Metallosurfactants and drug delivery systems for biomedical applications

Abstract

Un gran nombre de fàrmacs basats en platí són utilitzats com a agents antineoplàstics per al tractament de diversos càncers. Tot i això, els efectes adversos relacionats amb aquest tipus de teràpies crea la necessitat de millorar els sistemes d’alliberament de fàrmacs. En aquest sentit, la preparació de metal·losomes – vesícules mixtes entre un complex surfactant de Pt(II) i fosfolípids estructurals – permet unir l’acció d’un complex de platí amb els beneficis que presenten el liposomes com a transportadors i alliberadors de fàrmacs, com serien la millora de la biocompatibilitat, o l’augment de l’eficiència terapèutica. En la primera part d’aquesta tesi, s’ha sintetitzat i caracteritzat una nova família d’amines sulfonades linears, {NH2(CH2)nSO3Na, L2 (n = 2), L6 (n = 6), i L10 (n = 10)}. Així mateix, els seu respectius complexes cis-[PtI2L2] (L = L2, L6 i L10), han sigut sintetitzats i caracteritzats per diverses tècniques {RMN, IR, ESI-MS i UV-Vis}. Aspectes com el disseny dels lligands i complexos, el seu mecanisme de reacció, la interacció amb biomolècules o la citotoxicitat es discuteixen exhaustivament. Addicionalment, s’ha estudiat el comportament físic dels lligands i complexos. En alguns dels cassos, han mostrat propietats fisicoquímiques úniques, com la dependència de pH, la solubilitat o l’organització supramolecular, que ha sigut estudiada per espectroscòpia de raigs X d’angle petit i microscòpia criogènica electrònica de transmissió, entre d’altres. A més, s’ha estimat la concentració d’agregació crítica dels cis-[PtI2L2] mitjançant fluorescència i dispersió dinàmica de llum. A causa de les seves propietats fisicoquímiques, cis-[PtI2(L10)2], va demostrar ser un bon candidat per a la producció de metal·losomes, els quals han sigut produïts mitjançant mètodes tradicionals. L’estudi dels metal·losomes resultants ha permès relacionar la mida de les vesícules amb la ràtio de metal·losurfactant/fosfolípids. A l’emprar diversos fosfolípids en la producció de metal·losomes, l’estudi per calorimetria d’escaneig diferencial o de l’anisotropia de les membranes, entre d’altres tècniques, ha permès demostrat diferents interaccions entre fosfolípids i cis-[PtI2(L10)2]. Finalment, l’acurada caracterització dels metal·losomes en termes d’internalització de Pt, citotoxicitat i estabilitat, ha evidenciat la seva prometedora activitat com a agent quimioterapèutic.

Un gran número de fármacos basados en el platino se utilizan como agentes antineoplásicos para el tratamiento de varios cánceres. Sin embargo, los efectos adversos de este tipo de terapias generan la necesidad de mejorar los sistemas de transporte y liberación de fármacos. En este sentido, la preparación de metalosomas – vesículas mixtas entre un complejo surfactante de Pt(II) y fosfolípidos estructurales – permite unir la acción del complejo y los beneficios de los liposomas como transportadores y liberadores de fármacos, así como la biocompatibilidad, o el aumento de la eficiencia terapéutica. Para ello, se ha sintetizado y caracterizado una nueva familia de aminas sulfonadas lineares, {NH2(CH2)nSO3Na, L2 (n = 2), L6 (n = 6), y L10 (n= 10)}. Y, sus respectivos complejos cis-[PtI2L2] (L = L2, L6 y L10), caracterizados por diversas técnicas {RMN, IR, ESI-MS y UV-Vis}, se han obtenido mediante la reacción entre los ligandos y K2PtCl4 en agua. Además, aspectos como el diseño de los ligandos y complejos, su mecanismo de reacción, la interacción con biomoléculas o la citotoxicidad son discutidos exhaustivamente. Adicionalmente, se ha estudiado el comportamiento físico de los ligandos y complejos. En algunos de los casos, han mostrado propiedades físico-químicas únicas, como la dependencia de pH, la solubilidad o la organización supramolecular que ha sido estudiada por espectroscopia de rayos X de ángulo pequeño y microscopía criogénica electrónica de transmisión, entre otros. Además, se ha estimado la concentración de agregación crítica de los cis-[PtI2L2] mediante fluorescencia y dispersión dinámica de luz. Debido a sus propiedades físico-químicas, cis-[PtI2(L10)2], demostró ser un buen candidato para la producción de metalosomas. El estudio de los metalosomas ha permitido relacionar el tamaño de las vesículas con la ratio de metallosurfactante/fosfolípido. Además, el uso de diversos fosfolípidos en la producción de metallosomas, su estudio por calorimetría de escaneo diferencial o anisotropía de membranas, entre otras técnicas, ha permitido demostrar diferentes interacciones entre lípidos y cis-[PtI2(L10)2]. Por último, la caracterización de los metalosomas en términos de internalización de Pt, citotoxicidad y estabilidad, ha evidenciado su prometedora actividad como agente quimioterapéutico.

Platinum drugs are widely used as antineoplastic agents in the treatment of several cancers. However, pernicious side effects related to the systemic toxicity of these types of therapies enforce the improvement of drug delivery systems. In this sense, the preparation of Pt(II) metallosomes – mixed vesicles of Pt(II) surfactant complex and structural phospholipids- will gather the activity of the Pt(II) complex with the benefits of liposomes as drug delivery systems, such as the enhanced biocompatibility, or the improved therapeutic efficiency . In the first part of this thesis, a new family of linear amino sulfonates {NH2(CH2)nSO3Na, L2 (n = 2), L6 (n = 6), and L10 (n = 10)} is synthesised and characterised. Likewise, their respective cis-[PtI2L2] (L = L2, L6 and L10) complexes are obtained after the reaction between the amino sulfonate ligands and K2PtCl4 in water. All compounds are fully characterised by common techniques {NMR, IR, ESI-MS and UV-Vis}. Furthermore, the choice of the chemical groups, the reaction mechanisms and the complexes interaction with biomolecules and its cytotoxic activity are thoroughly discussed. Additionally, the physical behaviour of the ligands and complexes are investigated. In some cases, they have shown unique physicochemical properties, such as pH dependant, solubilities or its supramolecular organisation studied by Small-angle-X-ray spectroscopy and cryo-transmission electron microscopy. Moreover, the critical aggregation concentration of the cis-[PtI2L2] is estimated using fluorescence and dynamic light scattering. Due to its unique physicochemical characteristics, cis-[PtI2(L10)2] proved to be a suitable molecule to prepare metallosomes using traditional liposome preparation methods. The study of the resulting metallosomes has permitted to relate the size of the vesicles with the metallosurfactant/phospholipid ratio. Likewise, the preparation of metallosomes with various phospholipids indicate distinctive interaction between the surfactant complex and the lipidic bilayer, analysed by anisotropy, dynamic scanning calorimetry, and Small-angle-X-ray spectroscopy among other techniques. Finally, the deep characterisation and analysis of crucial features of our metallosomes like size, Pt-internalisation, cytotoxicity and stability, evidence their promising activity as chemotherapeutic agents.