El paradigma dels metal·lacarborans: ús dels clústers en tractaments de càncer, contra bacteris resistents i en catàlisi verda

Abstract

Aquesta tesi doctoral consta de 4 capítols comptant la introducció (Cap. 1), els resultats d’aquesta tesi que s’han distribuït en 2 capítols (Cap. 2 i Cap.3) i conclusions (Cap. 4). Els resultats obtinguts en els capítols 2 i 3 es resumeixen a continuació: Capítol 2. Aplicacions en biomedicina dels metal·labis(dicarballurs): la seva interacció amb biomolècules, estudis en teràpies anticàncer i acció antibacteriana. En aquest capítol s’inclouen en primer lloc els estudis fisicoquímics realitzats amb sis metal·labis(dicarballurs), relatius a la seva capacitat d’autoensamblatge, activitat redox, lipofília i solubilitat que després ajudaran a l’hora explicar la seva activitat biològica. També s’han fet estudis de magnetisme i corrents d’anell. A partir d’aquí s’ha aprofundit en els estudis de creuament de membrana lipídica artificial, utilitzant compostos que no havien sigut estudiats i condicions que simulen el medi biològic. S’han realitzat estudis aprofundint també en la seva interacció amb aminoàcids, proteïnes i ADN, i per primer cop s’ha estudiat la interacció amb els glúcids mitjançant una molècula amb propietats de tensioactiu on el cap polar es una glucosa que està enllaçada a una cua apolar. Posteriorment s’han pogut visualitzar aquestes interaccions in vitro, després d’incubar Na[o-COSAN] en el medi de cultiu de soques de glioblastoma multiforme (GBM), un tipus de càncer cerebral, gràcies a la tècnica de microscòpia FTIR amb una font de radiació de sincrotró. Aquests estudis van ser realitzats gràcies a la concessió d’un projecte per a l’ús d’aquesta tècnica en la línia de feix MIRAS al sincrotró ALBA. Aquests resultats van ser la prèvia per observar les interaccions amb biomolècules in vivo, addicionant quatre metal·labis(dicarballurs) en el medi de cultiu d’un model d’animal petit com els nematodes C.elegans i els seus embrions. Després, dos d’aquests compostos van ésser testats com a fàrmacs per la teràpia anticàncer BNCT en cultius de dues línies de GBM, amb resultats positius. Posteriorment, es van usar uns altres dos com a fàrmacs en una línia de GBM resistent per a radioteràpia amb raigs-X i raigs-γ, i també es va aplicar per primer cop en cultius una tècnica de radioteràpia nova, anomenada PBFR, que requereix de compostos que continguin bor. Finalment els sis compostos van ésser provats com a antibiòtics en soques de bacteris Gram-positiu, Gram-negatiu i C.albicans, obtenint resultats positius. Cal remarcar que algunes d’aquestes soques eren resistents a múltiples fàrmacs. Els estudis físico-químics obtinguts a l’inici del capítol 2 van ajudar a explicar el diferent comportament dels sis compostos utilitzats. El fet que els bacteris Gram-negatiu continguin cations alcalinoterris en la seva estructura protectora de lipopolisacàrids ens va guiar cap a reportar per primer cop la síntesi i caracterització de les sals divalents de Ca2+ i Mg2+ de l’[o-COSAN]- i el [8,8’-I2-o-COSAN]-. Capítol 3. Ús de l’[o-COSAN]- com a dopant per a COPs per la seva aplicació en energia verda. En aquest capítol s’utilitzen les sals de Cs+ i Na+ de l’[o-COSAN]- per a dopar COPs com el PEDOT. El fet d’incloure aquests compostos en una matriu polimèrica fa que es produeixi una sinergia que produeix materials doble redox-reversibles com el PEDOT:Cs[o-COSAN] i altres, que milloren les prestacions del PEDOT:PSS habitual. Aquestes millores són degudes en part a un canvi del potencial redox Co4+/3+ cap a valors més reductius, com a aplicabilitat d’aquestes millores es van estudiar aquests polímers com a catalitzadors per a la oxidació de l’aigua, millorant el PEDOT:PSS. A més a més, un mètode per calcular el pic d’oxidació Co4+/3+ a partir de les corbes catalítiques va ésser desenvolupat. Posteriorment, s’ha indagat en l’ús de l’[o-COSAN]- com a dopant de PEDOT i poli(pirrol) per a produir COPs que milloren els resultats de la catàlisi d’oxidació de l’aigua.

Esta tesis doctoral consta de 4 capítulos contando la introducción (Cap. 1), los resultados de esta tesis que se han distribuido en 2 capítulos (Cap. 2 y Cap.3) y conclusiones (Cap. 4). Los resultados obtenidos en los capítulos 2 y 3 se resumen a continuación: Capítulo 2. Aplicaciones en biomedicina de los metalabis(dicarballuros): su interacción con biomoléculas, estudios en terapias anticáncer y acción antibacteriana. En este capítulo se incluyen en primer lugar los estudios físico-químicos realizados con seis metalabis(dicarballuros), relativos a su capacidad de autoensamblaje, actividad redox, lipofilia y solubilidad que después ayudarán a la hora explicar su actividad biológica. También se han realizado estudios de magnetismo y corrientes de anillo. A partir de ahí se ha profundizado en los estudios de cruce de membrana lipídica artificial, utilizando compuestos que no habían sido estudiados y condiciones que simulan el medio biológico. Se han realizado estudios profundizando también en su interacción con aminoácidos, proteínas y ADN, y por primera vez se ha estudiado la interacción con los glúcidos mediante una molécula con propiedades de tensioactivo donde la cabeza polar es una glucosa que está enlazada a una cola apolar. Posteriormente se han podido visualizar estas interacciones in vitro, después de incubar Na[o-COSAN] en el medio de cultivo de cepas de glioblastoma multiforme (GBM), un tipo de cáncer cerebral, gracias a la técnica de microscopía FTIR con una fuente de radiación de sincrotrón. Estos estudios fueron realizados gracias a la concesión de un proyecto para el uso de esta técnica en la línea de haz MIRAS en el sincrotrón ALBA. Estos resultados fueron la previa para observar las interacciones con biomoléculas in vivo, adicionando cuatro metalabis(dicarballuros) en el medio de cultivo de un modelo de animal pequeño como los nematodos C.elegans y sus embriones. Después dos de estos compuestos fueron testados como fármacos por la terapia anticáncer BNCT en cultivos de dos líneas de GBM, con resultados positivos. Posteriormente, se usaron otros dos como fármacos en una línea de GBM resistente para radioterapia con rayos-X y rayos-γ, y también se aplicó por primera vez en cultivos una técnica de radioterapia nueva, llamada PBFR, que requiere de compuestos que contengan boro. Finalmente los seis compuestos fueron probados como antibióticos en cepas de bacterias Gram-positiva, Gram-negativa y C.albicans, obteniendo resultados positivos. Cabe remarcar que algunas de estas cepas eran resistentes a múltiples fármacos. Los estudios físico-químicos obtenidos al inicio del capítulo 2 ayudaron a explicar el diferente comportamiento de los seis compuestos utilizados. El hecho de que las bacterias Gram-negativa contengan cationes alcalinotérreos en su estructura protectora de lipopolisacáridos nos guió hacia reportar por primera vez la síntesis y caracterización de las sales divalentes de Ca2+ y Mg2+ del [o-COSAN]- y el [8,8’-I2-o-COSAN]-. Capítulo 3. Uso del [o-COSAN]- como dopante para COPs por su aplicación en energía verde. En este capítulo se utilizan las sales de Cs+ y Na+ del [o-COSAN]- para dopar COPs como el PEDOT. El hecho de incluir estos compuestos en una matriz polimérica hace que se produzca una sinergia que produce materiales doble redox-reversibles como el PEDOT:Cs[o-COSAN] y otros, que mejoran las prestaciones del PEDOT:PSS habitual. Estas mejoras se deben en parte a un cambio del potencial redox Co4+/3+ hacia valores más reductivos, como aplicabilidad de estas mejoras se estudiaron estos polímeros como catalizadores para la oxidación del agua, mejorando el PEDOT: PSS. Además, un método para calcular el pico de oxidación Co4+/3+ a partir de las curvas catalíticas fue desarrollado. Posteriormente, se ha indagado en el uso del [o-COSAN]- como dopante de PEDOT y poli(pirrol) para producir COPs que mejoran los resultados de la catálisis de oxidación del agua.

This doctoral thesis consists of 4 chapters including the introduction (Chapter 1), the results of this thesis which have been distributed in 2 chapters (Chapter 2 and Chapter 3) and conclusions (Chapter 4). The results obtained in chapters 2 and 3 are summarized below: Chapter 2. Biomedical applications of metallabis(dicarbollides): their interaction with biomolecules, studies in anticancer therapies and antibacterial action. This chapter includes in the first place the physicochemical studies carried out with six metallabis(dicarbollides), relating to their self-assembly capacity, redox activity, lipophilicity and solubility which will later help to explain their biological activity. Studies of magnetism and ring currents have also been carried out. From here, studies of artificial lipid membrane crossing have been deepened, using compounds that had not been studied and conditions that simulate the biological environment. Studies have also been carried out in depth on its interaction with amino acids, proteins, and DNA, and for the first time the interaction with carbohydrates has been studied using a molecule with surfactant properties where the polar head is a glucose that is linked to a non-polar tail. These interactions have subsequently been visualized in vitro, by incubating Na[o-COSAN] within stem cells of glioblastoma multiforme (GBM), a type of brain cancer, thanks to the FTIR microscopy technique with a synchrotron source of radiation. These studies were carried out thanks to the concession of a project for the use of this technique in the MIRAS beamline at ALBA synchrotron. These results were the previous step to observe interactions with biomolecules in vivo, using four metallabis(dicarbollides) incubated in a small animal model such as C.elegans nematodes and their embryos. Afterwards, two of these compounds were tested as drugs for BNCT anticancer therapy in cultures of two GBM lines, obtaining positive results. Subsequently, another two compounds were used as drugs in a line of resistant GBM by means of X-ray and γ-ray radiotherapy, and a new radiotherapy technique requiring compounds containing boron. Finally, the six compounds were tested as antibiotics in strains of Gram-positive bacteria, Gram-negative bacteria and C.albicans, obtaining positive results. It should be noted that some of these strains were resistant to multiple drugs. The physical-chemical studies obtained at the beginning of the chapter helped to explain the different behaviour of the six compounds used. The fact that Gram-negative bacteria contain alkaline earth cations in their protective lipopolysaccharide structure led us to report for the first time the synthesis and characterization of the divalent Ca2+ and Mg2+ salts of [o-COSAN]- and [8,8’-I2-o-COSAN]-. Chapter 3. Use of [o-COSAN]- as a dopant for COPs for its application in green energy. In this chapter, Cs+ and Na+ salts of [o-COSAN]- are used to dope COPs such as PEDOT. The fact of including these compounds in a polymeric matrix results in a synergy that produces double redox/reversible materials such as PEDOT:Cs[o-COSAN] and others, which improve the performance of the usual PEDOT:PSS. These improvements are due in part to a shift of the Co4+/3+ redox potential towards more reductive values, as applicability of these improvements these polymers were studied as catalysts for water oxidation, improving PEDOT:PSS. In addition, a method to calculate the Co4+/3+ oxidation peak from the catalytic curves was developed. Subsequently, it has been investigated the use of [o-COSAN]- doping PEDOT and poly(pyrrole) to produce COPs that improve the results of the water oxidation catalysis obtained first place COPs including [o-COSAN]- covalently attached to a pyrrole monomer were also used.