Figura 1

Similar informaţiei genetice codificată în ADN, informaţia chimică este codificată în atomii din structura moleculelor şi dictează comportamentul acestora. Progresele recente în proiectarea moleculară au permis sinteza de structuri moleculare ce pot fi optimizate pentru orice tip de aplicaţie. Capacitatea acestor compuşi de a recunoaşte şi a forma legături necovalente cu alţi compuşi organici, anorganici şi biologici se bazează pe principiul recunoaşterii moleculare, mecanism întâlnit în procese celulare, precum interacţia dintre centrul activ al enzimei şi analitul specific, interacţia anticorp-antigen, ADN-ARN etc.



Chimia recunoaşterii moleculare este cea mai importantă parte a chimiei gazdă-oaspete, componenţii principali fiind receptorul (molecula gazdă) şi substratul (molecula oaspete). Ciclodextrinele şi derivaţii acestora se află printre cele mai studiate clase de receptori  artificiali.


Ciclodextrinele reprezintă o familie de oligozaharide ciclice obţinute din amidon prin hidroliză enzimatică. Cele mai cunoscute sunt construite din 6, 7 sau 8 unităţi de D-glucopiranoză unite prin punţi de oxigen şi se numesc  α, β  şi γ-ciclodextrina (Figura 1). Acestea sunt denumite uneori şi ciclodextrine parentale, deoarece derivaţii ciclodextrinici se obţin prin ataşarea unor grupări funcţionale la structura de bază.

Molecula de ciclodextrină are o structură rigidă cu un exterior hidrofil, ce descrie o cavitate internă hidrofobă (Figura 2). Caracteristicile structurale ale acestor receptori şi modelarea cu uşurinţă a structurii pentru o recunoaştere specifică, a condus la  numeroase aplicaţii practice ale ciclodextrinelor în industria farmaceutică, industria alimentară, producţia produselor cosmetice şi îngrijire personală (creme şi loţiuni pentru corp, parfumuri, săpunuri şi geluri de duş, produse pentru machiaj, pastă de dinţi etc.), industria textilă, nanotehnologie, ştiinţa materialelor, agricultură, producţia de produse de curăţare şi împrospătare pentru uz casnic (produse de îndepărtare a  mirosului, lumânări parfumate etc.), procese de tratare a apei uzate etc.


Figura 2




Ciclodextrinele - aditivi alimentari


Utilizarea acestor compuşi ca şi aditivi alimentari sau în diverse procedee de prelucrare a alimentelor este considerată sigură pentru organismul uman.  

S-a dovedit că α-ciclodextrina prezintă efecte prebiotice. Astfel, la nivelul intestinelor, aceasta stimulează creşterea activităţii bacteriilor benefice şi împiedică dezvoltarea bacteriilor patogene. Stabilitatea termică a α-ciclodextrinei a permis utilizarea acesteia în diverse produse de patiserie. În plus, s-a observat o păstrare a prospeţimii produselor pentru o perioadă  mai lungă de timp deoarece α-ciclodextrina nu absoarbe apa din atmosferă (are un caracter higroscopic redus).

Capacitatea ciclodextrinelor β şi γ de a încapsula diverse molecule organice, anorganice şi biologice în cavitatea hidrofobă, a permis utilizarea acestora pentru a reduce sau chiar elimina compuşii dăunători sănătăţii sau care determină gusturile neplăcute. De exemplu, gustul amar din sucul de grepfrut este dat de limonen şi naringin, compuşi regăsiţi în fruct. Însă prin utilizarea β-ciclodextrinei în procesul de producţie este redus acest gust deoarece cei doi compuşi sunt încapsulaţi într-o manieră selectivă de receptor, fără a reduce cantitatea de vitamina C. β-ciclodextrina este metabolizată în colon de microflora bacteriană în dextrină liniară, maltoză şi glucoză.    

Potrivirea sterică dintre molecula de colesterol şi cavitatea moleculei de β-ciclodextrină a condus la utilizarea receptorului în producţia de unt sau margarină fără colesterol. Această afinitatea a β-ciclodextrinei este exploatată şi în domeniul medical, fiind realizate studii ce investighează posibilitatea utilizării acestui receptor pentru a extrage molecula de colesterol de la nivel celular. Aceste studii reprezintă una dintre puţinele direcţii de dezvoltare a unui tratament pentru o boala genetică de metabolism (Niemann Pick tip C, incidenţă 1:150.000) care determină o acumulare a colesterolului la nivel celular şi afectează, de obicei, copiii la vârsta şcolară.


Aplicaţii medicale ale ciclodextrinelor

Utililizarea compuşilor din clasa ciclodextrinelor în domeniul farmaceutic se datorează, de cele mai multe ori, abilităţii acestora de a forma complecşi de incluziune cu diverse substanţe active (substanţa responsabilă de răspunsul terapeutic).  

Hidroxipropil- β-ciclodextrina şi metil- β-ciclodextrina sunt derivaţi ciclodextrinici ce se remarcă prin solubilitatea ridicată în soluţie apoasă. Capacitatea de a forma complecşi stabili cu substanţe precum acetazolamida, diclofenac, pilocarpina şi dexametazona a permis utilizarea celor doi derivaţi ai β-ciclodextrinei în prepararea soluţiilor oftalmologice ce se bazează pe substanţele active menţionate. Astfel s-a îmbunătăţit biodisponibilitatea substanţei active şi au  fost reduse semnificativ efectele adverse, cum ar fi iritaţii ale globului ocular.

Încapsularea substanţei active în cavitatea receptorilor ciclodextrinici modifică proprietăţile fizico-chimice ale acesteia (solubilitate, reactivitate), dar sunt păstrate proprietăţile terapeutice. De exemplu, principalul component activ şi substanţa responsabilă de mirosul înţepător al usturoiului, alicina, prezintă proprietăţi antifungice şi antibacteriene. Creşterea stabilităţii alicinei în forma solidă, prin formarea complecşilor de incluziune cu β-ciclodextrina, a permis prepararea unor comprimate inodore şi insipide, cu păstrarea proprietăţilor terapeutice.

Ciclodextrinele au fost utilizate cu succes şi pentru dezvoltarea unor sisteme de eliberare în mod constant şi de durată  a medicamentelor. Un bun exemplu în acest sens ar fi sisteme pe bază de nicotină. Capacitatea β-ciclodextrinei de a încapsula şi de a elibera molecula de nicotină într-o manieră constantă, de la 12 h până la 48 h, a condus la utilizarea acesteia în plasturele şi guma cu nicotină.

O nouă direcţie de cercetare o reprezintă eliberarea controlată a medicamentului din cavitatea receptorului ciclodextrinic sub acţiunea unui stimul mecanic. Astfel, un grup de cercetare de la Universitatea Osaka a sintetizat un hidrogel (material polimeric ce nu se dizolvă în apă la pH fiziologic) în care moleculele de β-ciclodextrină sunt legate covalent de structura tridimensională polimerică. În cavitatea ciclodextrinei este încapsulată molecula de ondansetron, substanţă activă recomandată în tratamentul greţei induse de chimioterapie sau vărsături postoperatorice. Compresia mecanică asupra hidrogelului determină eliberarea substanţei active. Acelaşi grup de cercetare a valorificat  recunoaşterea moleculară dintre molecula gazdă şi molecula oaspete pentru a dezvolta materiale inteligente care să aibă capacităţi de "autovindecare" (Figura 3).

 


Figura 3



În concluzie, datorită structurii unice şi a proprietăţilor de recunoaştere moleculară, ciclodextrinele şi derivaţii săi se găsesc într-o gamă largă de produse sau în procese de producţie ale acestora şi ne influenţează, mai mult sau mai puţin, viaţa de zi cu zi.



Referinţe bibliografice
E.M. M. Del Valle, Cyclodextrins and their uses: a review, Process Biochemistry 2004, 39, 9, 1033.
S. Davaran, M.R. Rashidi, R. Khandaghi, M. Hashemi, Development of a novel prolonged-release nicotine transdermal patch, Pharmacol Res. 2005,  51, 3, 233.
H. Izawa, K. Kawakami, M. Sumita, Y. Tateyama, J. P. Hillab, K. Ariga, β-Cyclodextrin-crosslinked alginate gel for patient-controlled drug delivery systems: regulation of host–guest interactions with mechanical stimuli, J. Mater. Chem. B, 2013,1, 2155-2161.
T. Kakuta, Y. Takashima, M. Nakahata, M. Otsubo, H. Yamaguchi, A. Harada,  Preorganized Hydrogel: Self-Healing Properties of Supramolecular Hydrogels Formed by Polymerization of Host–Guest-Monomers that Contain Cyclodextrins and Hydrophobic Guest Groups,  Adv. Mater. 2013, 25, 2849.
C. A. López, A.H. de Vries, S. J. Marrink, Molecular Mechanism of Cyclodextrin Mediated Cholesterol Extraction, PLoS Comput. Biol. 2011, 7, 3.
Credit figura 2 - www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/harada/eng/eng/research/01.html
Credit figura 3 - www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/harada/eng/eng/research/05-3.html