Este documento describe el uso potencial de calixarenos y tia-calixarenos como sistemas de liberación controlada de fármacos. Se estudia el Imatinib como fármaco modelo y su interacción con diferentes calixarenos a nivel computacional. Los resultados indican que calixarenos pequeños y flexibles que puedan formar enlaces de hidrógeno con el Imatinib podrían mejorar su biodisponibilidad y efectividad farmacológica al actuar como vehículos de liberación controlada. El documento analiza diversos pará

1. Diseño Teórico de Acarreadores
Farmacológicos Tipo calix- y tia-
calix[n]arenos
=El IMATINIB como fármaco de estudio=
Dr. Joaquín Barroso Flores
CCIQS UAEMex - UNAM

5. ADME(T)
• Farmacocinética
• Administración
• Distribución
• Metabolismo
• Excreción
• Toxicidad
• Biodistribución
• Biodisponibilidad
• Targetting específico

6. Modelo 2 compartimentos
Modelo 1 compartimento
Inmediatamente después
Antes Después de administrado
Antes Después
de administrado de administrado
de administrado de equilibrado

7. Acarreadores de fármacos
Requisitos generales:
• Baja o nula Toxicidad
• Estabilidad
• Farmacocinética mejorada
• Cinética de liberación controlada
• Eficacia in vivo

8. Dendrímeros Liposomas
Paleos, C. Mol. Pharmaceutics (2007)
4 (2) 169-188
Sistemas
transportadores Du, J. et al. Mol. Pharmaceutics
(2009) 6 (3) 905-917
de fármacos
Nanopartículas Micelas
Hong, R. et al. JACS (2006) 128 (4) 1078-1079
Lee, J. et al. Mol. Pharmaceutics (2007) 4 (5) 769-781
Adair. J. et al. ACS Nano(2010) 4 (9) 4967-4970

9. Acarreadores
Monomoleculares
Freeman, Acta Crystallogr. B. (1984) 382-387
Ciclodextrinas
Cucurbiturilos
Masson, et al. RSC Adv. (2012) 2, 1213-1247
Horvath, G. et al. , Mol.
pharmaceutics. (2008) 5 (2) 358-363

10. Ciclodextrinas
Grupos Grupos
hidrofílicos hidrofílicos
• Oligosacáridos
• No tóxicos
• Degradables Rígidos
• Hidrofílicos Poco funcionalizables

11. Calix[n]arenos
• Los calixarenos son
macrociclos sintetizados a
través de la condensación de
formaldehido y fenoles
sustituidos.
• Su mayor flexibilidad sobre
otros cavitandos como las
ciclodextrinas los hace más
versátiles como sistemas
anfitriones.

12. Calix[n]arenos
(a) Cono
(b) Cono truncado
(c) 1,4 alternado
(d) 1,2 alternado

13. Calix[n]arenos
• ¿Qué hay sobre la
distribución de
orbitales de frontera en
estos esqueletos?
B3LYP/6-311G(d,p) ¿Cómo se afecta la
distribución de la
densidad electrónica
con R- y n?
Barroso-Flores, J.;et al.. J. Incl Phen (2012) Online first April DOI:10.1007/10847-012-0144-6

14. Calix[n]arenos
Borde superior (R-)
Borde inferior (OH-)

15. Calixarenos - Generalidades
• Flexibilidad es consecuencia del tipo de puente (rS >
rCH2) y los grados de libertad en R, pero más
importante es el tamaño (n) ¿Cómo afecta el tamaño a
otras propiedades?
• Nucleofilicidad de la cavidad es aproximada a través
de la carga electrostática (e) localizada sobre los
átomos que la conforman.
• Electrofilicidad de la cavidad. Requiere definirse a
través de los sitios aceptores en LUMO

16. Calix[n]arenos – Orbitales
Frontera
• HOMO / LUMO
tia-cx[4]SO3 y cx[6]SO3
• La presencia de S en tia-
calix[n]arenos aumenta los
sitios de unión en la cavidad
• Electronegatividad de R
controla la unión en el borde
superior y además modula la
topografía de la cavidad
B3LYP/6-311G(d,p)
Barroso-Flores, J.; Petrar, P.M.; Silaghi-Dumitrescu, I; Kunsági-Máte, S. J. Incl Phen (2012)
Online first April DOI:10.1007/10847-012-0144-6

17. Calix[n]arenos – Parámetros
• Espacio de parámetros:
• n = 4, 5, 6, 8
• B = CH2; S
• R = i-Pr; t-Bu; -CH2OH; -(CH2)2OH; -
(CH2)3OH; -(CH2)4OH; -(CH2)2NH2; -
COOH; -SO3H
• El espacio de exploración consta
de 72 puntos más las diferentes
conformaciones resultantes

18. • GTP
• Inhibidor de Tirosinquinasas
O (Leucemia)
• Calix- y tia-calix[n]arenos han sido
estudiados como acarreadores
N monomoleculares1
N
H
1Barroso-Flores, J. et al. Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry (2012) Aceptado

20. (a) (b)
36.85 kCal/mol 15.61 kCal/mol
(a) (b)
Barroso-Flores, J. et al. Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry (2012) Aceptado

22. (a)
36.85 kCal/mol
(a)
18.16 kCal/mol
(a) (b)
15.61 kCal/mol
(a) (b)
Barroso-Flores, J. et al. Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry (2012) En Revisión

23. El GTP resulta muy rígido, requiere
de un calixareno pequeño y flexible
con sitios donadores/aceptores de
puente de Hidrógeno
Su eficacia farmacológica es
demasiado específica dada su poca
versatilidad conformacional

24. = IMATINIB =
• Agente quimioterapéutico (Leucemia)
N
• Inhibidor de Tirosinquinasas, las
N N
cuales son abundantes en ciertos tipos
N
de cáncer.
N NH NH
H3C
O • Dosificado oralmente
CH3
• IMATINIB (Novartis, Gleevec) • Metabolizado por Citocromo-P CYP
• Alta biodisponibilidad • Efectos adversos1,2:
• Anemia
• Alta depuración en heces (80%) • Ganancia de peso
• Edema
• Insuficiencia cardiaca
1 Haberfeld, H, (2009) Austria-Codex (2009/2010 ed.) Österreichischer Apothekerverlag. ISBN 3-85200-196-X
2 Kerkelä R, Grazette L, Yacobi R, et al. (2006). Nat. Med. 12 (8): 908–16. doi:10.1038/nm1446

25. IMATINIB es un profármaco
N
N N
N
N NH NH
H3C
O
CH3
Profármaco administrado
Forma activa N
N N
N
HN NH NH
O
CH3

27. Metodología
Gaussian09 RevB.01
Cx
Opt PM3 -> B3LYP/6-311G(d,p)
IMATINIB
Opt B3LYP/6-311G(d,p)
Complejos
Opt UFF -> B3LYP/6-311G(d,p)
Análisis vibracional (sin frecuencias imaginarias)
Análisis de población NBO -> Eliminación NBODel (Eint)
Corrección por BSSE (método Counterpoise)

28. Calix[n]arenos - MEP
HF/6-311G(d,p)
Al mismo nivel de teoría, dos calixarenos de igual composición
monomérica presentan diferentes valores de potencial electrostático en
la cavidad
Barroso-Flores, J.; Petrar, P.M.; Silaghi-Dumitrescu, I; Kunsági-Máte, S. J. Incl Phen (2012) Online first
April DOI:10.1007/10847-012-0144-6

29. Nucleofilicidad de la cavidad

30. Nucleofilicidad de la cavidad

31. Complejos de inclusión
(host-guest)
tia-calix[8]aren-octaetanoilo
N2
N1
Vista lateral
Vista superior

32. Orientación N1
UFF // B3LYP
Orientación N2
UFF // B3LYP

33. Energía de interacción IMATINIB – Calix[n]areno [eV]
NBODEL B3LYP/6-31G(d,p)
(Energía corregida por BSSE método Counterpoise)
CH2, N1
2
1.8
1.6
Energy Change (eV)
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
8
0
6
n
C2H4NH2
C2H4OH
COOH 5
SO3H
I-Pr
t-Bu
Corte = 1.8 eV (7kCal/mol)

37. Eint > 1.8 eV (~41 kCal/mol) 23 estr.
Eint > 2.0 eV (~46 kCal/mol) 13 estr.
Los complejos finales deben ser estables…
pero lábiles

38. Dinámica Molecular
¿Qué hay de la estabilidad dinámica de estos
sistemas?
AMBER
• Minimized system
• Dinámica de Langevin (freq 1ps-1)
• Time step 1 fs
• No Shake
• (se muestran 20ns)
calix[6]-C2H4OH (N1) 1.13 eV {~26.06 kCal/mol}
El complejo se disgrega a los 6 ns y se disocia por
completo ~10ns

39. Calix[n]arenos - Docking
• Queremos ajustar un macrociclo al mapa espacial (campo) de un
fármaco como GTP o IMATINIB
• Ambos son inhibidores de quinasas (tirosinquinasa) - Leucemia
• Es como hacer docking a la inversa (diseño indirecto)
• Anclamos para las conformaciones más favorables al fármaco
• Ejemplo: Autodock Vina* (500 exah) cx[6]C2H4OH N1 Eint
=1.14 eV (~26.06 kCal/mol)
* O. Trott, A. J. Olson, AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring
function, efficient optimization and multithreading, Journal of Computational Chemistry 31 (2010) 455-461

40. Calix[n]arenos
Docking
AutoDock Vina (exahustiveness = 500)

41. Resultados
-ADV-
mode| affinity | dist from best mode
| (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
1 -17.5 0.000 0.000
2 -17.4 0.885 1.531
3 -17.3 4.681 8.425
4 -17.3 2.636 3.167
5 -17.2 1.848 2.273
6 -17.2 2.433 3.008
7 -17.1 4.018 7.378
8 -17.1 3.983 7.981
9 -17.1 4.030 7.681
10 -17.0 4.011 7.161

42. Calix[n]arenos -> Docking
Docking o anclaje molecular
• Análisis del espacio conformacional tras la unión
de dos fragmentos (funciones de score)
• Usualmente: ligando – proteina
• Nosotros: ligando – acarreador y
acarreador – ligando
• Nosotros en el futuro próximo:
complejo L-A – Transportador ABC

43. Perspectiva - Docking

44. Conclusiones
B = -S- aumenta la flexibilidad del anfitrión aumentando el
número de puntos de unión
n = 6 u 8 más adecuado para IMATINIB
R = SO3H; t-bu; C2H4OH más adecuados
R = COOH; C2H4NH2; menos adecuados
Dinámica Molecular: tasoc < 20 ns
Docking:

45. Conclusiones
n R B Orientación Eint (eV)
6 SO3H CH2 N2 (piridina) 2.56
6 i-pr CH2 N2 (piridina) 2.33
6 t-bu CH2 N2 (piridina) 2.32
6 C2H4NH2 S N1 (piperazina) 2.17

46. Agradecimientos
• Financiamiento e Infraestructura
• Instituto de Química
• DGAPA (IACOD I1200111)
• DGTIC (antes DGSCA) [Kan Balam]
• Dr. José Luín Gordillo
• SNI
• Estudiante
– María Eugenia Sandoval Salinas
(Tesis Licenciatura - FQ UAEMex)

47. GRACIAS POR SU ATENCIÓN