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Simulación computacional del modo de inclusión de las drogas Sulfametoxazol y Sulfadiazina con Ciclodextrinas Erbes, Luciana A. 1 , Quevedo Mario A. 1 2 Universidad Nacional de Entre Ríos (U.N.E.R) Facultad de Ingeniería 1 Universidad Nacional de Córdoba (U.N.C) Facultad de Ciencias Químicas Dpto. Farmacia 2 E-mail: [email protected], [email protected] Abstract. Las Sulfonamidas son agentes antibacterianos análogos y antagonistas competitivos del ácido p-aminobenzoico, ampliamente utilizados en medicina y veterinaria. Con el fin de aumentar su solubilidad en agua, se utiliza una estrategia conocida como complejación con estructuras de Ciclodextrinas. La formación del complejo Sulfonamida-Ciclodextrina, ha sido analizada en el presente trabajo mediante métodos de simulación computacional, que incluyen metodologías de modelado, docking y dinámica molecular, y a su vez, ha sido contrastado con resultados de estudios experimentales derivados de RMN. 1. Introducción El grado de importancia los complejos Sulfonamida-Ciclodextrina, debido a su amplia utilización a nivel farmacéutico, y debido a la inexistencia de estudios de simulación computacional en la temática, llevó a la realización de este trabajo de investigación. 1.1. Sulfonamidas Las Sulfonamidas son agentes antibacterianos análogos y antagonistas competitivos del acido p- aminobenzoico. A lo largo del tiempo se han sintetizado diversas familias sulfonamidas, las cuales no exhiben diferencias significativas en cuanto a su potencia antimicrobiana, aunque si en lo que respecta a sus propiedades farmacocinéticas [1]. Usualmente son bacteriostáticas e interfieren en la síntesis del ácido fólico, actuando como inhibidores competitivos del ácido p-aminobenzoico en los microorganismos susceptibles. Presentan un amplio espectro de acción, abarcando la mayoría de los microorganismos grampositivos y muchos gramnegativos. En general, se absorben bien por vía oral, distribuyéndose ampliamente en todos los tejidos, alcanzando niveles altos en los líquidos pleural, peritoneal, sinovial y ocular [2]. Debido a la insolubilidad de estas sustancias, se utiliza frecuentemente una estrategia que consiste en la formación de complejos de la droga con receptores Ciclodextrinas (CDs), logrando modificar esta característica. En el presente estudio, se utilizaron: Sulfametoxazol (SMX) y Sulfadiazina (SDZ). 1.2. Ciclodextrinas XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011
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Simulación computacional del modo de inclusión de las drogas Sulfametoxazol y Sulfadiazina con Ciclodextrinas
Erbes, Luciana A.1, Quevedo Mario A.1 2
Universidad Nacional de Entre Ríos (U.N.E.R) Facultad de Ingeniería1
Universidad Nacional de Córdoba (U.N.C) Facultad de Ciencias Químicas Dpto. Farmacia2
E-mail: [email protected], [email protected]
Abstract. Las Sulfonamidas son agentes antibacterianos análogos y antagonistas competitivos del ácido p-aminobenzoico, ampliamente utilizados en medicina y veterinaria. Con el fin de aumentar su solubilidad en agua, se utiliza una estrategia conocida como complejación con estructuras de Ciclodextrinas. La formación del complejo Sulfonamida-Ciclodextrina, ha sido analizada en el presente trabajo mediante métodos de simulación computacional, que incluyen metodologías de modelado, docking y dinámica molecular, y a su vez, ha sido contrastado con resultados de estudios experimentales derivados de RMN.
1. IntroducciónEl grado de importancia los complejos Sulfonamida-Ciclodextrina, debido a su amplia utilización a
nivel farmacéutico, y debido a la inexistencia de estudios de simulación computacional en la temática, llevó a la realización de este trabajo de investigación.
1.1. Sulfonamidas Las Sulfonamidas son agentes antibacterianos análogos y antagonistas competitivos del acido p-aminobenzoico. A lo largo del tiempo se han sintetizado diversas familias sulfonamidas, las cuales no exhiben diferencias significativas en cuanto a su potencia antimicrobiana, aunque si en lo que respecta a sus propiedades farmacocinéticas [1]. Usualmente son bacteriostáticas e interfieren en la síntesis del ácido fólico, actuando como inhibidores competitivos del ácido p-aminobenzoico en los microorganismos susceptibles. Presentan un amplio espectro de acción, abarcando la mayoría de los microorganismos grampositivos y muchos gramnegativos. En general, se absorben bien por vía oral, distribuyéndose ampliamente en todos los tejidos, alcanzando niveles altos en los líquidos pleural, peritoneal, sinovial y ocular [2]. Debido a la insolubilidad de estas sustancias, se utiliza frecuentemente una estrategia que consiste en la formación de complejos de la droga con receptores Ciclodextrinas (CDs), logrando modificar esta característica. En el presente estudio, se utilizaron: Sulfametoxazol (SMX) y Sulfadiazina (SDZ).
1.2. Ciclodextrinas
XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011
Las CD son oligosacáridos cíclicos, que se forman durante el proceso de degradación de almidón. Son sustancias cristalinas, solubles en agua, no reductoras, no tóxicas, y estables en disoluciones neutras y básicas. Exhiben la forma de cono truncado, y se identifican por su interior hidrofóbico y exterior hidrofílico, que les confiere la capacidad de formar complejos de inclusión permitiendo incrementar propiedades de solubilidad, biodisponibilidad y estabilidad, en la molécula que es transportada en la cavidad de la CD [4]. Se conocen diferentes CD caracterizadas por un número en particular de residuos de glucosa. En este caso, se utilizó principalmente la -CD, compuesta por unidades de glucopiranosas con enlacesβ
(1,4).α La modificación de la -CD nativa, generalmente la convierte en derivados amorfos noβ cristalizables, que proveen altas concentraciones de CD en soluciones acuosas que se mantienen estables física y microbiológicamente durante un período de tiempo razonable, tanto en forma libre como formando complejo. Varios derivados han sido elaborados y utilizados ampliamente en una variedad de productos industriales [5].
CDs utilizadas en el presente trabajo:
• -ciclodextrina ( -CD),β β• Hidroxipropil- -ciclodextrina (HP- CD) con 3 sustituciones de grupos hidroxipropilβ β• en desarrollo, complejos con Metil- -ciclodextrina (M- CD) y con Hidroxipropil- -β β β
ciclodextrina (HP- CD) con 4 sustitucionesβ
En síntesis, estas estructuras son utilizadas en la industria farmacéutica con el fin de aumentar la solubilidad de algunos fármacos en agua.
2. ObjetivoEl objetivo principal del presente trabajo se basa en analizar el modo de inclusión de las drogas:
SMX y SDZ, a -CD e HP- -CD, mediante estudios teóricos de modelado y docking molecular,β β sometiendo las conformaciones obtenidas a dinámica molecular.
De esta manera, se podrán identificar las interacciones existentes en cada complejo, y establecer comparaciones entre los mismos.
Además, se pretende evaluar la correlación entre estos estudios teóricos y las evidencias experimentales obtenidas en un grupo de investigación de la Universidad Nacional de Córdoba.
3. MetodologíaCon el fin de concretar los objetivos planteados, se realizaron los estudios teóricos en cada
complejo desarrollando una serie de metodologías que incluyen el modelado, docking y dinámica molecular, mediante diversos sistemas de software, los cuales se detallan a continuación.
4. Resultados y Discusión
4.1. Modelado Molecular
4.1.1. Ligandos: SMX y SDZ:Utilizando el software Gabedit, fueron creadas ambas estructuras, obteniendo luego sus
configuraciones optimizadas en la mínima energía.Luego, utilizando el software Gaussian, se llevó adelante la realización de una optimización
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geométrica, incluyendo rotación de algunos enlaces específicos, y finalmente, un cálculo de cargas resp.
4.1.2. Receptores: -CD y HP- -CD:β β En el caso del receptor -CD, se utilizó un archivo con extensión pdb con información de unaβ estructura cristalográfica similar. Con el software VMD se fue visualizando el archivo y se fue correlacionando la información de los átomos con la obtenida de un archivo pdb correspondiente a una unidad 4GA (glucosa con capacidad de formar enlaces (1,4)) extraída de Tleap.α En el caso de la HP- -CD, se procedió a utilizar la -CD resultante de la tarea previa, y se leβ β adicionaron tres moléculas de hidroxipropil, cada una en un O6 de una unidad 4GA. Esta etapa involucró a los softwares Vmd y Tleap.
4.2. Docking molecular.En la presente etapa, el software utilizado fue Autodock, con el cual se logró predecir la orientación
de la ubicación de cada ligando en cada uno de los receptores, en la formación de los complejos.En cada caso, se definieron criterios a la hora de seleccionar que conformaciones se debían elegir
para analizar al momento de realizar dinámica molecular.En el caso del complejo SMX- -CD, la búsqueda utilizando un algoritmo genético, dio comoβ
resultado solamente un cluster compuesto por 10 conformaciones con una energía media de -6.60. Debido a que este resultado fue lo suficientemente concreto, se obtuvo una conformación a analizar en el próximo estadio.
En los demás complejos, se obtuvieron dos clusters, y dependiendo de diferentes parámetros (cantidad de conformaciones en el cluster, energía mínima), se llevó a cabo la selección.
4.3. Dinámica molecular.Esta metodología, se aplica con el objetivo de observar de qué manera interactúan las moléculas de
cada complejo, analizando las interacciones en un medio compuesto por un solvente explícito, y haciendo transitar al complejo por diferentes etapas que incluyen minimizaciones, calentamiento, equilibración, y finalmente producción.
Para desarrollar esta tarea, fue necesario requerir el uso del cluster de la FI-UNER, y así adquirir los beneficios resultantes de realizar un cálculo paralelo, en vez de utilizar una computadora personal.
Hasta el momento, se han obtenido 5 nanosegundos de simulación para los complejos complejo: SMX- -CD, SDZ- -CD, y 2,5 para: SMX- HP- -CD y SDZ- HP- -CD.β β β β
A continuación, se presentan imágenes de cada complejo, que se obtuvieron como consecuencia de la realización de esta etapa de dinámica molecular:
SMX- -CD:β
Aquí se puede observar cómo el SMX se encuentra cubierto prácticamente por completo por la -βCD, quedando el sector del anillo amino una sección al descubierto en orientación al lado ancho del cono truncado.
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La estructura inicial para esta simulación se seleccionó a partir de un Docking molecular que reveló la presencia de un cluster con 10 conformaciones equivalentes y con una energía media de -6.60.
SDZ- -CD:β
En este caso, la SDZ adopta la misma orientación que el SMX en la -CD, por lo que se podríaβ intuir que para su actividad biológica, es necesario que el anillo que posee el grupo amino no se encuentre encapsulado por completo.
La estructura inicial para esta simulación se seleccionó a partir de un Docking molecular que reveló la presencia de dos cluster con 9 y 1 conformaciones equivalentes en cada uno, siendo seleccionado el primero por el número de estructuras (energía de -7.05), aunque el segundo poseía una energía menor.
SMX- HP- -CD:β
Aquí, el SMX vuelve a orientarse de la misma manera en la HP- -CD que en la -CD, peroβ β aparentemente más encapsulado que en la anterior.
La estructura inicial para esta simulación se seleccionó teniendo en cuenta los mismos criterios que en el complejo anterior, optando por utilizar un cluster con 7 conformaciones con una energía media de -6.67.
SDZ- HP- -CD:β
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La SDZ en complejo con HP- -CD presenta una estructura arqueada, donde los anillos quedanβ prácticamente enfrentados, orientando los mismos hacia el extremo ancho de la HP- -CD.β
La estructura inicial para esta simulación se seleccionó teniendo en cuenta los mismos criterios que en el complejo anterior, optando por utilizar un cluster con 7 conformaciones con una energía media de -7.58.
5. Trabajo futuroSe encuentran en desarrollo los estudios de modelado molecular, docking y dinámica que
involucran la participación de los fármacos SMX y SDZ en complejos de inclusión con M- CD eβ HP- CD, esta última con sustituciones en 4 O6.β
Además, se continuarán los estudios presentes incluyendo análisis con mas especificidad y detalle.
6. Conclusiones En síntesis, se podría concluir que de los resultados obtenidos de los 5 y 2.5 nanosegundos de cada simulación de dinámica molecular, en la mayoría de los casos la orientación de los ligandos es generalmente la misma, teniendo en común un anillo pirimidinico con un grupo amino, que se ubica siempre hacia el extremo ancho de las CD. El grupo sulfonamido, en todos los casos, se encuentra inserto en la cavidad del receptor, al igual que el anillo que difiere entre cada ligando.
Referencias[1] http://www.infecto.edu.uy/terapeutica/atbfa/sulfo/sulfonamidas.htm[2]http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_artt ext&pid=S0864-21251999000200008&lng=es&nrm=iso [3] http://www.quimicaorganica.org/sintesis-organica/sintesis-de-sulfamidas.html[4] Zoppi, Ariana y otros. “Complexation of sulfonamides with -cyclodextrin studied by experimentalβ and theorical methods”. Departamento de Farmacia, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Nacional de Córdoba. Pharmaceutical technology. 2009.[5] Contreras, Héctor. “Ciclodextrinas. Naturaleza, propiedades y aplicaciones”. Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Universidad de Guadalajara. México. 2001 Loftsson, Thorsteinn y Duchene, Dominique. “Cyclodextrins and their pharmaceutical applications”. International Journal of Pharmaceutics. 2006.[6] Loftsson, Thorsteinn y Brewster, Marcus E. “Cyclodextrins as pharmaceutical solubilizers”. Advanced Drug Delivery Reviews. 2007.[7] Uekama, Kaneto. “Design and Evaluation of Cyclodextrin”. Based Drug Formulation. 2004.[8] Zoppi, Ariana y otros. “Specific binding capacity of -cyclodextrin whit cis and trans enalapril:β physicochemical characterization and structural studies by molecular modeling”. Departamento de Farmacia, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Nacional de Córdoba. 2008.
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