Sare metal-organikoetan oinarritutako farmakoen liberazio sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak

227 ekaia ZIENTZIA eta TEKNOLOGIA ALDIZKARIA ISSN 0214-9001 – eISSN 2444-3255 Ekaia, 2022, 42, 227-239 https://doi.org/10.1387/ekaia.22809 * Harremanetan jartzeko / Corresponding author: Leire Celaya Azcoaga. Kimika Ez-organikoa Saila. Zientzia eta Teknologia Fakultatea. Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU) eta BCMaterials (Basque Center for Materials, Applications and Nanostructures), UPV/EKUko Zientzia Parkea, Barrio Sarriena, z/g (48940 Leioa, Bizkaia). – [email protected] – https:// orcid.org/0000-0003-2943-530X Nola aipatu / How to cite: Celaya Azcoaga, Leire; Fidalgo-Marijuan, Arkaitz; Fernández de Luis, Roberto (2022). «Sare metalorganikoetan oinarritutako farmakoen liberazio-sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak». Ekaia, 42, 2022, 227-239. (https://doi.org/10.1387/ekaia.22809). Jasotze-data: 2021, maiatzak 14; Onartze-data: 2021, uztailak 29. ISSN 0214-9001 - eISSN 2444-3255 / © 2022 UPV/EHU Lan hau Creative Commons Aitortu-EzKomertziala-LanEratorririkGabe 4.0 Nazioartekoa lizentzia baten mende dago Sare metal-organikoetan oinarritutako farmakoen liberazio-sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak (Metal-organic Framework-based drug delivery systems: biomolecules’ incorporation functionalization strategies) Leire Celaya Azcoaga1,2*, Arkaitz Fidalgo-Marijuan1, Roberto Fernández de Luis1 1 BCMaterials, Basque Center for Materials, Applications and Nanostructures. UPV/EHUko Zientzia Parkea, Leioa 2 kimika organikoa eta Ezorganikoa saila. Zientzia eta Teknologia Fakultatea, Euskal Herriko Unibertsiatea (UPV/EHU) LABURPEnA: Sare metal-organikoetan (MoF, metal-organic framework, ingelesez) oinarritutako farmakoen liberazio kontrolaturako erabiltzen diren sistemak (DDS, drug delivery system, ingelesez) orain arte erabilitako sistema tradizionalek aurkezten dituzten mugak gainditzeko gai dira. Izan ere, haien izaera hibridoa dela eta, bai sistema ez-organiko bai organiko tradizionalek aurkezten dituzten abantailak batzeko gai dira, eta haien desabantailak murrizten dituzte. Lan honetan, DDSak sortzeko kontuan hartu beharreko ezaugarriak azaldu eta gero, MoF sareek DDS gisa erabiltzeko aurkezten dituzten ezaugarri nabarmenenak aipatuko dira. Azkenik, MoF egituretan biomolekulen atxikipen eta/ edo askapen kontrolatua lortzeko erabiltzen diren bost funtzionalizazio-estrategia nagusiak aztertuko dira. HITZ GAkoAk: sare metal-organikoak, farmakoen liberazio sistemak, liberazio zuzendua, funtzionalizazioa, biomaterialak. AbstrAct: Drug delivery systems (DDSs) based on metal-organic frameworks (MOFs) overcome the limits shown by conventionally used drug delivery systems. Due to their hybrid inorganic-organic nature, MOFs are able to combine the advantages shown by inorganic and organic based conventional DDSs, while minimising their drawbacks. In this work, after explaining the general characteristics that DDS systems must fullfil, the key properties of MOFs for their use as DDSs are discussed. More specifically, the five most used functionalization strategies to achieve a controled incorporation and/or release of biomolecules within MOF structures will be explained. KEyWORDS: metal-organic frameworks, drug delivery systems, targeted delivery, functionalization, biomaterials. 228 Ekaia, 2022, 42, 227-239 Leire Celaya Azcoaga, Arkaitz Fidalgo-Marijuan, Roberto Fernández de Luis 1. SARRERA Farmakoen liberazio-sistema (DDS, Drug delivery systems, ingelesez) deritzo gorputzean funtzio farmazeutikoak dituen molekula edo molekula multzo bat kudeatzeko prozesua ahalbidetzen duen gailuari. DDS baten helburua efektu terapeutiko bat lortzea da, farmakoaren liberazio-denbora, tasa eta askapen-gune zehatza kontrolatzen duen bitartean. DDSak bere funtzioak ahalik eta modu eraginkorrenean aurrera eraman ahal izateko, i) gorputzean sartu behar dira, efektu kontrajarririk eragin gabe, ii) botika askatu beharreko gunera heldu behar dira; iii) zelula barnean sartzeko gai ez badira, errezeptore espezifikoekin edo zelula kanpoko matrizearekin interaktuatu behar dute, iv) atxikitako molekula modu kontrolatuan askatu behar dute, ahal bada, kanpo estimulu baten bidez, eta, bukatzeko, v) metabolizatu behar diren oinarrizko osagaietan banatuak izan behar dira, berriz ere efektu kontrajarririk eragin gabe (1. irudia) [1]. 1. irudia. (A) Farmakoaren atxikipena eta modifikazio post-sintetikoa (PSM) eta (B) Bideratutako farmakoen liberazioa eta MoFetan oinarritutako DDSaren barneratzeeta askapen-prozedura [2]. Historian zehar, gehien erabilitako DDSa pilula-sistema izan da. Pilularen bereganaketa edo administrazioa oso erraz ulertzen den arren, baliteke sistema mota hau zenbait botikaren askapenerako egokiena ez izatea eraginkortasunaren ikuspegitik. Adibidez, sistema mota hau ez da erabilgarria bere funtzio gunera heldu baino lehenago sabelean degradatzen diren farmakoentzat (adibidez, intsulina) [3]. Nahiz eta bestelako DDSak garatuak izan diren, gehienek izaera erabat ez-organikoa edo organikoa azaltzen https://doi.org/10.1387/ekaia.22809 229 Sare metal-organikoetan oinarritutako farmakoen liberazio-sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak dute, eta horrek zenbait eragozpen ditu. Esate baterako, izaera ez-organikoetan oinarritutako DDSek botikek xurgatzeko ahalmen gutxi izan ohi dute; organikoek, berriz, askapen-joera bortitzak aurkezten dituzte [4-7]. Hori dela eta, artikulu honetan sare metal-organiko (MoF, Metal-organic framework ingelesez) izenez ezagutzen diren material hibridoak aurkezten dira DDS sistemak garatzeko hautagai gisa. 2. SARE METAL-oRGAnIKoAK MoFak koordinazio-sare hibrido inorganiko-organiko porotsuak dira, nodo ez-organikoen eta estekatzaile organikoen arteko koordinazio-loturez dimentsio batean edota 2 edo 3 dimentsiotan hedatzen direnak (2. irudia) [8]. Haien izaera hibridoa dela eta, sare hauek DDSak sortzeko erabili dira, zeren balia baitaitezke bai material ez-organikoen propietateez (funtzio-aniztasuna, egitura egonkor eta iraunkorrak) zein organikoen propietateez (biobateragarritasuna eta biodegradagarritasuna). Horrez gain, MoFen jatorrizko unitateek egitura mikroporotsu zein mesoporotsu ordenatuak garatzeko gai direnez, haien egitura hibridoek eskaintzen dituzten abantailak moldagarria den porositatearekin konbina daitezke, hots, poroen zabaltze, dimentsionaltasun eta interkonektibitatea modula daitezke farmakoen liberazio-aplikazioari ahalik eta erantzun onena eman ahal izateko. 2. irudia. MoFen eraikuntza-unitate ez-organikoen arketipikoak. Egileek egindako irudia. Diseinatutako sistemek sistema biologikoen faseartean interaktuatu behar dutela kontuan hartuta, hauek zenbait ezaugarri bete beharko lituzkete; hortaz, ondoren zerrendatuta agertzen dira MoFak DDS gisa erabiltzeko kontuan hartu beharreko ezinbesteko ezaugarriak [1, 6]. — MoF materialetan oinarritutako DDSak maila desberdinetan toxikotasun eza erakusten duten konposatu biobateragarriz/biodegradagarriz osatuak izan behar dira. Horrek, barnean hartzen ditu bai MoFak sortzeko erabiltzen diren eraikitze-unitateak (esate baterako, 230 Ekaia, 2022, 42, 227-239 Leire Celaya Azcoaga, Arkaitz Fidalgo-Marijuan, Roberto Fernández de Luis ioi ez-organikoak, estekatzaile organikoak, disolbatzaileak…) zein MoFei propietate espezifikoak eskaintzen dieten barne/gainazal funtzionalizazio taldeak. — Materialak farmakoa askatu beharreko tokira/organora heltzeko beharrezko egonkortasun kimikoa izan behar du ingurune biologikoan [9]. — Immunogenizitate eza erakutsi behar dute, hau da, erantzun immunologiko bat sor dezaketen materialen erabilpena saihestu behar da. — Farmako/biomolekula-atxikipen ahalmen handia izan behar dute. Behar espezifiko hau MoFen azalerarekin erlazionatuta dagoen arren, ez da ezaugarri hau kudeatzen duen parametro bakarra. Izatez, MoFen egitura eta adsorbatu nahi diren biomolekulen arteko interakzioek garrantzi handikoak dira MoFen baitan molekulen egonkortasuna ziurtatzeko eta ondorengo askapen-zinetika modulatzeko ere. — Dosi-efizientzia onena lortzeko, atxikitako molekulen askapenmekanismoak kontrolagarria izan beharko luke; askapen horrek, ahal izatekotan, kanpo-estimulu batek eragindakoa izan behar luke. Horretarako, hainbat abiarazle molekular zein fisiko atxikiak izan dira MoF egituren baitan, pH-ari, magnetismoari, ioi kontzentrazioari, presioari, argiari, eta abarri. erantzungai diren MoF sareak sortuz [10]. — Horrez gain, idealki, industrializatu ahal izateko, aplikazio honetarako aukeratutako MoFek sintesi erraza, tinkoa eta errepikakorra erakutsi beharko lukete. Esandako guztia kontuan hartuta, MoF materialek DDS gisa erabili ahal izateko, hauek molekula bioaktiboekin funtzionalizatzeko jarraitzen diren estrategiak azalduko dira. 3. BIoMoLEKULAK MoF SAREETAn ATxIKITzEKo ESTRATEGIAK Bost dira MoFetan askatu nahi diren molekula bioaktiboak atxikitzeko erabiltzen diren bide nagusiak (3. irudia): 1. kanpo-azalerarekiko atxikimendua. 2. kanpo-azalerarekiko atxikimendu kobalentea. 3. Poroetako kapsularatzea. 4. Molekulen in-situ kapsularatzea. 5. Molekula funtzionalen erabilera eraikitze-unitate gisa – BioMoFak. https://doi.org/10.1387/ekaia.22809 231 Sare metal-organikoetan oinarritutako farmakoen liberazio-sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak kanpo-azalerarekiko atxikimendu ahula kanpo-azalarekiko atxikimendu kobalentea Poroetako kapsularatzea In-situ kapsularatzea BioMoFa (a) (b) (d) (e) (f) 3. irudia. Biomolekulak MoFetan atxikitzeko 5 bideen irudikatze eskematikoa. Egileek egindako irudia. Hurrego ataletan, metodo bakoitzaren azalpen labur bat eskainiko da, eta bakoitzak aurkezten dituen abantailak eta desabantailak aipatuko dira [11]. 4. irudia. kanpo-azalarekiko atxikimendu-prozesuaren irudikapen eskematikoa. Egileek egindako irudia. 3.1. Kanpo-azalerarekiko atxikimendu ahula Metodo hau MoFen gainazalean funtzio biologiko adierazgarriak dituzten molekulen atxikipenean datza, oro har, interakzio ahulak direla medio egonkortzen direlarik (4. irudia). Alde batetik, atxikipena postsintetikoki sarearen gainazalean gertatzen denez, metodo honek ez du porositatearekiko menpekotasunik, eta MoFak sintetizatzeko edozein baldintza erabil daiteke, MoF ugarien erabilpena ahalbidetzen dutena [12]. Bestetik, MoFen eta biomolekulen arteko interakzio indartzeko, MoF hauen gaina- 232 Ekaia, 2022, 42, 227-239 Leire Celaya Azcoaga, Arkaitz Fidalgo-Marijuan, Roberto Fernández de Luis zal-kimika eraldatu behar da, MoFen gainazalean dauden koordinatu gabeko kluster ez-organikoekin edo estekatzaile organikoekin talde organiko bat erreakzionatuz, adibidez [13, 14]. Zoritxarrez, gainerako metodoak baino azkarragoa eta errazagoa den arren, atxikitako molekulak interakzio ahulez lotuta daudenez, ingurumenarekin erreakziona dezakete, eta lixibiazio-arazoak aurkeztu. Metodo honi esker, entzimen immobilizazioa sakonki ikertua izan da. 2006an, Balkus-en taldeak mikroperoxidasa-11 (MP-11) entzima kobrean oinarritutako MoF nanokristalino batean [Cu(ooC–C6H4–C6H4–Coo) · ½ C6H12N2] n fisikoki adsorbatutakoaren berri eman zuen. Ultramore-ikuskorreko espektroskopiaren (UV-Vis) eta MoFaren Langmuir gainazal-azaleraren determinazioaren bitartez, MoFak entzimaren ~ % 67 xurgatu zuela frogatu zuten. Halaber, lixibiazio-arazorik ez zegoela ziurtatzeko, MoFa 3 egunez DMFn murgilduta utzi zuten, ondoren supernatantearen UV-Vis analisia aurrera eraman ahal izateko, disoluzioan MP-11-rik ez zegoela ziurtatu zuena, lixibiazio-arazoak baztertuz. Azkenik, UV-Vis espektroskopiaz baliatuz, CuMoF@entzima sarearen ahalmen katalitikoaren determinazioa burutu zuten, eta metileno urdinaren (MB) oxidaketa monitorizatu. Horri esker, MBren % 63 ± 5,1ko konbertsio bat lortzen zela ikusi zen, MP-11 soltearen konbertsio-tasa nabarmenki hobetzen zuena (% 6 ± 5), entzimaren atxikipena honen agregazioa ekiditen zuela iradokitzen zuena. Horrez gain, CuMoFean atxikitako entzimak bost silikato-bentzeniko mesoporotsu (MBS) desberdin baino aktibitate katalitiko hobea erakutsi zuen. Hortaz, lan honek ikerketa-eremu berri bat zabaldu zuen MoFak entzimen eus-ikerketa-eremu berri bat zabaldu zuen MoFak entzimen eusberri bat zabaldu zuen MoFak entzimen euskarri solido bezala erabiltzeko [15]. 3.2. Poroetako kapsularatzea MoFen ezaugarri garrantzitsuenetako bat haien porositatean datza. MoFen porositateen eta poroen tamainen hautatze selektiboa oso tresna eraginkorra bilaka daiteke mota desberdineko substratuak modu selektiboan harrapatzeko. Halaber, molekulak MoFen poroen barnean egokituz gero, MoFek hesi babesle gisa joka dezakete, eta egokitutako molekulak biologikoki bateraezinak diren ingurumenetatik isolatu edo molekula solteen agregazioa saihesten dute, eta, ondorioz, lixibiazio-arazoak ekidin [11]. kapsularatze mota honetan, aukeratutako molekulak poroen barnean sar daitezke difusioaren bitartez, eta askotan konformazio-aldaketa izaten dute, 5. irudian ikusten den bezala. kasu honetan, kapsulatzearen ondoren gertatzen diren lixibiazio-arazoak partzialki gaindi daitezke poroen bar- https://doi.org/10.1387/ekaia.22809 233 Sare metal-organikoetan oinarritutako farmakoen liberazio-sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak nealdea kargatutako biomolekulekin interaktu dezaketen talde kimiko desberdinekin funtzionalizatuz. Kanpo-azalerarekiko atxikipena Konformazio aldaketa partziala Migrazioa Difusioa 5. irudia. Poroetako kapsularatze-prozesuaren irudikatze eskematikoa. Egileek egindako irudia. Metodo honen adibidetzat, Vasili Lykourino et. Al-k egindako ikerketa dugu. kasu honetan, MP-11 entzima kapsulatu zuten Tb-mesoMoF kristalen poroetan. Monokristalentzako absorbantzia optikoko espektroskopiaren bitartez, entzimak aurkezten zuen Soret bandaren desplazamenduari igarri zioten, zeinak entzimaren eta MoFaren poroen arteko eragin-trukeakinterakzioak baieztatu baitzituen. Sistemak eta entzimak bere kabuz zuten ekintza katalitikoa aztertu nahian, 3,5-di-t-butilbentzeno-1,2-diol (DTBC) substratu kromogenikoaren oxidazioa monitorizatu zuten. Sistemak lortutako DBTC konbertsioa % 48.7koa izan zen, entzima soltearena, aldiz, % 12.3koa. Hortaz, sistemak entzimaren ekintza katalitikoa nabarmenki hobetzen zuela ondorioztatu zuten[16]. 3.3. Atxikimendu kobalentea Aurreko bi estrategiak MoF egituren eta biomolekulen arteko interakzio ahulen ondorioak dira, aurkezten duten egonkortasun ezagatik lixibiazio-arazoak azaldu ditzaketenak. Lixibiazio-arazo hori gainditu ahal izateko erabil daitekeen metodo bat MoFen eta atxikitutako molekulen artean 234 Ekaia, 2022, 42, 227-239 Leire Celaya Azcoaga, Arkaitz Fidalgo-Marijuan, Roberto Fernández de Luis lotura kobalentea sortzea litzateke [17]. Teknika honen oinarria MoFetan aurkitu daitezkeen estekatzaile organikoen talde funtzionalen erreaktibotasunean datza, zeren hauek botiketan edo bestelako biomolekuletan aurkitu daitezkeen nukleofiloekin erreakzionatzeko gaitasuna baitute, lotura kobalenteak eratuz (6. irudia) [11, 18]. 6. irudia. (a) Atxikimendu kobalentearen prozeduraren irudikatze eskematikoa (b) Uio-66-NH2 MoFak dingilizka duen amino taldeak izan dezakeen funtzionalizazio kobalenteen adibideak [17]. Egileek egindako irudia, Rosseinsky et. Al-k burututako ikerketa batean, amino taldearekin funtzionalizatutako HkUST-1 sarea [Cu3btc2, btc = bentzeno-1,3,5-trikarboxilato] erabili zuten oxido nitrikoaren (No) garraiorako. kasu honetan, lurrun-fasean zegoen 4-(metilamino) piridina (4-map) difusioz sartu zuten MoFean, honek dituen amino taldeek oxido nitrikoarekin erreakzionatzen dutelarik, hezetasunaz erraz askatzen diren N-diazonioak (NoNoatoak) sortzen. Horrela, oxido nitrikoaren eraldaketa MoFak 4-map-arekiko zuen konbertsio-tasaren araberakoa zela ikusi zuten, No bereganatzeko konbertsio-tasa onena % 60koa zela ondorioztatuz. Egonkortasun-esperimentuek zera erakutsi zuten, eratutako sistema airean eta hezetasunean zaurgarria zela, konposatua bietako ingurune batean 5 egunez utziz gero N-diazonioaren galera totala aurkezten baitzuen [19]. https://doi.org/10.1387/ekaia.22809 235 Sare metal-organikoetan oinarritutako farmakoen liberazio-sistemak: biomolekulak atxikitzeko funtzionalizazio-estrategiak 3.4. In-situ kapsularatzea orain arte aztertutako metodo guztiek desabantaila nagusi bat dute: tamaina handiko molekulek MoFen barnean sartzeko arazoak dituzte. Horregatik, azken urteotan in-situ kaspularatzea sortu da muga hori gainditzeko tresna indartsu gisa. kasu honetan, molekulen kapsularatzea eta MoFaren sintesia, biak, aldi berean gertatzen dira, eta MoFa harrapatu nahi den molekularen inguruan eratzen da (7. irudia). Horregatik, teknika honek MoFek daukaten poro tamaina baino tamaina handiagoko molekulen sarrera ahalbidetzen du, MoF sarearen egitura bera hesi babesletzat jotzen duen bitartean, eta lixibiazio-arazoak saihestu [12]. Dena den, kontuan hartu behar da «one-pot» prozesua denez, hots, erreakzio kimiko guztiak erreaktibo guztiak nahastuta dauden ontzi egoki batean gertatzen direnez, kapsularatze mota hau soilik baldintza leunetan burutu daitekeela, biomolekula gehienek, bereziki entzimak edo proteinak bezalako molekulek, ezin baitute MoFak sintetizatzeko beharrezkoak diren baldintza bortitzak pairatu; teknika honetan erabil daitezkeen MoF kopurua asko murrizten du horrek [11]. 7. irudia. In-situ kapsularatze-prozeduraren irudikatze eskematikoa. Egileek egindako irudia. C. Adhikarik eta A. Chakrabortyk egindako ikerketa batean, doxorubizina (DoX) izeneko minbiziaren kontrako botika kapsularatzeko bi MoF sintetizatu zituzten kimikoki guztiz berde ziren baldintzetan. MoF horiek burdina edo zink oinarri metalikoa eta azido trimesikoa (BTC) zuten estekatzaile organiko gisa [Fe-BTC/Zn-BTC]. Sintetizatutako MoFak karakterizatu ziren ekorketazko mikroskopio elektronikoaren bidez (SEM), laser ekorketazko mikroskopia konfokalez (CLSM), eremu disdiratsuko mikroskopiaz, X-izpien difrakzioen (XRD) eta infragorrien (IR) bidez. kargaeta askapen-ikasketentzat, UV-Vis espektroskopia eta fluoreszentzia mikroskopiak erabili zituzten. Neurketa horietatik burdinean oinarritutako MoF sareak zinkean oinarritatuakoak baino DoX molekularekiko afinitate handiagoa zuela ondorioztatu zuten; horrek % 92ko kapsularatze-