Click chemistry towards the development of multifunctional drug delivery systems

Resumen

Durante los últimos años, han aparecido nuevas estrategias nanométricas para la entrega de fármacos quimioterapéuticos, debido a los problemas de administración que presentan este tipo de fármacos, entre los que se incluyen diferentes de barreras fisiológicas, así como la resistencia al fármaco. Además, los fármacos quimioterapéuticos convencionales en algunos casos dañan células sanas y causan toxicidad en el paciente. Los sistemas de administración de fármacos nanoescalados ofrecen una mayor solubilidad del fármaco, mejores propiedades farmacocinéticas, un mayor tiempo de circulación en sangre y minimizan los efectos secundarios. Estos sistemas a su vez permiten la administración combinada de cócteles de agentes quimioterapéuticos para el desarrollo de sistemas programables de administración de fármacos combinados. El presente trabajo forma parte de un conjunto de investigaciones que se han desarrollado en el laboratorio de Operaciones Básicas y Tecnología de Polímeros del grupo TEQUIMA del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Castilla-La Mancha. Esta línea de investigación de basa en el desarrollo de nuevas formas de administración de principios activos empleando polímeros biodegradables y distintos métodos de deposición o anclaje de los compuestos polímero-fármaco. La experiencia del grupo de investigación en distintas aplicaciones empleando CO2 supercrítico ha impulsado a desarrollar parte de este estudio con el uso de esta tecnología limpia, lo que justifica la realización de nuevas investigaciones para poner de manifiesto los disolventes verdes, ya que puede suponer un beneficio tanto técnico como comercial. En particular en este trabajo se describe una investigación original dirigida al desarrollo de estrategias de bioconjugación de polímeros y fármacos mediante la introducción de la química click. La hipótesis principal de esta tesis es el uso de la química click que puede proporcionar nuevos y fáciles caminos hacia la funcionalización de nuevos conjugados para ofrecer una ambiciosa solución al tratamiento de terapias agresivas. Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. Además, presenta un perfil multidisciplinar que engloba diferentes áreas: ingeniería química, química orgánica y biomedicina-preclínica. El primer objetivo de esta tesis doctoral consistió en la funcionalización del polietilenglicol (PEG) con cumarina en medio supercrítico. El primer paso fue el estudio del sistema CO2/PEG, para determinar el grado de sorción. La sorción del CO2 en los polímeros provoca el hinchamiento de los polímeros e induce cambios en las propiedades mecánicas y físicas de los mismos. En concreto, se estudió la reducción de la temperatura de fusión del PEG. El estudio de la variación de la temperatura de fusión proporciona la información necesaria para fundir el polímero y producir una solución liquida saturada, que es un parámetro de gran importancia, especialmente para la preparación fármaco-polímero. A partir de estos resultados se establecieron las condiciones próximas de operación para llevar a cabo la funcionalización. En segundo lugar, se llevó a cabo la reacción de cicloadición con PEG y cumarina en medio supercrítico. Consecutivamente, se realizó un estudio preliminar, utilizando la metodología de superficie respuesta para examinar las variables que mostraron un efecto más significativo en el rendimiento de la reacción. Las condiciones de operación optimizadas permitieron obtener rendimientos de funcionalización superiores al 90 %. Además, se evaluó la actividad antioxidante del conjugado y se comprobó que presentaba una actividad sustancial en comparación con la cumarina de partida. El uso de catalizadores heterogéneos reutilizables ha surgido como una estrategia de proceso sostenible prometedora para la ingeniería, la química y el medio ambiente. Por ello, una vez optimizadas las condiciones de operación, se analizó la influencia del rendimiento de la cicloadición entre el PEG con cumarina empleando diferentes catalizadores (homogéneos y heterogéneos) en tolueno y CO2 supercrítico. Se estudiaron parámetros como la carga del catalizador, el tiempo de reacción, la reutilización y la lixiviación de los catalizadores para obtener más información sobre la cicloadición en medio supercrítico. Una vez determinado los rendimientos de reacción con cada catalizador utilizado en tolueno y CO2 supercrítico, se realizó un estudio de costes, donde se pudo comprobar que el uso de catalizadores heterogéneos puede reducir un 26.14 % los costes de producción. Concluyendo que la catálisis heterogénea es un área prometedora en las reacciones que se llevan en medio supercrítico en términos de economía, rendimientos selectivos y facilidad de purificación. Las micelas poliméricas han atraído una atención considerable por su eficacia en la administración de fármacos poco solubles, elevada estabilidad y biodisponibilidad. Los fármacos hidrofóbicos conjugados con PEG pueden autoensamblarse en micelas, que luego pueden cargarse con otra molécula terapéutica. Estos conjugados se han empleado para formar los denominados portadores micelares “de doble función”, que tienen una actividad antitumoral intrínseca y que entregan una carga de fármacos antitumorales. El PEG conjugado con 1-azidometil-7-metoxicumarina (AMMC) y el PEG conjugado con 1,3-Bis(5-azidopentil)-5-fluorouracilo (5-FUDA) pudieron autoensamblarse en micelas para encapsular paclitaxel (PTX), gemcitabina (GEM) y curcumina (CUR), y actuar como quimiosensibilizadores para mejorar el potencial terapéutico de cada fármaco encapsulado. Ambos conjugados exhibieron un tamaño medio de 200 nm y una liberación sostenida similar para el PTX y CUR durante 90 horas. Cabe destacar que, los conjugados demostraron ser agentes citotóxicos in vitro contra dos líneas celulares de cáncer de páncreas, lo que demostró que no había riesgo de desnaturalización de los conjugados con PEG. Por lo tanto, el impulso actual en el desarrollo de nuevos sistemas de administración de fármacos es prometedor para mejorar en gran medida las terapias para el tratamiento del cáncer. Por último, se sintetizaron dos nuevos híbridos que combinan el agente quimioterapéutico 5-fluorouracilo (5-FU) con derivados antioxidantes de cumarina. Los conjugados mostraron buenas propiedades antioxidantes y una alta tendencia a agregarse para formar nanopartículas en medios acuosos, con forma regular y tamaño uniforme. Por otro lado, estos materiales han demostrado ser agentes citotóxicos in vitro contra las células del cáncer de páncreas. Estos resultados ofrecen la posibilidad de explorar y justifican una mayor investigación de la combinación sinérgica entre fármacos quimioterapéuticos a través de la reacción de cicloadición.