Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/16054
Título: Cyclodextrins as anti-asthmatic drug carriers: an in silico study
Autor: Calçada, Bruno Emanuel de Sá
Orientador: Machuqueiro, Miguel Ângelo dos Santos
Marques, Helena Cabral
Palavras-chave: Asma
Complexos
Energia livre
Docking molecular
Mecânica quântica
Teses de mestrado - 2014
Data de Defesa: 2014
Resumo: A asma é uma doença cronica que afeta milhões de pessoas em todo o mundo e tem vindo a aumentar o seu número de casos nas últimas décadas. Atualmente a Organização Mundial de Saúde considera-a uma das principais doenças. O combate à asma iniciou-se em 1960 com a descoberta dos recetores adrenérgicos e subsequente, o recetor β. Com esta descoberta desenvolveram-se os agonistas β-2 de ação curta como o salbutamol, específicos para o recetor β-2, mais tarde na década de 80 surgiram os agonistas β-2 de ação prolongada. Foi no início da década seguinte que se descobriram os corticosteróides, como a beclometasona dipropionato, budesonida, ciclesonida e uticasona propionato, muito importantes no tratamento de casos mais severos de asma. As ciclodextrinas são oligossacáridos cíclicos, constituídos por várias unidades de d-glucopiranose conectadas através de uma ligação glicosídica α(1-4). Atualmente existem três ciclodextrinas principais, que são: a α, a β e a ϒ. A descoberta das ciclodextrinas remonta ao final do século XIX quando foram extraídas pela primeira vez. Desde então muitos grupos de investigação dedicaram-se à síntese e caracterização destes compostos. As suas propriedades físico-químicas foram o que levaram ao desenvolvimento dos seus derivados de modo a melhorar as propriedades das anteriores. Nos dias de hoje têm uma ampla aplicação, desde a indústria alimentar, à cosmética e farmacêutica. A sua importância ao nível da indústria farmacêutica prende-se com o facto das ciclodextrinas melhorarem a solubilidade, estabilidade e biodisponibilidade dos fármacos. Para estudar os modos de ligação e energias livres dos complexos formados entre ciclodextrinas e fármacos, foram selecionadas cinco ciclodextrinas, as três mais comuns, α, β e ϒ-ciclodextrinas, e duas derivadas da β-ciclodextrina, a metil- e 2-hidroxipropil-β-ciclodextrinas. Os fármacos seleccionados foram o salbutamol, agonista β-2 de ação curta, actualmente o mais utilizado no mercado e quatro corticosteróides de resposta prolongada, a beclometasona dipropionato, budesonida, uticasona propionato e o pro-fármaco ciclesonida. Inicialmente, neste estudo, otimizaram-se as estruturas das moléculas com o programa Avogadro, usando o método de “steepest descent" e o campo de força MMFF94. De seguida, as otimizações de geometria foram realizadas ao nível quântico com o Gaussian 09, com funcional PBE1PBE e a basis set 6-31G(d,p). Todos os cálculos foram realizados em vácuo com carga zero e multiplicidade um. Foram também calculadas as frequências destes compostos de modo a garantir que a estrutura otimizada é um mínimo de energia. Após estes cálculos iniciais, deu-se início a um estudo de docking molecular. Recorrendo ao programa AutoDockTools foram preparados os ficheiros de iniciação com a remoção dos átomos não polares em todas as estruturas e introdução de exibilidade nos fármacos. De seguida foi preparada uma grelha centrada no recetor, neste estudo são as ciclodextrinas, com largura suficiente na região superior e inferior de modo a serem explorados os modos de ligação com o programa AutoDock Vina. De cada estudo resultaram aproximadamente mil soluções que de seguida sofreram um processo de permutação, devido à elevada simetria dos recetores, que podiam dar a ilusão de termos soluções muito diferentes quando na realidade apenas estão em subunidades diferentes. Estas estruturas também foram agrupadas em clusters de modo a facilitar o estudo dos modos de ligação preferenciais. A partir do docking molecular vários modos de ligação foram selecionados. O critério para seleção destes modos de ligação foram: o tamanho do cluster, isto é, o número de soluções que o compõem, e as energias do docking. Para cada cluster selecionado apenas é estudada a estrutura com a menor energia. Entramos agora na última fase do nosso estudo, com a seleção de dois a quatro modos de ligação para cada complexo. Procedemos mais uma vez ao cálculo das estruturas optimizadas usando mecânica quântica e parâmetros iguais aos utilizados no início deste estudo. O objetivo passou por obter a estrutura otimizada de cada modo de ligação, mas também garantir que a estrutura é um mínimo de energia, bem como calcular as respetivas energias livres através de cálculos de frequências. A partir dos resultados de docking molecular e posterior optimização de geometria é possível dizer que a α-ciclodextrina, para estes casos, não aparenta ser um bom composto de inclusão na medida que apenas introduz na sua cavidade uma cadeia lateral dos fármacos maiores e mesmo no caso do fármaco mais pequeno a estrutura mais estável é a de não inclusão. No caso da β-ciclodextrina existe uma maior variedade de modos de ligação e um aumento no nível de inclusão dos fármacos. A metil-β-ciclodextrina com a substituição do átomo de hidrogénio por um grupo metilo na região mais larga das ciclodextrina onde existiam dois grupos hidroxilo por subunidade, verificou-se uma dificuldade por parte dos fármacos em interagir neste lado, levando assim a uma diminuição na propriedade deste recetor em atuar como doador de ligações de hidrogénio. Neste caso, o aumento da hidrofobicidade que podendo ter um papel importante na afinidade, veio diminuir a especificidade do recetor para estes ligandos. No caso da 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina, com a substituição do átomo de hidrogénio no grupo hidroxilo primário na zona mais estreita da ciclodextrina por um grupo 2-hidroxipropilo, observamos um aumento da hidrofobicidade da cavidade enquanto também aumentou a possibilidade de criar ligações de hidrogénio com o grupo adicionado. Com esta alteração o nível de inserção dos fármacos, principalmente dos corticosteróides aumentou, provavelmente devido a uma melhorar acomodação no interior da cavidade, mas também devido à possibilidade de criação de ligações de hidrogénio em ambos os lados das ciclodextrina. No que toca às energias de ligação, grande parte ainda se encontra a calcular, à exceção dos complexos com o salbutamol. Os resultados estão de acordo com os obtidos no docking molecular, sendo que a α- e ϒciclodextrinas obtiveram os piores valores devido às suas cavidades serem demasiado pequenas ou grandes, respetivamente. As baixas energias de ligação para a β- e metil-β-ciclodextrinas estão em excelente concordância com os maiores valores da constante de estabilidade medidos experimentalmente. Curiosamente, os nossos dados computacionais indicam que o salbutamol teria uma constante de solubilidade maior caso a 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina fosse utilizada como recetor. Em conclusão, a nossa abordagem computacional foi capaz de prever qualitativamente as melhores complementaridades entre os fármacos anti-asmáticos e as ciclodextrinas. Esperamos que as energias livres de ligação de Gibbs, quando terminadas, corroborem o que já foi observado. Um exemplo, é o complexo formado entre o salbutamol e a 2-hidroxipropilo-β-ciclodextrina, cuja constante de estabilidade não foi estudada experimentalmente, mas esperamos que seja elevada. Esta notável capacidade preditiva mostra que o nosso método computacional pode ser uma ferramenta poderosa na conceção de novas e inexploradas combinações de complexos.
Asthma is a chronic disease that affect millions of persons around the world and it has gained an increasing concern in the world health organizations. To fight this disease there are some options, the short acting β-2 agonist salbutamol, or the inhaled corticosteroids, like beclomethasone dipropionate, budesonide, ciclesonide and uticasone propionate. Cyclodextrins are a family of oligosaccharides containing several d-glucopyranose units linked by α(1-4) glycosidic bonds. The three most common used, α-, β- and ϒ-cyclodextrins, and some of their derivatives are widely used in the pharmaceutical industry as excipients with the main purpose of complexing with the anti-asthmatic drugs and increase their aqueous solubility, stability and bioavailability. In this work, using molecular docking and quantum mechanics calculations, it was possible to identify the preferential binding modes and calculate their energies of binding. The space inside the cyclodextrins' cavities is important for the accommodation of guest molecules, influencing the degree of inclusion. α- and ϒ-cyclodextrins are not very good hosts because their cavity spaces are too small or too large, respectively. On the other hand, β-cyclodextrin and its derivatives (methyl- and 2-hydroxypropylcyclodextrins) exhibited very good size complementary with the drugs studied. 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin appeared to be particularly good forming stable adducts with most drugs. This cyclodextrin seems to conjugate the correct cavity size, with increased hydrophobicity and extra hydroxyl groups for non-specific and specific interactions with the guests, respectively. In overall, our computational approach was able to correctly predict qualitatively the best matches between the anti-asthmatic drugs and the cyclodextrins. An example is the adduct formed between salbutamol and 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin, with no stability values measured experimentally, which we expect to be very strong. This remarkable predictive ability shows that our computational method can be a powerful tool designing new and unexplored combinations of adducts.
Descrição: Tese de mestrado em Química, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014
URI: http://hdl.handle.net/10451/16054
Designação: Mestrado em Química
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