Bases moleculares y estructurales de la interacción de gangliosídos con Paclitaxel

Abstract

La formulación de principios activos hidrofóbicos para administración parenteral es un problema que enfrenta la industria farmacéutica. Particularmente, el Paclitaxel (Ptx) es uno de los fármacos oncológicos más utilizados actualmente pero debido a su baja solubilidad en agua (< 1ag.rnL'), resulta muy difícil de vehiculizar. La formulación comercial existente, Taxol®, es una solución de 50% aceite de castor (Cremophor EL) y 50 % etanol. Sin embargo, el Cremophor puede provocar una serie de efectos no deseados tales como hipersensibilidad, neurotoxicidad y nefrotoxicidad. En las últimas décadas se ha invertido mucho esfuerzo en investigar nuevos vehículos para el Ptx. El Abraxane®, una nanopa.rtícula de albúmina que une Ptx, fue aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) para el tratamiento del cáncer de mama oil 2005 y presenta mayor eficacia y menor toxicidad que el Taxol®. Recientemente nuestro laboratorio describió un sistema nanotransportador constituído por una micela lipídica autoensamblable. Este sistema, a base de micelas de gangliósidos monosialos (GM), incorpora Ptx de forma espontánea. El Ptx vehiculizado dentro de las inicelas demostró poseer actividad biológica citotóxica y antiangiogénica equivalente a la actividad del fármaco libre y a la formulación comercial Taxol®. Las diferencias estructurales que determinan las propiedades de los agregados de distintos gangliósidos, afectan la capacidad de carga del fármaco. Por ejemplo, la capacidad de carga de gangliósidos que se agregan en rnicelas, como el GM1 y el GM2, es significativamente mayor que la de los que se agregan en vesículas unilamelares como el GM3. GM1, GM2 y GM3 difieren en el tamaño de su porción hidrofílica, ya que poseen cuatro, tres y dos azúcares, respectivamente. A medida que disminuye el tamaño de la región hidrofílica de la molécula (le gangliósido aumenta el radio hidrodinámico (RH) y el número de agregación (N). Así, GM1, GM2 y GM3, poseen N de 300, 450 y 14000, respectivamente. La misma tendencia se observacuando el tamaño de la región hidrofílica varía por la cantidad de residuos siálicos presentes. La serie GM1, GD1a y GT1b, poseen uno, dos y tres ácidos siálicos y consecuentemente N de GM1 es mayor que el de GD1a que es mayor que el de GT1b. Además, distintas cantidades de residuos siálicos en la molécula implican distinta carga neta, dado que este residuo se encuentra cargado negativamente. Estas diferencias estructurales pueden determinar capacidades de asociación distintas con moléculas de interés farmacológico como el Ptx. El impacto de la diferencia en composición de ácido siálico en las propiedades de las micelas como vehículo de fármacos, no ha sido evaluado y resulta información relevante para el diseño de vehículos farmacéuticos. Estudiamos las propiedades de micelas de gangliósidos disialos (GD) y trisialos (GT) como sistema nanotransportadores de Ptx en comparación con los vehículos basados en GM. Los resultados revelaron que micelas de CD y GT pueden ser consideradas como vehículo para la administración de Ptx, dado que incorporan el fármaco Y l)05(€'11 propiedades bioquímicas y farmacéuticas adecuadas. La actividad biológica citotóxica in vitro y antiangiogénica en un modelo biológico del fármaco vehiculizado en los complejos GD/Ptx y GT/Ptx es equivalente a la actividad del fármaco libre o la de la formulación comercial Taxol®. En términos generales, micelas de GD y GT tienen propiedades similares a las micelas de GM como transportadores de Ptx. Sin embargo, las micelas de GD y GT presentan mejor capacidad de carga que los GM, ya que incorporan 4 veces más fármaco. En principio esta diferencia significativa en la capacidad de carga podía ser atribuida a una mayor repulsión electrostática entre las regiones hidrofílicas de dos monómeros adyacentes en las mnicelas de CD. Lo que permitiría que la región hidrofóbica acomodase más cantidad de Ptx. Sin embargo, esta explicación no se aplicaría cuando uno compara las capacidades de carga de los GD con los GT, por lo que las propiedades estructurales presentan limitaciones para explicar el comportamiento de algunos sistemas binarios. Las interacciones moleculares que se establecen entre los gangliósidos y el Ptx en los distintos complejos podrían jugar un papel importante para determinar las diferencias observadas en la capacidad de carga del fármaco. Propusimos caracterizar las propiedades moleculares de los complejos gangliósidos/ fármaco. Seleccionamos dos de los sistemas, por tener capacidad de carga significativamente diferente: GM1/Ptx y GD1a/Ptx y evaluamos sus propiedades dispersos en agua o en monocapas en la interfaz agua/aire. Las propiedades de monocapa de Langmuir de GM1, GD1a, Ptx y sus mezclas revelaron que el Ptx interacciona con ambos gangliósidos y que cualquiera de ellos estabiliza al fármaco en la interfaz. El Ptx permanece en la interfaz a presiones muy por encima (30mN.m') de las presiones que es capaz de soportar en ausencia de gangliósidos (8 - 1OmN.m 1). Sin embargo, a altas presiones laterales de superficie ocurre desorción de moléculas de Ptx. Esto se evidencia porque la forma de la isoterma a altas presiones laterales es similar a la isoterma del gangliósido puro. Además, la presencia de Ptx en la interfaz está típicamente caracterizada por hiperpolarización del potencial de superficie. Esta característica, no reportada hasta el momento, reveló la presencia de Ptx luego de ciclos de compresión en donde el análisis del área molecular reflejaba pérdida total de moléculas de Ptx de la interfaz. El análisis termodinámico reveló que, la energía libre de exceso de mezcla (iC) de monocapas mixtas de GD/Ptx es negativa en todo el rango de proporciones evaluado, mientras que para mezclas GM/Ptx puede ser negativa o positiva dependiendo de la proporción. Además la energía de las mezclas con CD fueron siempre de mayor intensidad que las de GM, demostrando que el Ptx tiene mayor afinidad por GD1a que por GM1. Mediante microscopía de ángulo de Brewster (BAM) se determinó que la refiectividad de monocapas mixtas es mayor que la de los films de gangliósidos puros o de los films de Ptx, especialmente en el caso de mezclas con CD, lo que sugiere un engrosamiento de la interfaz óptica. Por su parrte, los estudios de dispersión dinámica de la radiación (DLS) y microscopía electrónica de transmición (TEM) de las inicelas cargadas con Ptx revelaron que después de incorporar Ptx, las micelas de GD se agrandan mientras que las micelas de GM no. En su conjunto las evidencias en sistemas de monocapas y en dispersión demuestran que el GD1a tiene mayor y mejor capacidad de asociarse al Ptx que GM1, explicando la diferencia de capacidad de carga de Ptx observada entre micelas de estos gangliósidos.