PNIPAM/Hexakis como sistema de administración de fármacos termosensible para aplicaciones biomédicas y farmacéuticas

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14363 (2022) Citar este artículo

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Muchas tecnologías, desde enfoques de administración de fármacos hasta propósitos de ingeniería de tejidos, están comenzando a beneficiarse de la capacidad única de los "polímeros inteligentes". Como caso especial, los hidrogeles termosensibles tienen un gran potencial, por ejemplo en actuadores, microfluidos, sensores o sistemas de administración de fármacos. Aquí, se investiga la carga de doxorrubicina (DOX) con un nuevo polímero termosensible N-isopropil acrilamida (PNIPAM) y sus copolímeros para aumentar la eficacia del fármaco de doxorrubicina en el sitio del tumor objetivo. Por lo tanto, un diseño racional preciso basado en el uso de dinámica molecular clásica (MD) y simulaciones de metadinámica bien temperadas permite predecir y comprender el comportamiento de polímeros termorresponsables en la carga de DOX en el nanocanal Hexakis a 298 y 320 K. Además, este trabajo investiga la eficacia de este fármaco portador para la liberación de DOX en respuesta a estímulos como variaciones de temperatura y cambios en el pH fisiológico. El estudio concluye que el compuesto de polímero Hexakis es capaz de adsorber el DOX a pH neutro y al aumentar la temperatura de los sistemas simulados de 298 a 320 K, la fuerza de atracción intermolecular disminuye. Además, los resultados obtenidos de la simulación MD revelaron que la interacción dominante entre DOX y Hexakis en los sistemas DOX/polímero/Hexakis es el término Lennard-Jones (LJ) debido a la formación de una fuerte interacción π-π entre el adsorbato y el sustrato. superficie. Los resultados obtenidos muestran una mayor agregación de cadenas de DMA alrededor del Hexakis y la formación de enlaces más fuertes con DOX. Los resultados de las simulaciones metadinámicas revelaron que el orden de inserción del fármaco y el polímero en el sistema es un factor determinante en el destino del proceso de adsorción/desorción. En general, nuestros resultados explican el comportamiento dependiente de la temperatura de los polímeros PNIPAM y la idoneidad del polímero-portador Hexakis para la administración de doxorrubicina.

El polímero de poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) es uno de los polímeros sensibles a la temperatura más utilizados y estudiados a fondo1,2,3,4. La respuesta de los polímeros a la temperatura es importante tanto para la comprensión fundamental de la física de los polímeros como para las aplicaciones técnicas5,6. El polímero PNIPAM exhibe una temperatura de solución crítica (LCST) más baja, aproximadamente a 310 K (37 °C)7,8. Es completamente soluble en agua por debajo de LCST y se vuelve menos soluble o incluso colapsa en la fase acuosa por encima de LCST. Dado que este LCST está cerca de la temperatura a la que ocurren la mayoría de los procesos fisiológicos, hace que PNIPAM sea un material prometedor para el desarrollo de sistemas de administración de fármacos dirigidos9,10,11. En cuanto al tratamiento del cáncer, el polímero PNIPAM se aplica generalmente para estudiar la interacción entre la cognición biológica y las células diana a diferentes temperaturas o pH12,13,14. Los investigadores han realizado varios estudios para comprender el comportamiento LCST de estos polímeros, así como el efecto de la cadena polimérica sobre la carga, la liberación y la administración celular del fármaco. Tucker y Stevens15 estudiaron la longitud de la cadena del polímero (en el rango de 3 a 30 meros) dependiendo de la temperatura de transición para un único polímero PNIPAM sindiotáctico y encontraron la existencia de LCST más alta para cadenas más cortas. Reza Maleki et al.16 investigaron el efecto de la longitud de la cadena del polímero termosensible de N-isopropil acrilamida en el nanotubo de carbono como sistema de administración de fármacos para la carga de doxorrubicina (DOX) mediante simulaciones de dinámica molecular clásica (MD). Los resultados obtenidos revelaron que el PNIPAM con una longitud de cadena, es decir, 15 mer, es más estable y efectivo en los sistemas de administración que el polímero PNIPAM de mayor longitud de cadena según la energía y la estructura del sistema. Vatti et al.17, mediante simulaciones de dinámica molecular, estudiaron la solubilidad de la doxorrubicina en tres polímeros diferentes, es decir, poli (N-isopropilacrilamida), polietilenglicol y polivinilpirrolidona. Su trabajo sugirió que la longitud de 15 unidades de PNIPAM es la más estable y eficaz en los sistemas de administración de fármacos. Utilizando estudios teóricos, Murti et al.18 informaron que el óxido de grafeno (GO) injertado con PNIPAM crea un estado de superficie "encendido"/"apagado" alrededor de su LCST en interacciones con la proteína de la célula cancerosa. De hecho, la presencia del monómero PNIPAM estabiliza el sistema debido a la interacción entre las nucleobases y GO. Además, Shiddiky y sus colaboradores19 han producido inmunosensores basados en polímeros PNIPAM que proporcionan una superficie reversible para reconocer la proteína cancerosa en el suero humano. Más recientemente, Alemán y colaboradores20 han desarrollado nanogeles semi-interpenetrados (NG) que consisten en una malla de poli (N-PNIPAM) y poliglicerol dendrítico (dPG) que contiene una SIPN (red semi-interpenetrante). Sus resultados revelaron que el polímero PNIPAM proporciona termoresponsividad y actúa como estabilizador. Además, el colapso del polímero PNIPAM aumenta el contacto entre las cadenas de polímeros intrínsecamente conductores (ICP), mejora los procesos de transferencia de carga y facilita la interacción con la superficie del electrodo. Además de muchos estudios sobre el polímero PNIPAM puro, también se han realizado investigaciones sobre sus copolímeros que han revelado ideas interesantes21,22,23,24,25. Entre los diferentes macrociclos en forma de anillo, son de particular interés las estructuras de Hexakis (m-PE) con esqueletos rígidos y cavidades indeformables26,27. Estas estructuras constan de unidades de oligo-(m-fenileno etileno) con diámetros interior y exterior estrictamente definidos, que se conocen comúnmente como materiales biocompatibles útiles28. En nuestros estudios anteriores29,30, por primera vez a través de simulaciones MD y cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), se ha demostrado que Hexakis (m-PE) se somete a un proceso de autoensamblaje para formar una estructura nanotubular que puede ser una novela. Sensor biocompatible para sistemas de administración de fármacos. La doxorrubicina, que sirve como modelo de fármaco anticancerígeno, es uno de los fármacos de quimioterapia convencionales fiables31,32. Muchos estudios han demostrado que el uso de nanoportadores para la administración del fármaco quimioterapéutico DOX como terapia adyuvante reduce la toxicidad de este agente y aumenta su eficacia33,34,35. Además, el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas para la no toxicidad y la administración selectiva de DOX a los tumores es de gran importancia. En comparación con los sistemas de administración de fármacos (DDS) convencionales, las ventajas del DDS inteligente son evidentes. Los nanocompuestos son de gran interés en la nanobiotecnología debido a su capacidad para mostrar buenas propiedades multifuncionales. Hasta la fecha se han desarrollado con éxito diferentes tipos de nanocompuestos y cada modelo puede utilizarse para diferentes aplicaciones. Por otro lado, el nanocompuesto se puede utilizar para la liberación controlada de fármacos, y una combinación de ellos con nanopartículas puede ser una herramienta prometedora para la administración selectiva de fármacos. Por ejemplo, Gupta et al.36 trabajan en la síntesis y aplicaciones del nanocompuesto polisorbato/molibdofosfato de hierro (PS/FMP). Además, el nanocompuesto PS/FMP se utiliza como vehículo de administración de fármacos para la administración dirigida o sistémica de fármacos de metilcobalamina. Los resultados obtenidos muestran que la eficiencia de encapsulación del fármaco y la eficiencia de carga del fármaco son aproximadamente 35,2% y 60,4%, respectivamente. Se encuentra que la liberación de metilcobalamina es pH 9,4 > pH 7,4 > solución salina (pH 5,7) > pH 2,2. Según sus resultados, el nanocompuesto PS/FMP es un nanocompuesto multifuncional prometedor. Por lo tanto, en el presente estudio, se realizan simulaciones metadinámicas clásicas (MD) y bien temperadas para estudiar el nanocompuesto Hexakis-PNIPAM como un portador adecuado para la administración de DOX. Para estudiar el efecto de los perfiles de dependencia de la temperatura de los polímeros sobre las características de PNIPAM y la administración de fármacos, se consideran dos temperaturas diferentes para PNIPAM y dos de sus copolímeros, y se realizan seis simulaciones con la carga de DOX junto con polímeros de 10 meros. en la superficie del nanotubo Hexakis. Además, se ha evaluado el mecanismo de liberación de DOX del DMA/Hexakis, siendo el DMA el polímero más estable, en condiciones ácidas. Para ello se utilizan el oligómero PNIPAM y dos de sus copolímeros, a saber, NIPAAm-codimetilacrilamida (p(NIPAAm-co-DMA)), (aquí denominado brevemente DMA), y pNIPAAm-co-acrilamida (p(NIPAAm-co-Am) ), (aquí llamado brevemente Am), se utilizan a 298 y 320 K. Para el análisis de este portador atractivo, se estudian las energías de interacción, el radio de giro, la función de distribución radial y el paisaje de energía libre. Los resultados de este estudio pueden proporcionar una visión buena y novedosa sobre el uso óptimo de los polímeros PNIPAM para la liberación controlada del fármaco DOX. Dado que el entorno del tumor tiene una temperatura más alta que el resto del cuerpo, los polímeros sensibles a la temperatura generalmente pueden liberar fármacos en ese punto. Al estudiar el polímero de Hexakis como portador, se responde a esta pregunta: ¿sirve el polímero de Hexakis como un candidato adecuado para la liberación controlada de DOX y la liberación de fármacos después del aumento de temperatura en los tumores cancerosos?

La estructura inicial del nanotubo de Hexakis se obtiene a partir de las simulaciones de equilibrio final de nuestro estudio de simulación anterior29, que contiene diez anillos de macrociclos de Hexakis (m-PE). El polímero PNIPAM y dos de sus cadenas de copolímeros (cada cadena contiene diez monómeros repetidos) se construyen utilizando el software Gauss View37 y se optimizan al nivel teórico DFT (m062x/6–31G ∗)38,39,40 utilizando el paquete Gaussian09. programa41. Truhlar y su compañero de trabajo desarrollaron el enfoque M06-2X y cubre la energía de dispersión que falta en el nivel DFT mediante un término empírico de potencial de par amortiguado. Se puede afirmar que el funcional M06-2X se puede utilizar como un método apropiado para evaluar la precisión de las relajaciones geométricas y los parámetros relacionados. De hecho, el funcional M06-2X puede realizar interacciones tanto electrostáticas como de dispersión. Además, las cargas atómicas parciales del PNIPAM y su copolímero se calculan ajustando el potencial electrostático utilizando el método CHELPG implementado en el código Gaussiano09. Los resultados de las estructuras optimizadas se utilizan en las simulaciones MD. El esquema 1 muestra las representaciones bidimensionales de las cadenas poliméricas, la molécula DOX y el anillo de Hexakis. Para evaluar los efectos del PNIPAM y su copolímero en la adsorción de moléculas de DOX en la superficie de Hexakis, se consideran tres sistemas de simulación: (PNIPAM/DOX/Hexakis) sistema A, (Am/DOX/Hexakis) sistema B y (DMA /DOX/Hexakis) sistema C. Sin embargo, estos sistemas se investigan a temperaturas inferiores (298 K) y superiores (320 K) a la LCST. Además, se examina el mecanismo de “liberación” de las moléculas del fármaco desde la superficie del portador, a un pH ácido para imitar el pH ambiental del tumor. Para la construcción de este sistema, la configuración final del complejo DOX-DMA-Hexakis se da a partir del sistema de carga a 298 K y luego se protonan todos los grupos amino de DOX y DMA (PDMA/PDOX/Hexakis) sistema D) . Además, vale la pena mencionar que el grado de protonación del polímero poli(PNIPAM-co-DMA) que se utiliza para imitar los cambios de pH es aproximadamente del 49,97%. En cada sistema, un cierto número de cadenas de polímeros y moléculas de DOX con diferentes fracciones de carga se encuentran aproximadamente a 20 Å de la superficie del nanotubo de Hexakis. Esta distancia se elige para evitar el efecto de las configuraciones iniciales. Los cuadros de simulación se eligen para que sean lo suficientemente grandes como para evitar cualquier sesgo de las condiciones de contorno periódicas. Las trayectorias de simulación se visualizan utilizando el programa Visual Molecular Dynamics (VMD)42. La Figura 1 muestra una muestra del cuadro de simulación inicial (antes de cada ejecución de simulación).

Las representaciones de las cadenas poliméricas, la molécula DOX y el anillo de Hexakis.

Izquierda: Las instantáneas iniciales de los sistemas DOX-Polymer-Hexakis. Código de color DOX: vdW cian, Polímero: CPK violeta, Hexakis: plateado. Las moléculas de iones no se muestran para mayor claridad. Derecha: instantánea de las cadenas de polímero DMA para 10 unidades (los átomos de carbono de la columna vertebral de CH2 se muestran en violeta).

Todas las simulaciones de MD en este trabajo se realizan con el paquete de simulación GROMACS43. Los parámetros del campo de fuerza para DOX, Hexakis y polímeros se toman del campo de fuerza CHARMM44. El modelo TIP3P se utiliza para moléculas de agua. Para reproducir el entorno biológico correcto y neutralizar los sistemas estudiados, se añade cloruro de sodio 0,15 M a las cajas de simulación. Primero, la energía en cada sistema se minimiza utilizando el algoritmo de descenso más pronunciado para eliminar cualquier contacto defectuoso en el sistema. En la siguiente etapa, cada sistema se incrementa gradualmente a 310 K en 500 ps en condiciones NVT y se equilibra a 310 K durante otros 1000 ps a presión constante p = 1 bar en condiciones NPT. Para estas dos ejecuciones de equilibrio, los sistemas se acoplan mediante un termostato Berendsen. Finalmente, las corridas de producción para simulaciones MD de 60 ns se realizan con condiciones de contorno periódicas y se adopta un paso de tiempo de 1,5 femtosegundos. Para las series de producción, se emplean el termostato Nosé-Hoover y el barostato semiisotrópico Parrinello-Rahman para regular la temperatura y la presión, respectivamente. Es necesario mencionar que el termostato Berendsen a un valor pequeño de τ (por ejemplo, τ = 0,01 fs) es extremadamente eficiente para relajar un sistema a la temperatura objetivo. Pero una vez que el sistema ha alcanzado el equilibrio, τ debe aumentarse para lograr un buen equilibrio, y podría ser más importante probar un conjunto canónico correcto. Por lo tanto, el método extendido de Nose-Hoover es apropiado para el ciclo de producción. Se aplica un límite de 1,4 nm para tratar las interacciones de van der Waals, y las interacciones electrostáticas de largo alcance se tratan con el método Particle Mesh Ewald (PME)45.

Además, se llevan a cabo simulaciones metadinámicas bien templadas para obtener una superficie de energía libre (FES) utilizando Gromacs 2019.2 parcheado con el complemento PLUMED versión 2.5.246 a través de las herramientas sum_hills. Para los sistemas investigados, el paisaje 3D FES se explora como función de las distancias entre el centro de masas (COM) de A y Hexakis (CVDOX–Hexakis = d1) y entre Hexakis y DMA (CVDOX–DMA = d2) en neutral. pH a 298 y 320 K, y condición ácida a 298 K. La altura y el ancho iniciales de las colinas gaussianas que se depositan cada 500 pasos de tiempo con un factor de sesgo de 15, establecido en 1,0 kJ/mol y un ancho de 0,25 A. °. En cada sistema, la simulación duró 60 ns para alcanzar el mínimo global en el estado de equilibrio. El mínimo global exacto para cada conjunto de paisajes FES se determina y se utiliza como base para calcular las curvas 2D de la energía libre. En estos cortes transversales, una vez que el fármaco se considera fijo en su mínimo global, el COM del DMA se mueve con respecto al portador. Se repite el mismo patrón para derivar una curva 2D para el fármaco. En total, se obtienen y exploran tres paisajes individuales en 3D y seis curvas en 2D. Se proporcionarán más detalles sobre las simulaciones metadinámicas bien temperadas en la sección "Resultados y discusión". Los detalles de todos los sistemas simulados se enumeran en la Tabla 1.

Para evaluar el papel del polímero PNIPAM y dos tipos de sus copolímeros en desencadenar la interacción entre las moléculas DOX y el nanotubo Hexakis, las simulaciones MD se realizan a temperaturas inferiores y superiores a LCST a 298 K y 320 K, respectivamente. Dado que las células tumorales tienen un pH ácido, también se ha evaluado el mecanismo de liberación de DOX del DMA-Hexakis en condiciones ácidas. En la Fig. 2 se ilustran instantáneas de los sistemas de carga después de la simulación MD de 60 ns. Esta figura muestra que las cadenas de polímero a 298 K son aproximadamente lineales e interactúan con las moléculas de DOX, manteniéndolas cerca de la superficie del portador. Mientras que a 320 K, las cadenas de polímero están en un estado globular y rodean las moléculas del fármaco y les impiden interactuar directamente con la superficie del portador, lo que hace que las moléculas de DOX se superpongan entre sí en las cadenas de polímero. Como se puede ver claramente en la Fig. 2, las cadenas de copolímero Am/DMA tienen más tendencia a formar complejos con Hexakis y exhiben una agregación apropiada en la superficie del nanoportador de Hexakis que el polímero puro. Vale la pena mencionar que estos copolímeros también demuestran la liberación controlada del fármaco a temperaturas superiores a la temperatura crítica. Además, las cadenas de DMA son más estables y esto les permitirá cubrir mejor los fármacos DOX y formar una estructura DOX-DMA-Hexakis más estable a 298 K. En otras palabras, todas las moléculas de DOX son relativamente estables durante toda la simulación en la presencia de cadenas DMA e interactúan con la superficie del nanotubo Hexakis a través de apilamiento π – π y enlaces de hidrógeno.

Instantáneas de los sistemas de carga después de una simulación MD de 60 ns. Código de color DOX: vdW cian, Polímero: CPK violeta, Hexakis: plateado. Los iones y las moléculas de agua no se muestran para mayor claridad.

Este hallazgo puede confirmarse evaluando el radio de giro (Rg) del polímero PNIPAM y sus dos copolímeros a 298 K y 320 K, respectivamente. El Rg se utiliza para estimar los cambios generales en la forma y compacidad de las estructuras poliméricas en los sistemas estudiados, que se pueden calcular mediante la siguiente ecuación:

donde mi es la masa del átomo i, ri es la distancia del átomo i al centro de masa del polímero. El radio de giro de los sistemas de simulación PNIPAM – DOX – Hexakis, Am-DOX – Hexakis, DMA – DOX – Hexakis y PDMA / PDOX / Hexakis se muestra en la Fig. S1, Datos de respaldo. Como se muestra en esta Figura, el radio de giro a 298 K es mayor que Rg a 320 K, lo que indica que el polímero PNIPAM y sus dos copolímeros son más compactos por encima de LCST con respecto a 298 K. La dinámica del radio de giro a 298 K reveló longitudes similares durante el tiempo de simulación y comienzan con Rg = 4,09 nm. Después de aproximadamente 10 ns de simulaciones, el Rg a 320 K comenzó a disminuir la linealidad a aproximadamente 4,07 y 4,06 nm, mientras que se representa más extendido y flexible a 298 K (~ 4,10 nm). De hecho, los polímeros PNIPAM y Am/DMA incluyen unidades repetidas de grupos hidrófilos e hidrófobos, lo que permite convertirlos en un orden soluble o insoluble en agua dependiendo de la temperatura. En consecuencia, debido a los cambios conformacionales desde la espiral flexible hasta un estado globular, los polímeros de PNIPAM pueden desempeñar un papel importante en el control de la liberación y la absorción del fármaco. Estos resultados son consistentes con hallazgos experimentales previos de polímeros PNIPAM con superficie GO funcionalizada [93, 94]. El ensamblaje de PNIPAM en el portador GO puede inducir un estado globular por encima de LCST (310,7 K), así como un estado de bobina por debajo de LCST (298 K). Cabe señalar que las reducciones significativas más bajas y más altas de Rg se registran para el copolímero DMA a 298 K y 320 K, respectivamente, lo que indica la mayor acumulación de este polímero alrededor de las moléculas del fármaco y la superficie del nanoportador y también tiene la mayor liberación del fármaco.

Dado que las interacciones no covalentes afectan la afinidad de unión, las energías de interacción entre los diferentes componentes de cada sistema se someten a análisis y se informan en la Tabla 2. Los valores negativos de la energía de unión indican la naturaleza espontánea del proceso de adsorción. En todos los sistemas estudiados, la adsorción de moléculas de fármaco en la superficie de Hexakis surge principalmente de interacciones vdW, que pueden atribuirse a las interacciones de apilamiento π-π entre los grupos aromáticos de DOX y los anillos de Hexakis, como se ve en la Tabla 2. La interacción promediada Las energías para los últimos 10 ns de cada una de las siete simulaciones MD también se proyectan en la Fig. 3.

Las energías coulómbica promedio, de van der Waals y de interacción total entre diferentes componentes de los sistemas estudiados.

Esta figura revela que las energías de interacción totales para todos los sistemas investigados son menores a 320 K en comparación con 298 K, lo que sugiere una interacción más fuerte entre las moléculas DOX y el nanotubo Hexakis a 298 K. Puede entenderse debido a la mayor región de unión entre la superficie DOX y Hexakis estimulada por la superficie sintonizable de PNIPAM cuando está en el estado de bobina a una temperatura inferior a LCST. Según los resultados, los valores de energías vdW para DOX en DOX/DMA/Hexakis son − 338,69, − 203,14 y − 211,25 kJ/mol en T = 298, 320 K y sistema protonado, respectivamente. Estos resultados podrían explicarse considerando diferentes contribuciones; (i) con el aumento de la temperatura; la interacción entre DMA y la superficie de Hexakis disminuye, como consecuencia, la estructura del polímero cambia a un estado globar a alta temperatura, y se minimiza la interacción de DOX con DMA y la superficie del portador a través de interacciones electrostáticas y VdW. (ii) En la condición de protonación, los grupos CNH de DMA y DOX proporcionan interacciones repulsivas entre ellos y con la superficie del nanoportador, pero la tasa de repulsión es mucho menor que con el aumento de temperatura. Por lo tanto, se concluye que el aumento de la temperatura de los polímeros es un factor importante en la liberación del fármaco. Sin embargo, el PDMA podría responder a condiciones ácidas mediante protonación, seguida de un aumento de la hidrofilicidad y el hinchamiento de la estructura del polímero, lo que da como resultado la liberación del fármaco. Además, los perfiles de liberación del fármaco a pH o temperatura sugieren que el PNIPAM y dos de sus copolímeros cargados en el nanoportador Hexakis facilitaron la liberación controlada en respuesta a los diferentes microambientes simulados. Los estudios de liberación dependiente de la temperatura de DOX-DMA-Hexakis indicaron una liberación más lenta de fármacos por debajo de LCST y una liberación sostenida por encima de LCST. Debido a que las cadenas laterales de los copolímeros tienen más grupos metilo (-CH3) hidrófobos, estos polímeros sufrieron la reducción más grave de la interacción con las moléculas de agua. Por esta razón, las interacciones entre los copolímeros DMA/Am y las moléculas de agua son menores que las del PNIPAM e interactúan más con las moléculas de DOX. De este resultado, se puede inferir que un proceso de deshinchamiento tan diferente del PNIPAM del de sus copolímeros en nuestras simulaciones valida la solidez de los métodos de simulación.

El enlace de hidrógeno (HB) entre dos átomos se define como un par donante-aceptor con un ángulo menor a 30°. El número de enlaces de hidrógeno polímero-agua y polímero-DOX se muestra en la Fig. S2 para las tres simulaciones debajo y encima del LCST. Como se mencionó anteriormente, la estructura del polímero PNIPAM y su copolímero consiste en unidades repetidas de grupos hidrófilos e hidrófobos, lo que les permite convertirse en un orden soluble o insoluble en agua dependiendo de la temperatura y tener una transformación de espiral a un estado globular. Como sugiere la figura S2, el polímero PNIPAM dará como resultado una mayor cantidad de enlaces de hidrógeno formados entre el solvente y el polímero, mientras que este polímero exhibió la menor cantidad de HB con moléculas de DOX. Por el contrario, la formación de HB entre los copolímeros DMA/Am y el disolvente es menor que la del PNIPAM y tiene más HB con moléculas de DOX. Debido a que las cadenas laterales de los copolímeros tienen más grupos metilo (–CH3) hidrófobos, estos polímeros sufrieron la reducción más grave de la interacción con las moléculas de agua. Además, el aumento en el número de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua y las cadenas de polímeros se observa por encima del LCST, lo que indica una mayor hidrofilicidad a 320 K, una mejor dispersión de los polímeros en agua, más estabilidad y probablemente menos agregación alrededor del nanotubo Hexakis. Como se observa en el proceso de simulación la formación de la fase globular sobre el LCST. Este hallazgo sugiere que los enlaces de hidrógeno entre el polímero y el agua juegan un papel muy importante en el mantenimiento de la solvatación y la hidrófilidad del polímero, especialmente por encima del LCST.

El perfil de la función de distribución radial (RDF) es una herramienta adecuada para describir la distribución de moléculas huésped alrededor de una superficie huésped. Es otra forma de encontrar la geometría de adsorción del ligando sobre el sustrato que determina la probabilidad de encontrar partículas i alrededor de partículas j en función de la distancia (r) la cual se calcula con base en la siguiente ecuación:

Los patrones RDF de diferentes componentes de los sistemas estudiados y también entre los sitios activos de DOX (partes aromáticas, de glicol y aminas) y las cadenas poliméricas de DMA se presentan en la Fig. 4. A 298 K, las mayores acumulaciones de DOX y DMA, que tienen interacciones más fuertes con el sustrato, se encuentran a 0,1 a 0,8 nm de distancia de la superficie de Hexakis, mientras que la distancia más probable para DOX y Am/PNIPAM a Hexakis se observa aproximadamente a 0,7–0,5 y 0,8–0,6 nm, respectivamente ( ver en la Fig. 4). Este resultado indica que después del equilibrio, todas las moléculas de DOX se colocan en la superficie de Hexakis en el sistema DOX-DMA-Hexakis porque el polímero DMA cubrió las moléculas de DOX más completamente que los demás. En otras palabras, estos resultados mostraron una adhesión más fuerte y comprimida de las moléculas de DOX con DMA en comparación con otros polímeros. Una inspección minuciosa de la Fig. 4 revela que a 320 K, la probabilidad de encontrar fármacos y polímeros es menor tanto en términos de cercanía a la superficie como de cantidad. Esto concuerda con el hecho de que las energías totales y L – J para todos los sistemas de estudio a 320 K son inferiores a 298 K, y a alta temperatura las cadenas de polímeros cambian a un estado global y aproximadamente se liberan los fármacos. Además, la Fig. 4c revela que en condiciones ácidas, el DOX está más cerca de la superficie del portador pero está presente en menos cantidad y una mayor cantidad de polímeros se acumula un poco más lejos del portador.

Función de distribución radial de DOX y moléculas de polímero alrededor de la superficie de Hexakis en los sistemas de estudio.

En general, el análisis estructural realizado utilizando varias funciones de correlación dinámica, como el radio de giro, la función de distribución radial (RDF) y HB, sugiere que Hexakis-DMA (sistema C) es el mejor portador a temperaturas extremas y superiores a LCST en comparación con otros dos. sistemas.

Con el fin de explorar el paisaje de energía libre para el proceso de adsorción/liberación simultánea de DOX y DMA en la superficie de Hexakis, se llevan a cabo tres series diferentes de metadinámicas bien templadas. Primero, se explora FES para la adsorción competitiva de DOX junto con DMA en la superficie del nanotubo Hexakis a 298 K. Luego, se repite el mismo proceso a 320 K y, por último, se extrae la configuración final de la primera serie y se protona para ser utilizados como materiales iniciales del proceso de desorción a 298 K (Fig. 5). Como se puede ver en la Fig. 5, panel A, el mínimo global se alcanza a distancias de d1 = 1,63, d2 = 1,66 nm con − 185,74 kJ/mol de energía libre. Si bien se repite el mismo proceso a 320 K, la energía libre del mínimo global colapsó a −152,82 a una distancia un poco más larga (d1 = 1,78, d2 = 1,78 nm). Estos resultados pueden atribuirse a la naturaleza termosensible del DMA, lo que conduce a una disminución de la energía libre de adsorción y también facilita la liberación del fármaco. Hasta cierto punto, esta característica está relacionada con la presencia de grupos metilo en la estructura del DMA. Estos grupos funcionales hidrofóbicos tienden a atraerse entre sí en T > LCST.

Izquierda: paisaje de energía libre en función de d1 y d2, que son la distancia del centro de masa de DOX al centro de masa del nanotubo de Hexakis y la cadena de polímero DMA. Medio: superficie de energía libre para Hexakis y diferentes orientaciones de DOX. Derecha: Superficie de energía libre para Hexakis y diferentes orientaciones de la cadena de polímero DMA, respectivamente.

Para explorar más a fondo el comportamiento del complejo en un entorno cancerígeno, la estructura protonada de la configuración final del proceso de absorción a 298 K se somete a simulación metadinámica durante 60 ns. Los resultados mostraron una reducción limitada en la energía libre del complejo de adsorción (- 183,06 kJ/mol en comparación con - 185,74 kJ/mol para la adsorción). Sin embargo, la coordinación del COM de las moléculas cambió notablemente con respecto a Hexakis. De hecho, la protonación conduce a una ligera disminución en la distancia de DMA con respecto a Hexakis (d1 = 1,55 en comparación con d1 = 1,63 nm para la forma de adsorción). Esto podría ser el resultado de una mejora en la adsorción de DMA al Hexakis, que únicamente se revela mediante la simulación metadinámica. Sin embargo, estas simulaciones en un ambiente ácido muestran un aumento en la distancia de la molécula DOX al Hexakis (d2 = 2,1), lo que puede sugerir la facilitación de la liberación del fármaco.

Otra forma de observar el panorama de FES es evaluar los efectos que los órdenes de inserción de moléculas podrían tener en las curvas de energía libre de los procesos explorados. Teniendo en cuenta que primero se absorbe la DMA y luego se inserta el fármaco como segunda molécula, la energía libre del sistema se volverá gradualmente más negativa a medida que disminuya la distancia. Cabe mencionar que en condiciones de mayor temperatura, existe una barrera de energía con una altura de alrededor de 80 kJ/mol que, por un lado, impide que la molécula absorbida se desprenda completamente del portador. Por otro lado, las fluctuaciones en la energía del sistema son lo suficientemente altas como para darle a la molécula la oportunidad de atravesar lentamente esta barrera. Esto también es una prueba de la propiedad termosensible de los polímeros explorados.

Sin embargo, si se inserta DMA en el sistema como segunda molécula mientras el DOX ya está absorbido, los cambios en la posición del polímero conducirán a una variación limitada en la superficie de energía libre. De hecho, la absorción de DMA en tal situación conducirá a una reducción de 30 kJ/mol en la energía libre del sistema. Parece que en una situación en la que Hexakis absorbe DOX de antemano, la inserción de DMA provocará un cambio imperceptible en la energía libre del sistema. Es decir, la inserción simultánea de ambas moléculas conducirá a mejores resultados, tanto en términos de procesos de adsorción como de desorción.

El propósito de este estudio es diseñar y evaluar un nuevo vehículo de administración basado en el compuesto de polímero Hexakis y explorar su aplicación potencial como un sistema innovador de administración de fármacos. Por primera vez, los compuestos de polímero Hexakis como vehículos de administración termosensibles y de pH dual para el fármaco anticancerígeno DOX se examinan utilizando el método de simulación MD y metadinámica. Por lo tanto, para estudiar el efecto de los polímeros termosensibles en el sistema de administración de DOX, se consideran tres tipos diferentes de portadores; Hexakis–PNIPAM, Hexakis–Am y Hexakis–DMA. Los resultados de este estudio revelaron que el portador de polímero Hexakis podría ser un portador adecuado para la adsorción y liberación de doxorrubicina. Curiosamente, según los resultados dinámicos de este trabajo, se ha descubierto que las longitudes de cadena polimérica de 10 unidades de PNIPAM y sus copolímeros son adecuadas para portadores de fármacos cargados con DOX.

Las energías de interacción obtenidas revelaron que las moléculas de DOX tienen una menor interacción con el portador de polímero Hexakis a 320 K en comparación con 298 K, y este hallazgo se confirma mediante los análisis de Rg y RDF. El estudio del radio de giro mostró que la reducción más considerable en el radio de giro se produjo a 320 K que a 298 K, lo que es indicativo de la agregación de moléculas de polímero más comprimidas por encima de LCST. Además, las reducciones significativas más altas de Rg se registran para el copolímero DMA, lo que indica la mayor acumulación de este polímero alrededor de las moléculas del fármaco y la superficie del nanoportador y también tiene la mayor liberación de fármaco. El análisis de la función de distribución radial mostró una adhesión más fuerte y comprimida de las moléculas de DOX con DMA porque el polímero de DMA cubrió las moléculas de DOX de manera más completa que esos otros polímeros. Además, este estudio buscó mejorar las propiedades de los nanotubos Hexakis para la liberación de Doxorrubicina. Por lo tanto, se estudia la adsorción de DMA en respuesta al pH en el Hexakis para examinar el papel de la protonación a 298 K. Se encuentra que el DMA, que tiene grupos de cadena laterales titulables –N (CH3)2, responde a los cambios de pH mediante protonación. de los restos de la cadena lateral. Los resultados obtenidos concluyen que el pH neutro es favorable para la adsorción de DOX en el compuesto de polímero Hexakis y, a pH ácido, el fármaco se libera de la superficie del portador. Los resultados de la simulación metadinámica mostraron que el orden de inserción del fármaco y el polímero en el sistema juega un papel crucial en la determinación del destino del proceso de adsorción/desorción. En este contenido, el compuesto de DMA con Hexakis es un mejor portador para la administración de medicamentos. En general, nuestras simulaciones MD y metadinámica revelaron que tal comportamiento del compuesto polímero-Hexakis lo convierte en un candidato prometedor para el desarrollo de una amplia gama de nuevas generaciones de DDS inteligentes. Como recomendación para futuros estudios, los nanotubos de Hexakis se pueden utilizar como portadores de fármacos junto con otros compuestos, especialmente componentes poliméricos. Es necesario tomar más medidas para mejorar las propiedades de los nuevos nanotubos Hexakis que puedan utilizarse a escala comercial.

Los autores pueden confirmar que todos los datos relevantes están incluidos en el artículo y/o en sus archivos de información complementaria.

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20711-9

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Samaneh Pasban y Heidar Raissi

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Correspondencia a Heidar Raissi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Pasban, S., Raissi, H. PNIPAM/Hexakis como sistema de administración de fármacos termosensible para aplicaciones biomédicas y farmacéuticas. Representante científico 12, 14363 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18459-3

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Recibido: 11 de abril de 2022

Aceptado: 11 de agosto de 2022

Publicado: 23 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18459-3

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