraccionarentresí,pudiendo

darlugaradímeros,loquefavorecelauniónconmoléculashidrófobasdegrantamañocomolos

esterolesyesteroides(Loftssonycols.,2006).TambiénsepuededarlaunióndevariasCDdando

lugaraunsistemapolimérico(Wintgensycols.,2012).Laformacióndecomplejosdeinclusiónde

moléculas de fármaco con CDs suele ir acompañada de cambios favorables en las propiedades

fisicoquímicasdel fármaco, tales como la solubilidad, velocidaddedisolución, la estabilidady la

biodisponibilidad(AlAzzamycols.,2015)

Laestequiometríamáscomúndeloscomplejosdefármaco-CDes1:1,esdecir,unamoléculade

fármacoformauncomplejoconunamoléculadeCD.Laestequiometríadeloscomplejosenestado

purodependesolamentedelanaturalezadelasustanciaacomplejarydelasdimensionesdela

cavidadde laCDo sus sustituyentes.Así, no sólopodemosencontraren solución complejosde

estequiometría1:1,sinotambién1:2,2:1,ó2:2.Ensolución,elequilibriodeasociación-disociación,

así como la concentración del huésped y/o de CD, determina la relación forma libre/forma

complejadaparaelhuéspedylaCD(Loftssonycols.,2004).

LagranimportanciadelasCDsresideensucapacidaddeformarcomplejosdeinclusióndeforma

selectivaconotrasmoléculas,ioneseinclusoradicales,modificandodichauniónlaspropiedadesde

lasmoléculashuéspedyhospedadora(Dodziuk,2006).

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Los complejos de inclusión se forman cuando la molécula "invitada" está parcial o totalmente

incluida dentro de la "cavidad de acogida". Debido a la cavidad hidrofóbica, las CDs ofrecen al

huéspedunambienteadecuadoparalainteracción.LaesferaexteriordelasCDsescompatiblecon

elagua,loquepermitelauniónmediantepuentesdehidrógeno.Debidoaestacaracterística,las

CDsformancomplejosdeinclusiónconunaampliavariedaddecompuestoshidrófobosycambian

las propiedades fisicoquímicas y biológicas de las moléculas huésped. Estos cambios pueden

mejorarelpotencialterapéuticodelosfármacosporladisminucióndesudescomposiciónantesde

queentrenlostejidosymediantelaalteracióndelaformaenqueentraneneltejido.(Gidwaniy

Vyas,2015).

Puestoquelaformacióndecomplejosinfluiráenlaspropiedadesfisicoquímicasdelosmediosde

complejaciónacuosa,losmétodosquemonitorizanestoscambiosdelosmediossepuedenaplicar

para estudiar la formación de complejos. Por ejemplo, las mediciones de los cambios de

conductividad,determinacionesdedepresióndelpuntodecongelación,lasmedidasdeviscosidad

ytitulacionescalorimétricas.Sinembargo,sólounospocosdeestosmétodossepuedenaplicarpara

obtener informaciónestructuralde los complejosde fármaco /CD.Para clasificar los complejos

basándonosensuefectosobrelasolubilidaddelsustrato,seusanlosperfilesdesolubilidaddefase

(HiguchiyConnors,1965;Loftssonycols.,2002)(Figura4).

LosperfilesdesolubilidaddefasetipoAseobtienencuandolasolubilidaddelsustratoaumentacon

elaumentodelaconcentracióndeligando(esdecirCD).Cuandoelcomplejoesdeprimerorden

con respecto al ligando y primero o superior orden con respecto al sustrato, los perfiles de

solubilidaddefaseseobtienendetipo𝐴".Sielcomplejoesdeprimerordenconrespectoalsustrato

perodesegundoomásaltoordenconrespectoalligando,seobtienenperfilesdesolubilidadde

fasedetipo𝐴#.Losperfilesdesolubilidaddefasedetipo𝐴$puedenserdifícilesdeinterpretar.Los

perfilesdesolubilidaddefasedetipoBindicanlaformacióndecomplejosconsolubilidadlimitada

en elmedio de complejación acuosa. En general, los derivados de CD solubles en agua forman

perfiles de solubilidad de fase de tipo A, mientras que las CDs naturales menos solubles con

frecuenciaformanperfilesdetipoB.EnelprimerpuntodelacurvatipoBlasoluciónestásaturada,

loqueproduce la formacióndeunamesetaen lagráficaalañadirmásCD.El finalde lameseta

correspondeconunaprecipitacióndel complejodebidoa laadicióndeCDextra.Secreeque la

mayoríadeloscomplejosdefármaco/CDsoncomplejosdeinclusión,perotambiénseconocen

CDs para formar complejos de no inclusión y agregados de complejos capaces de disolver

medicamentosatravésdeestructurasdetipomicela.Losperfilesdesolubilidaddefasenoverifican

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la formación de complejos de inclusión, sólo describen cómo la creciente concentración de CD

influyenenlasolubilidaddelfármaco(Loftssonycols.,2002).

Figura 4. Diagrama de solubilidad de fases (Loftsson y cols., 2002)

1.3. Métodos de elaboración de complejos de inclusión

Losmétodos de elaboración de los complejos de inclusión recogidos en la bibliografía sonmuy

diversos.Sinembargo,éstospuedenseragrupadosendistintostipos,pudiendopresentarcadauno

deellosdiferentesvariantes.Acontinuaciónseexponen losmásusuales (Moyanoycols.,1994;

1995).

1.3.1. Preparacióndecomplejosenmediolíquido:

1.3.1.1. Preparaciónensolución:

- Coprecipitación:Lamezclasesometeaagitaciónatemperaturaconstantehastaalcanzarel

equilibrio.El complejoprecipitaen formadeunpolvomicrocristalino, se filtray se seca

(Moyanoycols.,1998).

- Neutralización:ConsisteenadicionaraunasoluciónácidaobásicadeCD,elprincipioactivo

enformadesal,seajustaelpHdelmedioalaneutralidadyelprecipitadoobtenidosefiltra

ysesometeasecado(Moyanoycols.,1998).

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- Atomización:Sebasaenprepararunasoluciónde laCDydelprincipioactivoenaguao

disolvente orgánico, se somete a agitación durante, tras la cual es introducida en un

atomizador(Spray-Dryer),dondeesnebulizadaenformadegotículasaaltatemperatura,

evaporándoseeldisolventeyrecogiéndoselaspartículasdesoluto.

- Liofilización:Seprocededelamismaformaqueenelmétodoanterior,peroenestecasola

soluciónseliofiliza,aislándoseelcompuestodeinclusión.

- Evaporación(co-evaporación):Consisteenprepararunasolución,generalmenteetanólica,

delaCDydelprincipioactivoenproporcionesmolaresenteras(1:1,1:23:4),sesometea

agitaciónysedejaevaporareldisolvente.

1.3.2. Preparacióndecomplejosenmediosólido:

- Amasado:seusaenfármacosdebajasolubilidad.LamezcladeprincipioactivoyCDjunto

con una solución acuosa o hidroalcohólica se amasa en un mortero y la masa

posteriormentesesecahastalaevaporacióncompletadellíquido.(Hirayamaycols.,1988).

- Trituración: Consiste en la trituración de la mezcla de CD y principio activo mediante

diferentestécnicas(molinovibracional,molinocerámico,mortero,etc.)(Muraycols.,2001).

- Fusión:Mediante fusión del principio activo, al que se adiciona la CD pulverizada. Tras

enfriamiento,elexcesoesretiradoporlavadoconundisolventequeposeabajatendencia

aincluirseenlacavidaddelaCD.

- Calentamientoencontenedorsellado:ConsisteenintroducirunamezclatrituradadeCDy

principio activo en un recipiente cerrado, se somete a agitación y calentamiento a una

temperaturaytiempodefinidos.

- Métododecompactación:SebasaensometerunamezclafísicadefármacoyCDalaacción

deunaprensahidráulica,dandolugaralaformacióndelcompuestodeinclusión.

1.4. Aplicaciones de los complejos de inclusión

EsconocidoyampliamentedescritoenlaliteraturaquelasCDsysusderivadostienenunaamplia

variedaddeaplicacionesprácticas:Farmacia,Medicina,Alimentación,Cosmética,Química,Catálisis,

Biotecnología, Industria textil,etc. La investigaciónsobreCDs tambiénesmuyactivaencampos

talescomolaformulacióndedetergentesyadhesivos,elsectorde losplásticosy la industriade

fibrasypapel.Lagranmayoríadeestasaplicacionesquímicasybiológicassebasanenlacapacidad

deformarcomplejosdeinclusión(Crini,2014).

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Loscamposdeaplicaciónsondiversos.DestacamoselempleodeCDs,aunqueasociadasasistemas

poliméricos, para la purificación de aguas. Existen importantes proyectos internacionales que

intentandesarrollarsistemasquepermitaneliminarsustanciascontaminantes(metalespesadosy

pesticidas)atravésdeCDsfuncionalizadasqueretendríanmoléculashidrofóbicaspresentesenel

medioacuoso(MartínezyGómez,2007).

Un importante porcentaje de CDs usadas comercialmente corresponde a la alimentación y a la

cosméticayaseopersonalcomo,porejemplo,laeliminacióndeoloresformadosenladegradación

microbianadelsudor,incorporándoseconestefinendesodorantesdebarra(MartínezyGómez,

2007).

Sinembargo,esindudablequeelmayoresfuerzoeninvestigaciónestárelacionadoconsupotencial

enelcampofarmacéutico(Tabla1).Lainmensamayoríadelosprincipiosactivossonpocosolubles

en agua y, consecuentemente, su velocidad de disolución y su absorción biológica es lenta y

frecuentementepocoeficaz.Lasolubilizacióndefármacospocosolublesmedianteelempleode

CDscontribuyedecisivamentealamejoradesubiodisponibilidad(Carrierycols.,2007;Uekamay

cols.,1998)(Figura5).

Figura5.EfectodelacomplejaciónconCDssobrelabiodisponibilidaddeAPItrasadministración

noparenteral(Uekamaycols.,1998).

2-Hydroxypropyl-!-cyclodext r in is usefu l in prevent -ing the crysta l growth of amorphous nifedipine,main ta in ing a rela t ively fine and uniform size ofcrysta ls even under adverse storage condit ions (60°C, 75% rela t ive humidity). The size of n ifedipinecrysta ls grown in polyvinylpyr ror idone mat r ix was>50 µm, whereas tha t in 2-hydroxypropyl-!-cyclo-dext r in mat r ix after dissocia t ion of the inclusioncomplex is ∼5 µm. Fur thermore, 2-hydroxypropyl-!-cyclodextr in can prevent the polymorphic transit ionof a metastable n ifedipine to a stable form. Themetastable form (form B, mp 163 °C) of n ifedipine ist ransien t ly formed at an ear ly stage of storage of it samorphous form, and the glassy form of nifedipineis obta ined by cooling melt s of the stable form (formA, mp 171 °C). 2-Hydroxypropyl-!-cyclodext r in sup-pressed the crysta lliza t ion of the glassy nifedipineand the polymer ic t ransit ion of form B to form A,indicat ing that form B could be prepared in high yield(75%) by heat ing in the amorphous 2-hydroxypropyl-!-cyclodext r in mat r ix. Such inhibit ions of crysta l-liza t ion and polymorphic t ransit ion are repor ted forchloramphenicol palmita te,108 spironolactone,109 met-ronidazole benzoate,110 and tolbutamide.111 The 2-hy-droxypropylated cyclodextrin complexes with spirono-lactone main ta ined an amorphous sta te for lengthyt ime periods (over 2 months at 75% rela t ive humidityand 60 °C). The whisker growth from tablet s andpowder of isosorbide 5-mononit ra te, an organic n i-t ra te vasodila tor , is reta rded by the complexa t ionwith !-cyclodext r in .112 Therefore, the cyclodext r incomplexa t ion is a lso usefu l for the stabiliza t ion ofdrugs in the solid sta te.

C. Absorption EnhancementThe ra te and exten t of bioava ilability of a poor ly

water-soluble drug from its cyclodextr in complex canbe opt imized by adjust ing var ious factors affect ingthe dissocia t ion equilibr ium of the complex both inthe formula t ion and in the biophase in which thecomplex is administered. Only a free form of thedrug, which is in equilibr ium with the complexed onein solu t ion , is capable of penet ra t ing lipophilic bar -r iers consist ing of either mucosa l epithelia or st ra t i-fied cell layers and eventua lly enter ing the systemiccirculat ion. In general, maximal absorption enhance-ment is obta ined when just enough cyclodext r in isused to solubilize a ll the drug in solu t ion . Fur theraddit ion of cyclodextr in to the drug solut ion decreasesthe free fract ion of the drug and, hence, reduces thedrug’s bioava ilability.Pract ica l formula t ions usua lly conta in a la rge

quant ity of pharmaceut ica l excipien ts, which maycompete with the drug for the cyclodext r in cavity.Such compet it ion may also occur with endogenoussubstances exist ing a t the absorpt ion site. Thedisplacement of the drug from the cyclodextr in cavityby exogenous and endogenous substances a t theabsorpt ion site is responsible for accelera t ion of thedrug absorpt ion .113 For instance, the overa ll processof drug absorpt ion from the solid complex in thepresence of the compet ing agent is shown in Figure5, where k d is the dissolu t ion ra te constan t , Kc is thestability constant of the complex of the drug with the

cyclodext r in , K i is the stability constan t of thecomplex of the competing agent with the cyclodextr in,and k a is the absorpt ion ra te constan t of the drug.High dissolu t ion ra tes and the rela t ive stability ofthe complexes (K i > Kc) favor a free drug which isreadily ava ilable for absorpt ion . By cont rast , a freecyclodext r in after the dissocia t ion of the complexremoves some components from the membrane sur -face, thereby modifying the t ranspor t proper t ies ofthe membranes and facilit a t ing the drug absorpt ion ,especia lly for water -soluble drugs.20 In th is sect ion ,recent findings on enhanced drug absorpt ion byhydrophilic cyclodext r ins administered via differen troutes are descr ibed.

1. Oral DeliveryThe commercia l viability of cyclodextr in-based oral

formula t ions has been established with the market -ing of more than 10 products.25 Hydrophilic cyclo-dext r ins are par t icu la r ly usefu l for improving sta -bility, solubility, dissolu t ion ra te, and wet tability ofdrugs through the formation of inclusion complexes.20The cyclodext r ins are supposed to act only as car r iermater ia ls and help to t ranspor t the drug through anaqueous medium to the lipophilic absorpt ion sur facein the gast roin test ina l t ract s. Therefore, such ap-plica t ions have been successfu l when the ra te-limit -ing step in drug absorpt ion is dissolu t ion of the drugit self and not absorpt ion across the gast roin test ina lt ract s. Recent studies have shown tha t mult icom-ponent complexa t ion of ketoconazole, an imidazoleant ifunga l agent , with !-cyclodext r in and acids issuper ior to a binary complex of the drug with !-cy-clodext r in in respect to ora l absorpt ion enhance-ment .114,115 Other studies have demonst ra ted tha t acombina t ion of R-cyclodext r in with cit r ic acid iseffect ive to prevent gel format ion of cefot iam hexet ilhydrochlor ide, an ora lly act ive ant ibacter ia l agent ,promoting the dissolut ion rate and improving the oralbioava ilability.116 The poten t ia l use of hydrophiliccyclodext r ins in developing the ra te- or t ime-con-t rolled ora l formula t ions will be discussed in deta ilin sect ion VI.A.Rapidly dissolving complexes of drugs with hydro-

philic cyclodext r ins are well su ited for sublingua l or

Figure 5. Schemat ic represen ta t ion of the systemicabsorpt ion of drug from its cyclodext r in complex throughbiologica l membranes in the presence of the compet ingagent .

Cyclodextrin Drug Carrier Systems Chemical Reviews, 1998, Vol. 98, No. 5 2055

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Otrosprincipiosactivossonsensiblesalaoxidaciónohidrólisisypuedendescomponerseporlaluz

yelcalor.MuchasdeestasmoléculassoncapacesdeformarfácilmentecomplejosconlasCDs,por

loquelamayoríadesuslimitacionesdeusopuedenquedarsolventadasmediantedichaasociación

(Martínez y Gómez, 2007). De forma general, la situación demáxima absorción del fármaco se

alcanzacon lamínimacantidaddeCDqueescapazdesolubilizartodoel fármacoendisolución,

mientrasquelaadicióndemayorcantidaddeCDdisminuyelacantidaddefármacolibreyportanto

desubiodisponibilidad(Uekamaycols.,1998).

Tabla 1. Ejemplos de medicamentos comercializados que contienen CDs (Loftsson y cols., 2005).

Thorsteinn Loftsson Cyclodextrins

of the drug substance although various opinion have been given and interpretation related to this point can be division and product-specific. Table III. Examples of marketed products containing cyclodextrin. Drug Administration route Trade name Market α-Cyclodextrin

Alprostadil (PGE1) IV Prostavastin Europe, Japan, USA Cefotiam hexetil HCl Oral Pansporin T Japan

β-Cyclodextrin Benexate HCl Oral Ulgut, Lonmiel Japan Dexamethasone Dermal Glymesason Japan Iodine Topical Mena-Gargle Japan Nicotine Sublingual Nicorette Europe Nimesulide Oral Nimedex, Mesulid Europe Nitroglycerin Sublingual Nitropen Japan Omeprazol Oral Omebeta Europe PGE2 Sublingual Prostarmon E Japan Piroxicam Oral Brexin Europe Tiaprofenic acid Oral Surgamyl Europe

2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin

Cisapride Rectal Propulsid Europe Hydrocortisone Buccal Dexocort Europe Indomethacin Eye drops Indocid Europe Itraconazole Oral, IV Sporanox Europe, USA Mitomycin IV Mitozytrex USA

Randomly methylated β-cyclodextrin

17β-Estradiol Nasal spray Aerodiol Europe Chloramphenicol Eye drops Clorocil Europe

Sulfobutylether β-cyclodextrin

Voriconazole IV Vfend Europe, USA Ziprasidone maleate IM Geodon, Zeldox Europe, USA

2-Hydroxypropyl-γ-cyclodextrin

Diclofenac sodium Eye drops Voltaren Europe

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1.5. Modelización molecular

Lamodelizaciónmoleculareslacienciadeestudiarlaestructuramolecularysufunciónatravésde

laconstruccióndemodelosy lacomputación.Laconstruccióndemodelospuedeser tansimple

comomoldesdeplásticoovarillasdemetal,otansofisticadoeinteractivocomo,gráficosanimados

encoloryesculturasdefabricaciónláserdemadera.(Schlick,2010).

Los primeros cálculos en este campo se remontan a 1946, cuando FrankWestheimer calculó el

índice de racemización de derivados bifenilo. A principios de 1960, se comienzan a desarrollar

camposdefuerzadeformasistemáticaenvariasinstituciones.Acomienzosdelosañossetentadel

siglopasado,RahmanyStillingerpublicanelprimertrabajoendinámicamoleculardeunamolécula

polar,elagua.Afinalesdeestadécadaseempiezanadesarrollartécnicasparaelusodecamposde

fuerzademecánicamolecularcomométododeminimizaciónenergética(Schlick,2010).

El apasionante campo de lamodelización de sistemasmoleculares por ordenador ha atraído la

atención de científicos de diversas disciplinas. En particular, elmodelado de grandes polímeros

biológicos-proteínas,ácidosnucleicosylípidos-esverdaderamentemultidisciplinar.Losbiólogos

describenlaimagencelular;Losquímicosavanzanenlosdetallesatómicosymoleculares;losfísicos

extiendensuvisiónanivelelectrónicoylasfuerzassubyacentes;losmatemáticossecentranenel

análisisyformulacióndemodelosyalgoritmosnuméricosapropiados;ylosingenierosproporcionan

el soporte de puesta en práctica fundamental para el funcionamiento de los programas de

ordenadorenplataformasdealtavelocidaddeprocesamiento(Schlick,2010).

Una de las primeras metas de la modelización molecular es la determinación de la estructura

molecularóptimaasociadaalamínimaenergía.Apartirdeestainformaciónesposibleobtenerla

mayoríadepropiedadesfísicasyquímicas.Estemínimodeenergía(mínimoglobal)correspondea

laestructuramásestable,mientrasquelosmínimoslocaleshacenreferenciaaestadosdetransición

(Schlick,2010)(Figura6).

Entrelasmuchasaplicacionesdelamodelizaciónmolecularcabedestacarlacapacidaddediseñar

nuevasmoléculaspudiendopredecirsucomportamientoypropiedadesfísicoquímicas,predecirla

estructura y plegamiento de proteínas, predecir el efecto de sustituyentes en moléculas ya

conocidas,estudiodecatálisisenzimática,etc.(Schlick,2010).

15

Figura6.Mínimosdeenergíalocalyglobal(Schlick,2010).

Los programas usados en modelización molecular utilizan modelos matemáticos basados en la

mecánicamolecularoenlamecánicacuánticaparallevaracaboloscálculosnecesariosenelestudio

delaestructuramolecular.Unodelosmétodosmásusadotantoporsusimplicidadcomoporsu

eficaciaeseldelamecánicamolecular(Schlick,2010).

La mecánica molecular se desarrolló por primera vez a principios de 1970 por dos grupos de

investigadoresquímicos:elgrupoEngler,Andose,yShleyer,yelgrupoAllinger.

Lamecánicamolecularsebasaenlamecánicaclásicaonewtoniana,asumiendoqueloselectrones

estánfijosycalculalaposicióndelosnúcleosinterpretandoquelamoléculaesunacolecciónde

partículas unidas entre sí por fuerzas elásticas (Comba y cols., 2009). Por tanto, En lamecánica

molecular sedefineuncampode fuerzamecánicaqueseutilizaparacalcularunaenergíade la

moléculaenestudio. Laenergíacalculadaamenudose llamaenergíadedeformaciónoenergía

estéricadelamolécula.Elcampodefuerzasecomponedevarioscomponentes,comolaenergíade

enlace-estiramiento,energíadeángulo-flexión,ylaenergíadeenlace-torsión(Paviaycols.,2016).

16

Para calcular la energía de deformación final para una molécula, el ordenador cambia

sistemáticamentecada longituddeenlace,ángulodeenlaceyángulodetorsiónen lamolécula,

recalculando la energía de deformación cada vez, manteniendo cada cambio que minimiza la

energía total, y rechazando los cambios que aumentan la energía. En otras palabras, todas las

longitudesdeenlaceyángulossecambianhastaquesereducealmínimolaenergíadelamolécula

(Paviaycols.,2016).

Porlotanto,lamecánicamolecularasumequelaenergíaestéricadeunamoléculaprovienedeunas

pocas interacciones específicas de la molécula. Estas interacciones incluyen la compresión y

extensiónde enlacesmás allá de sus distancias y ángulos de equilibrio. Asimismo, se tienen en

cuenta losefectosde torsióndeenlaces simples, la interaccióndeVanderWaalsentreátomos

próximosentresíylainteracciónelectrostáticaentrecargasparcialesenunamoléculaconenlaces

polares(Leach,2001).

Sehandesarrolladomuchosmétodospara acelerar el cálculodeesteprocesodeminimización.

Estosmétodosusaninformacióndelasderivadasdelafuncióndeenergíapotencialparacalcular

cambiosenlascoordenadasdecadaetapa.ElmétododeNewton-Raphson(basadosenlasegunda

derivada)esunode losmásconocidos,existiendootrasconmayorcomplejidadcomo“Adopted

BasisNewton-Raphson”(ABNR)oNewton-Raphsontruncado(Jensen,2007).

Junto a los métodos anteriores, los métodos de gradiente conjugado (basados en la primera

derivada),talescomolosalgoritmosFletcher-ReevesoPolak-Ribière,seempleanampliamenteen

minimizaciónenergética(Combaycols.,2009).

Esobvioquelamecánicamolecularsedesarrollóparaencontrarlaconformacióndeenergíamás

bajadeunamoléculadadaoparacomparar lasenergíasdevarias conformacionesde lamisma

molécula. La mecánica molecular calcula una "energía de deformación", no las energías

termodinámicas, tales como calor de formación. Se requieren procedimientos basados en la

mecánicacuánticaylamecánicaestadísticaparacalcularlasenergíastermodinámicas(Paviaycols.,

2016).

LaQuímicaCuántica(aplicacióndelaMecánicaCuánticaasistemasatómicosymoleculares)sebasa

en laresoluciónde laecuacióndeSchrödinger.Debidoa lacomplejidaddeesaecuaciónsoloes

posiblesuresoluciónparaelátomodehidrógeno,porloqueesnecesariorecurriraaproximaciones

que permitan obtener las funciones de onda de otros átomos y moléculas, un ejemplo es la

aproximacióndeBornOppenheimer.Estaconsisteenlaseparacióndelosmovimientosdelnúcleo

17

yloselectronesyasumequeloselectronessemuevenenuncampogeneradoporunnúcleofijo

debidoalagrandiferenciademasayvelocidadentreambos(Doucetycols.,1996).

ExistendoscategoríasdecálculosorbitalesbasadosenMecánicaCuántica:losmétodosabinitioy

lossemiempíricos.Abinitiosignifica“desdeelprincipio”,loqueimplicaqueloscálculosporeste

métodorequierendatosdeconstantesfísicascomolavelocidaddelaluz,laconstantedePlankola

masa de partículas elementales. Esta usa las ecuaciones de Hartree-Fock y Roothaan-Hall sin

aproximarointegrarningúntérminoHamiltoniano.Encontraposición,losmétodossemiempíricos

simplifican estas ecuaciones aproximandoo ignorandoparámetros, con el ahorro de tiempode

computaciónqueestoconlleva(Schlick,2010).

2. Objetivos Estetrabajosecentraenelestudiodelasinteraccionesfármaco-CDconacetazolamida.

La acetazolamida (ACZ) es un inhibidor de la enzima anhidrasa carbónica y está indicada en el

tratamiento de edemas asociados a insuficiencia cardíaca congestiva, edemas de origen

medicamentosoyotroscuadrosderetenciónhidrosalina.Puedeadministrarseenasociacióncon

otrosdiuréticoscuandosenecesiteactuaradistintosnivelesde lanefrona.Además tambiénse

indica en el tratamiento adyuvante del glaucoma de ángulo abierto y glaucoma secundario, el

tratamientopreoperatoriodelglaucomaagudodeángulocerrado,yeltratamientoadyuvantede

laepilepsia(petitmal).

Existe una amplia literatura referente a la interacción de dichas moléculas con CDs, buscando

mejorarlasolubilidadyvelocidaddedisolucióndelaACZdeformaqueseredujeselavariabilidad

interindividualenlabiodisponibilidad(Ammarycols.,1998;Loftssonycols.,1994).

En la actualidad, en nuestro departamento se están estudiando diferentes aspectos de la

complejacióndeACZconCDs,conobjetodeaumentarsusolubilidadypermitirlaincorporaciónde

unamayorconcentracióndefármacoeneldesarrollodeunmedicamentosoluciónoftálmicapara

tratamiento del glaucoma. En este trabajo, intentaremos profundizar el conocimiento de las

interaccionesentreACZ yuna seriedeCDs, en concretoβ-CDehidroxipropil β-CD (HP-β-CD) al

formarcomplejosdeinclusiónatravésdemodelizaciónmolecular(insilico),medianteelusodel

softwaredemodelizaciónmolecular.

18

3. Metodología Losestudiosdemodelizaciónmolecularsehanllevadoacabomedianteelempleodelospaquetes

desoftwareinformáticosHyperchem®versión8.0.8(Hypercube,2016)yGaussian09Wversión9.0

yGaussview5.0pormecánicamolecularycuántica(Gaussian09Rev.01,2009,Gaussview,ver5,

2009).

Laestructurainicialdeβ-CDseobtuvodelabasededatosProteinDataBank(Leilaycols.,2011).La

construccióndelaHP-β-CDsellevóacaboañadiendosustituyentes2-hidroxipropiloalesqueletode

β-CDobtenidode laPDB ID:3CGT.Estaestructura seensambló siguiendo las indicacionesde la

“CyclodextrinKnowledgeBase”(Hazaiycols.,2010).Porsuparte,laestructuramoleculardeACZse

construyóenHyperchem.

Paraobtener laconformaciónmásestablede lasestructurasdeCDsy lamoléculahuésped,que

sirviesencomopuntodepartidaválidoparalassimulaciones,serealizóunanálisisconformacional

utilizandoelprogramadebúsquedaconformacional incluidoenHyperchem.Seestablecieronlas

siguientes condiciones: la variación de la flexibilidad de los ángulos de torsión ±60° ÷ ±180°; el

criteriodeenergíapara laaceptaciónde laconformaciónse fijóen4Kcal/molsobreelmínimo;

todaslasconformacionescondistanciasatómicasmenoresde0,5Åydiferenciasentreángulosde

torsiónmenos de 15° no se consideraron, así como conformaciones con diferencias de energía

menoresde0,05Kcal/mol.Elmáximonúmerodeoptimizacionesycálculositerativosfuede1000,

hastaunmáximode100conformaciones.Losátomosdehidrogenonosetuvieronencuentaenel

proceso(Pînzaruycols.,2011).

EltratamientosellevóacabousandoelcampodefuerzaMM+presenteenHyperchem,teniendo

elalgoritmoPolak-Ribière,conunvalordeconvergenciaderms(mediacuadrática)de0,01Kcal/Å

mol.

LasestructurasdelasCDsy laACZobtenidasporMM+serefinaronposteriormentemedianteel

empleodelmétodosemiempíricoPM3(ParametricModel3)incluidoenGaussian09W.Seaplicó

unaoptimizaciónsinrestricciones,conunvalordeconvergenciade0,01Kcal/Åmol.

Conelfindeidentificarlaestructuradeloscomplejoscorrespondientesalosmínimosglobalesde

la energía potencial superficial de CDs, nuestros estudios se llevaron a cabo según el método

descritopreviamenteenlaliteratura(Fathallahycols.,1994).Posicionandolamoléculaenelorigen

delsistemadecoordenadaslaCDseorientódemaneraquelosátomosdeoxigenoglucosídicose

situasenenelplanoXY.

19

LosgruposhidroxilossecundariosseorientaronenladireccióndelejeZ.Acontinuación,lamolécula

huéspedsesituóalolargodelejez(desde-10Åhasta+10Å),teniendoencuentalasdiferentes

orientaciones de la molécula huésped en el caso de que la CD tuviese varias posibilidades de

interacción(hidroxilossecundarioshacialaderecha:orientaciónA;viceversaorientaciónB).Enel

casodeloscomplejos1:2haycuatroorientacionesposibles(Figura7).

Figura7.PosiblesorientacionesdelcomplejoACZ-HP-β-CD1:2.

A B

C D

20

Enuntercerpaso,lamoléculahuéspedseintroduceypasaatravésdelaCDporpasos(Figura8).

Encadapasode1Åserealizaunaoptimizacióndelageometríaenvacíousandoelcampodefuerza

MM+ (algoritmo Polak-Ribière, con rms de 0,01 Kcal/ Åmol) registrándose la energía tras cada

optimización. Dichas energías se representan frente a las coordenadas y se toma el estado de

mínimaenergíaparacadacomplejofármaco-CD.

Figura8.OrientacióntipoAdelcomplejoAZC-CD.ElhuéspedsedesplazaporelejeZenpasosde1Å.

Así, los complejos más estables encontrados por MM+ se re-optimizaron por el método

semiempírico PM3 sin restricciones. Para ello, se emplearon Gaussian 09W / Gausview 5 e

Hyperchemversión8.0.8.

Z (+10 Å) Z (+10 Å)

X Y

21

4. Resultados

EnlaFigura9serepresentaelresultadodelestudiodeanálisisconformacionalcorrespondientea

lamoléculadeACZ.Laconformacióndemínimaenergíacorrespondeaunvalorde43,383Kcal/mol.

EstevalorcorrespondealaminimizaciónporMM+,siendoposteriormenterefinadoaPM3.

Figura9.FormulaestructuralyestructurarefinadadeACZ.

Elcálculodelaenergíadecomplejaciónserealizótraslabúsquedadelmínimoglobaldeenergía

talycomosedescribeenlaseccióndemetodología.Comoejemplosdecálculodemínimoglobal,

adjuntamoslasgráficascorrespondientesaloscomplejosACZ-β-CD(a)PM3yACZ-HP-β-CD(a)

PM3(Figuras10y11).

Losresultadosdeminimizaciónenergéticadeloscompuestosdeinclusiónsehanpresentado

comoenergíasdecomplejación,interacciónydeformación(verecuaciones1-3).Laenergíade

complejaciónsedefinecomoladiferenciaentrelaenergíadelcomplejoylasumadelaenergíade

cadamonómeroensurespectivoequilibriogeométrico.Laenergíadeinteracciónsedefinecomo

ladiferenciaentrelaenergíadelcomplejoylasumadelasenergíasdeambasmoléculasensu

geometríadecomplejo.Laenergíadedeformaciónsedeterminacomoladiferenciaentrela

energíadeunodelosmiembrosdelcomplejoysuenergíaconlageometríaquetendríasi

estuvieseformandoelcomplejo(Barbiricycols.,2000;Ohashiycols.,1990;Zhouycols.,2009).

∆Ecomplejación = Ecomplejo - (ECD libre + Ehuésped libre) Eq. 1

∆Einteracción = Ecomplejo - (ECD en el complejo + Ehuésped en el complejo) Eq. 2

∆Edeformación CD = ECD en el complejo - ECD libre Eq. 3

22

Figura10.EvolucióndelaenergíasdecomplejofrentealadistanciaparaelcompuestodeinclusiónACZ-β-CD(a)PM3.

Figura11.EvolucióndelaenergíasdecomplejofrentealadistanciaparaelcompuestodeinclusiónACZ-HP-β-CD(a)PM3.

128

130

132

134

136

138

140

142

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Ener

gía

(Kca

l/m

ol)

Distancia (Å)

ACZ-β-CD(a) PM3

Energía complejo (Kcal/mol)

134

136

138

140

142

144

146

148

150

152

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Ener

gía

(Kca

l/m

ol)

Distancia (Å)

ACZ-HP-β-CD(a)PM3

Energía complejo (Kcal/mol)

23

A continuación se muestran los resultados de energía potencial superficial (SEP) expresados en

kcal/mol de los complejos de inclusión de la CD y para las posibles orientaciones entre la molécula

y la CD, tanto en MM+ como su posterior refinamiento por PM3 (Tablas 2 y 3).

Tabla2.EnergíascorrespondientesaloscomplejosACZ-CDsexpresadasenKcal/mol.Amododereferencia,lasmoléculasseñaladasconasteriscoseconstruyeronyminimizaronporMM+sin

posteriorrefinamientoporPM3.

OptimizadasporMM+ ∆Complejación ∆EInteracción ∆EDeformaciónCDEstequiometría1:1

ACZ-β-CD(a)* -5,254386 -22,713746 8,642728ACZ-β-CD(b)* -11,51788 -24,314354 3,675261

ACZ-HP-β-CD(a)* -11,443691 -20,979915 0,541143ACZ-HP-β-CD(b)* -10,679689 -20,099401 0,657546ACZ-β-CD(a)(PM3) 9,999005 -25,911415 30,500743ACZ-β-CD(b)(PM3) 10,121654 -25,037664 30,289001

ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -49,715669 -89,59098 34,649018ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) -48,375463 -79,747919 26,186739

Estequiometría1:2 ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -74,330115 -129,328138 -7,188137ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) -68,350273 -128,284893 -5,204393ACZ-HP-β-CD(c)(PM3) 5,676806 0,210725 32,102923ACZ-HP-β-CD(d)(PM3) -0,597747 -5,768677 24,745991

Tabla3.EnergíasdeloscomplejosACZ-CDsrefinadosporPM3expresadasenKcal/mol.

∆EComplejación(Kcal/mol)

∆EInteracción(Kcal/mol)

EHOMO(eV)

ELUMO(eV)

∆EHOMO-LUMO(eV)

Estequiometría1:1ACZ-β-CD(a)(PM3) -87,69 -14,05 -9,89 1,70 -11,59ACZ-β-CD(b)(PM3) -83,63 -8,11 -9,61 -1,66 -7,95

ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -70,94 -7,86 -9,73 -1,60 -8,13ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) -77,28 -6,00 -9,99 -1,75 -8,24

Estequiometría1:2 ACZ-HP-β-CD(a)(PM3) -162,15 -11,02 -9,62 -1,34 -8,28ACZ-HP-β-CD(b)(PM3) 3691,58 3852,26 392,98 393,52 -0,54ACZ-HP-β-CD(c)(PM3) -162,15 -7,05 -9,99 -1,64 -8,36ACZ-HP-β-CD(d)(PM3) -163,83 -7,96 274,03 277,59 -3,57

24

Asimismo, se incluyen las energías de HOMO y LUMO para los complejos refinado por PM3 (Eq. 4).

∆EHOMO-LUMO = EHOMO – ELUMO Eq. 4

El salto de energía entre los orbitales moleculares HOMO y LUMO se considera un índice de la

estabilidad del complejo formado (Karelson y cols., 1996), por lo cual su cálculo y resultados se

han incluido en nuestro estudio. Ello ha sido posible mediante el empleo de PM3, el cual a

diferencia de la mecánica molecular tiene en cuenta la configuración de electrones.

5. Discusión Enestetrabajosehanrealizadovarioscentenaresdeoptimizaciones,sincontarconloscálculosde

búsqueda conformacional. Para ello fue necesario el uso de series intensivas de cálculo,

programandolastareasmediantescriptingyrecopilaciónderesultadosenarchivosderegistro(log).

Vistoelvolumendecálculosarealizar,seplanteóeldilemasobresi recurrira laopcióndeusar

mecánicacuánticaomecánicamolecular.Enanteriorestrabajos(Rico-Ruiz,2014),considerandoel

tiempo de computación necesario, nos decantamos por el uso de mecánica molecular (MM+),

teniendoencuentalaopinióndemuchosautores,loscualesconsideranqueelusodealgoritmos

demecánicamolecularessuficienteparaexplicarlaformacióndecomplejosdeinclusiónconCDs

(Dodziuk,2006;Lipkowitz,1998).Sinembargo,unadelasprincipaleslimitacionesdelamecánica

molecularesquenotieneencuentaloselectronesensuscálculos.Portanto,enestetrabajohemos

queridodarunpasoadelante,confirmandolosresultadosmedianteminimizaciónenergéticapor

métodos semiempíricos. Entre dichosmétodos, se puedeoptar por varias opciones, tales como

Extended-Hückel, Austin Model 1 (AM1) o Parametric Model 3 (PM3), siendo los dos últimos

ampliamenteusadosenmodelizaciónmoleculardecomplejosconCDs.Al final, trasconsultar la

literaturaexistentesobreeltema,decidimosoptarporusarPM3,alserunmétodoquepermite

simularconmayorprecisiónlosenlacedehidrógeno(Leilaycols.,2011),loscualespodríanapriori

constituirunacontribuciónsignificativaalainteracciónACZ:CD,vistalaestructuradelamolécula,

dondeaparecenvariosgruposdecarácterelectronegativo.

Aunqueenunprincipioseabordólaoptimizacióndecomplejosdeestequiometría1:1deACZcon

β-CDyderivados,resultadosrecogidosennuestrolaboratorioindicanlaformacióndecomplejos

1:2conHP-β-CD.Portanto,serealizóunanuevaseriedeoptimizacionesenergéticasdecomplejos

deestequiometría1:2.

25

Unodelosprincipalesproblemasquehallamosennuestrodiseñoexperimentalfueelempleode

del paquetede softwareGaussian™para realizar laminimización energéticamediantemétodos

semiempíricos. La elección del dicho software se basó en su amplio uso por parte demúltiples

autores.UnavezrealizadoelcálculodelaestructurademínimaenergíadeloscomplejosporMM+

enHyperchem™,elposteriorrefinamientoporPM3atravésdeGaussiandabalugaralaaparición

deerroresduranteelprocesodecomputación,porlocualtuvoquedescartarsesuusoyrecurrir

finalmentealesquemadecomputaciónPM3incluidoenelpaqueteHyperchem.

Dentro de las posibles causas, la más probable a nuestro juicio fueron problemas en la

interconversión entre los formatos propietarios de las estructuras moleculares entre ambas

plataformas(extensión.HINparaHyperchemyextensiones.GJFo.MOLparaGaussian).

Tal y como indican los datos, las energías de complejación e interacción fueron negativas en la

mayoría de los casos, indicando que el proceso se halla favorecido desde el punto de vista

termodinámico. En este punto, los cálculos realizados exclusivamente por mecánica molecular,

indicaron la formación de complejos estables tanto con β-CD como con HP-β-CD en ambas

orientaciones.Adestacar lasbajasenergíasdedeformación registradaspara laHP-β-CD, lo cual

indicaunbalanceenergéticomuypositivoenlainteracciónconACZ.

Loscomplejos1:1siguenunacorrelacióndeenergíastantoentratamientoMM+comoPM3.Los

resultadosdediferencialdeenergíaHOMO-LUMOconfirmanlaformacióndecomplejosestables

enestarelaciónestequiometria(orientaciónAencasodeβ-CDyorientaciónBparalaHP-β-CD).Sin

embargo,elestudiode loscomplejosdeestequiometria1:2,ensusdiferentesorientacionesdio

lugararesultadosdispares.LoselevadosvaloresdeenergíadecomplejaciónyenergíasHOMOy

LUMOdescartancomocomplejosviableslasorientacionesByD.

En los complejos, se observó que la interacción tiene lugar prevalentemente a través del anillo

tiadiazol.Apesardetratarsedeungrupopolar,latendenciaainteraccionarconlacavidaddelaCD

seestabilizapormediode laformacióndepuentesdehidrógeno,tantoconhidroxilosprimarios

comosecundariosenfuncióndelaorientacióndepartidadelasimulación.

AmododeejemploseincluyelaimagendelcomplejoACZ-β-CD(a)(PM3).Obsérveselaformación

depuentesedeHentre loshidroxilosprimariosde laβ-CDconelgrupotiadiazoly losoxígenos

sulfonílicosdeACZ(Figura12).

26

Figura12.ComplejoACZ-β-CD(a)(PM3)desdedosorientacionesdiferentes.Lalongituddelos

enlacesdeHvienedadaenÅ.

Enelcasodeloscomplejos1:2,apesardelosresultadosdenuestrolaboratorioqueindicanuna

estequiometria1:2fármaco:CD,elpequeñotamañodelaACZhaceimprobablelaformacióndeun

complejo1:2dondedichamolécula interaccionesimultáneamentecon lascavidadesdedosCDS

27

adyacentes.EllonoshizosospecharconlapresenciadeunfenómenodedimerizaciónentreCDs,

los cuales sehallanampliamentedescritosenbibliografía.Unaevidenciadedicho fenómenose

muestra en la estructura simulada del complejo 1:2 ACZ-HP-β-CD en orientación C, donde la

asociaciónentreCDsapareceestabilizadaporlaformacióndevariospuentesdeHintermoleculares

entraambosanillos(Figura13).

Figura13.ComplejoACZ-HP-β-CD(c)(PM3),dondeseobservanlosenlacesdeHqueparticipan

enlaestabilizacióndelaestructura.

Como hemos comentado con anterioridad, en un compuesto de inclusión pueden intervenir

diferentes fuerzas, tales como interacciones tipo puente de H, interacciones hidrofóbicas e

interaccionesvanderWaals.Unaformadeversielprocesodecomplejaciónsehallainfluenciado

por interacciones de van der Waals es representar la energía de los complejos minimizados a

diferentesvaloresjuntoalasenergíasdevanderWaals.Lapresenciadeperfilessimilaresindicaría

quelasfuerzasdevanderWaalsinfluyenenelprocesodecomplejación(Figura14).Sinembargo,

28

ennuestrocaso,lacontribucióndelosenlacesdeHposeeunpesoespecialenlacomplejación,tal

ycomoaparecerepresentadaencálculosprecedentes.

Figura14.Paralelismoenlaevolucióndelasenergíasdecomplejación(trazadonaranja,ejede

ordenadasizquierdo)yenergíadevanderWaals(trazadoverde,ejedeordenadasderecho).

0

5

10

15

20

25

30

35

128

130

132

134

136

138

140

142

-10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Ener

gía

van

der

Waa

ls

Ener

gía

com

plej

o (K

cal/

mol

)

Distancia (Å)

Energía (Kcal/mol) vdW

29

6. Conclusiones 1. SeestudiólaformacióndecompuestosdeinclusióndeACZcondistintasCDs.Paraello,se

acudióalempleodemecánicamolecular,enconcretoelcampodefuerzaMM+enelvacío.

Asimismo,dichoscálculossecomplementaronconlaaplicacióndemétodossemiempíricos

demecánicacuántica,enconcretoelParametricModel3(PM3).

2. LasCDsescogidasfuerontantodeorigennatural(β-CD)comoderivados(HP-β-CD).Laβ-CD

seescogiócomoreferencia,mientrasqueelderivadohidroxipropiladoseescogióenfunción

delinterésycompatibilidadconlaformulaciónyvíadeadministración,ennuestrocasovía

oftálmica.

3. Enlaminimizaciónenergéticasehacefundamentalladistinciónentremínimosdeenergía

local y global para la obtención de resultados fiables. Para ello, se optó realizar

optimizaciones geométricas a diferentes distancias fármaco-CD, y registrando los valores

paracadaunadelasposicionesyorientaciones.

4. Para lacorrectarealizacióndeestatécnicayasípoderhallarelmínimoglobaldeenergía

paracadacaso, fuenecesariopartirdeestructurasdemínimaenergíade losmonómeros

(fármacosyCDs).Ellofueposiblemedianteelprogramadebúsquedaconformacional.Una

vezdisponibleslasestructurasdefármacoyCDminimizadas,seprocedióasurefinamiento

pormétodossemiempíricos(PM3).

5. Entotal,sehanrealizadountotalde12combinacionesdecomplejos,con21posicionesde

optimizaciónrelativasporcadaunodeellos.Elnúmerodeoptimizacionesrealizadasentotal

superalas250.Atalfin,serealizaronscriptsparaautomatizacióndetareas,asícomoregistro

delasenergíasenarchivos(logs).

6. Unavezaplicadaslasoptimizacionesmediantemecánicamolecularseprocedióalposterior

refinamientodelasestructurasdemenorenergíapormétodossemiempíricosPM3.

7. Los resultados obtenidos (valores negativos de energía de complejación e interacción)

sugierenquelaformacióndecomplejosdalugaraestructurasestablesyportantoviables.

En general, los valores de diferencial de energía HOMO-LUMO se hallaron en buena

correlaciónconlosvaloresdeenergíadecomplejacióneinteracción.Soloenaquelloscasos

dondelacomplejaciónsehallaclaramentedesfavorecida,losvaloresdedichodiferencialde

energíafueronlógicamentebajos.

30

8. Por último, nuestros estudios revelaron que la formación de puentes de H juegan un

importantepapelenlainteracciónACZ-CD,pudiendorelegaraunsegundoplanolasfuerzas

devanderWaals.

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