Pró-Fármacos dendriméricos potencialmente ativos em Malária e Tuberculose: Síntese e avaliação da atividade biológica / Dendrimeric prodrugs potentially active in malaria and tuberculosis: Synthesis and evaluation of biological activity

HIV/AIDS, tuberculose, malária e as doenças tropicais negligenciadas representam uma grande preocupação em Saúde em muitas regiões do mundo. Os fármacos disponíveis para o tratamento apresentam diversos problemas, tais como toxicidade e resistência ao parasita. Mesmo com esse triste panorama, o investimento em pesquisa nessa área é, ainda, pouco significativo. Assim, dentre os métodos de modificação molecular para melhorar propriedades farmacêuticas, farmacocinéticas e/ou farmacodinâmica de compostos bioativos destaca-se a latenciação. Já os dendrímeros vêm despertando interesse em aplicações biológicas, principalmente como transportadores de fármacos, além de atuarem como transportadores de genes, imagem em diagnóstico e compostos com ação per se. Face ao exposto e tendo em vista o caráter promissor dos dendrímeros como sistemas de drug delivery, o objetivo deste trabalho foi a síntese de pró-fármacos dendriméricos potencialmente ativos em malária e tuberculose. Os dendrímeros de Bis-MPA (gerações 0, 1 e 2) foram sintetizados pelo grupo do Professor Scott Grayson, da Tulane University (EUA). No Brasil, foram feitas as funcionalizações destes compostos, através do acoplamento do ácido succínico (que funciona como espaçante) e as moléculas ativas. Selecionaram-se as seguintes substâncias: (1) primaquina, com ação antimalárica e (2) isoniazida, de ação nos primeiros estágios da tuberculose. Foram sintetizados os pró-fármacos dendriméricos de isoniazida nas gerações 0 e 1 (G0-Iso e G1-Iso), e primaquina nas gerações 0, 1 e 2 (G0-Pq, G1-Pq e G2Pq). Importante mencionar que os resultados de Ressonância Magnética e Nuclear de 1H e de 13C demostraram as obtenções dos respectivos produtos, porém contendo impurezas. Já a análise do resultado proveniente da espectrometria de massas do composto G0-Iso revelou a presença de um subproduto ciclizado da isonizaida succinoilada (CIso-Suc), o qual pode ser um potencial pró-fármaco ou apresentar atividade per se. Como não se conhece este composto, o laboratório coordenado pela Profas Elizabeth Igne Ferreira e Jeanine Giarolla manifestou interesse em pesquisa-lo, principalmente quanto suas propriedades físico- químicas, bem como quanto à atividade biológica. Assim, utilizando metodologia analítica previamente estabelecida para o G0-Iso, os estudos de estabilidade química da CIso-Suc, em diferentes valores de pH, demonstraram a capacidade da forma ciclizada em se converter no protótipo Iso-Suc, majoritariamente em pH 7,4 e 8,5. Como perspectivas, destaca-se a avaliação da estabilidade enzimática deste potencial derivado. Ressalta-se, ainda, a a avaliação da respectiva atividade antimicobacteriana. Em relação aos pró-fármacos, as necessidades de aprimoramentos das sínteses são, também, evidenciadas. Uma vez sintetizados e caracterizados, estes últimos derivados serão avaliados quanto à atividade biológica. Ademais, estudos computacionais, sobretudo simulações de docking molecular, foram desenvolvidos com intuito de se entender o modo de interação de alguns compostos com alvos biológicos pré-determinados

HIV/AIDS, tuberculosis, malaria and neglected diseases are a major health concern in many regions of the world. The drugs available present various problems, such as toxicity and parasite resistance. Even with this sad outlook, research investment in this area is still insignificant. Among the molecular modification methods to improve the pharmaceutical, pharmacokinetic and/or pharmacodynamic properties we stands out prodrug design. On the other hand, dendrimers are arousing interest in biological applications, mainly as drug carriers, besides gene delivery, diagnostic imaging, as well as acting as compounds with activity per se. Considering that, added to the promising dendrimer drug delivery features, the aim of this study was to synthesize potentially active dendrimer prodrugs in malaria and tuberculosis. Bis-MPA dendrimers (generations 0, 1 and 2) were synthesized by the group of Professor Scott Grayson of Tulane University (USA). Herein in Brazil, the compounds were functionalized by coupling succinic acid (spacer group), as well as the active molecules. We selected the following substances: (1) primaquine, with antimalarial action and (2) isoniazid, acting in the early stages of tuberculosis. Isoniazid dendrimer prodrugs were synthesized generations 0 and 1 (G0-Iso and G1-Iso), and primaquine in generations 0, 1 and 2 (G0-Pq, G1-Pq and G2-Pq). It is important to mention that the results related to Nuclear and Magnetic Resonance 113C showed chemical structures features, however with impurities. Analysis of the mass spectrometry regarding G0-Iso has revealed the presence of a cyclized by-product of succinylated isonized (CIso-Suc), which may be a potential prodrug or may presentactivity itself. Using the analytical methodology performed for G0-Iso, ICso-Suc demonstrated its ability to convert the Iso-Suc prototype at different pH values, especially at pH 7.4 and 8.5. As perspectives, we highlight the determinations of the chemical stability of ICsoSuc at pH 1.5 and 6.0, as well as the evaluation of the enzymatic stability. We will also investigate the respective antimicobacterial activities. Regarding prodrugs, the needs for synthesis enhancements are also necessary. Once synthesized and characterized, these latter derivatives will be evaluated for biological activity. Moreover, computational studies, especially molecular docking simulations, were developed in order to understand the mode of interaction of some compounds with predetermined biological targets

Sistemas de nanopartículas poliméricas II: estructura, métodos de elaboración, características, propiedades, biofuncionalización y tecnologías de auto-ensamblaje capa por capa (layer-by-layer self-assembly) / Polymeric nanoparticle systems: structure, elaboration methods, characteristics, properties, biofunctionalization and self-assembly layer by layer technologies

Los materiales poliméricos han sido ampliamente investigados para aplicaciones biomédicas, teniendo especial relevancia cuando se encuentran en forma de micro- y nano-partículas. Últimamente se ha ampliado su campo de aplicación al ser conjugados con péptidos y ácidos nucleicos, por lo tanto, el interés en el estudio de este tipo de materiales, así como también en la formulación de nanoestructuras funcionalizadas como materiales, dispositivos y vehículos de transporte de agentes terapéuticos ha aumentado. Las recientes investigaciones en nanosistemas se inspiran en fenómenos naturales que estimulan la integración de señales moleculares y la mimetización de procesos a nivel celular, de tejidos y órganos. Tecnológicamente, la capacidad de obtener nanoestructuras esféricas mediante la combinación de materiales que presenten propiedades distintas a las que ningún otro material individual posee por sí solo, es lo que hace que las nanocápsulas sean particularmente atractivas. Las potenciales ventajas de los sistemas de nanopartículas de tipo polimérico se destacan a lo largo de cada parte de este artículo de revisión. El presente artículo aborda los aspectos más relevantes sobre la estructura, composición y algunos métodos de elaboración de los sistemas nanoparticulados. Además, expone algunos de los trabajos más recientes, centrados en sistemas de nanopartículas basados en polímeros dirigidos a la administración de agentes, publicados en artículos especializados de investigación y revisiones durante los últimos años.

Polymeric materials have been extensively investigated for biomedical applications including micro- and nanoparticles. Modern advances have broadened horizons for application with peptides and nucleic acids. Therefore, interests increased in the formulation of materials, devices and vehicles for transporting therapeutic agents in functionalized nanostructures. Recent nano-systems are inspired by natural phenomena that stimulate the integration of molecular signals and the mimicking of natural cellular processes, at tissue and organ levels. Technologically, the ability to obtain spherical nanostructures, which combine different properties, that no other single material possesses on its own, makes nanocapsules particularly attractive. Potential advantages over polymer nanoparticulate systems are highlighted throughout each part of this review article. Here, we address the most relevant aspects of structure, composition and methods of formulation of nanoparticulate systems. In addition, we outline some of the more recent works focusing on nanosized preparations, based on agent-directed polymers, found in specialized research articles that have emerged in the recent years.

Antichagásicos e leishmanicidas potenciais: estudo das condições de síntese de pró-fármacos dendriméricos de 3-hidroxiflavona / Potential antichagasic and leishmanicide compounds: study of synthesis conditions of 3-hydroxyflavone dendrimer prodrugs

INTRODUÇÃO: A doença de Chagas e a leishmaniose são doenças tropicais supernegligenciadas, que afetam regiões de extrema pobreza. Os fármacos disponíveis para estas duas doenças são escassos, de eficácia limitada, de alta toxicidade e suscitam casos de resistência. OBJETIVO: Considerando-se a necessidade de desenvolvimento de novos agentes antichagásicos e leishmanicidas, a importância da latenciação no aprimoramento de fármacos/compostos bioativos e a versatilidade de transportadores dendriméricos, o objetivo deste trabalho foi a síntese de pró-fármacos dendriméricos de primeira geração de 3-hidroxiflavona, composto que apresenta potencial atividade tripanomicida e leishmanicida. Desta forma, pretendeu-se obter liberação controlada, melhora da permeabilidade, toxicidade reduzida e aumento da eficácia deste agente bioativo. MATERIAL E MÉTODOS: Para a obtenção desses dendrímeros empregaram-se as abordagens divergente e convergente, compostas por várias etapas de síntese com reações de proteção, desproteção e acoplamentos. RESULTADOS E DISCUSSÃO: A abordagem convergente apresentou problemas sintéticos, devido à instabilidade dos derivados contendo 3-hidroxiflavona nas diferentes condições reacionais e de purificação testadas. No entanto, há indícios da síntese dos pró-fármacos dendriméricos de 3-hidroxiflavona, mas esses compostos apresentam-se impuros. Devido a essa instabilidade e a dificuldade de purificação na abordagem convergente, optou-se pela síntese divergente, no qual o composto bioativo é acoplado na etapa final. Os estudos sintéticos mostraram a obtenção dos intermediários puros formados pelos focos centrais propano- e hexano-diamina acoplados ao ácido málico protegido. CONCLUSÃO: Há indicativos da obtenção de pró-fármacos dendriméricos de 3-hidroxiflavona, ainda que impuros. As maiores dificuldades encontradas foram a purificação e a estabilidade dos compostos obtidos

INTRODUCTION: Chagas' disease and leishmaniasis are super neglected tropical diseases that affect primarily areas of extreme poverty. The drugs available for these diseases are scarce and of limited effectiveness, toxic and rouse resistance. OBJECTIVE: Considering that the development of new antichagasic and leishmanicide agents are urgently needed, the importance of prodrug design to the improvement of drugs and bioactive compounds and the versatility of dendrimers as drug carriers, the objective of this work was the synthesis of dendrimer prodrug of 3-hydroxyflavone, which shows potential antichagasic and leishmanicide activities. Thus, we intended to obtain controlled release, improvement of the permeability, reduction of the toxicity and increase of efficacy of this bioactive agent. MATERIAL AND METHODS: Convergent and divergent approaches have been used to synthesize those compounds. Synthetic steps consist of protection, deprotection and coupling reactions. RESULTS AND DISCUSSION: The convergent approach presented problems due to the instability of the 3-hydroxyflavone derivatives, in different reaction and purification conditions. However, there is evidence of the synthesis of dendrimer prodrugs, though still impure. Due to instability and purification difficulty of intermediate, we performed the divergent synthesis. We obtained the pure intermediates composed by cores propanediamine and hexanediamine coupled to the protected malic acid as spacer group. CONCLUSION: Synthetic studies suggested the synthesis of dendrimer prodrugs, although impure. The greatest difficulties were the purification and the instability of compounds

Dendritic surface functionalization of nanomaterials: controlling properties and functions for biomedical applications

A wide variety of nanomaterials have demonstrated promise in medical applications such as drug delivery and imaging. In these applications, the surface chemistry of the materials is critical as it plays an important role in determining the toxicity and biodistribution behavior of the material. We review here the functionalization of nanomaterials with dendrons as an efficient method to alter the surface chemistry of the materials, introducing new properties and functions. Described here is the functionalization of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIO) with dendritic guanidines to enhance their transport into cells for magnetic resonance imaging applications. The introduction of dendrons bearing peripheral hydroxyls, amines, guanidines, carbohydrates and Gd(III) chelates to polymer vesicles (polymersomes) is also described. These dendritic moieties allow for modulation of toxicity, cell uptake, protein binding, and contrast agent efficiency, while at the same time allowing the stabilities of the polymersomes to be maintained. Thus, this approach holds promise for the development of a wide range of multifunctional materials for pharmaceutical applications.

Uma grande variedade de nanomateriais tem demonstrado aplicações médicas promissoras, tais como liberação de fármacos e em imagens. Nestas aplicações, a superfície química dos materiais é crítica, uma vez que exerce papel importante na determinação da toxicidade e comportamento de biodistribuição do material. Aqui, nós revisamos a funcionalização de nanomateriais, como dendrons, como método eficiente de alterar a superfície química destes compostos, introduzindo novas propriedades e funções. Descritos aqui estão nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (do inglês, SPIO), com guanidinas dendríticas para aumentar seu transporte para o interior das células, úteis em imagens de ressonância magnética. A introdução de dendrons contendo hidroxilas, aminas, guanidinas, carboidratos e quelatos de Gd(III) periféricos em vesículas poliméricas (polymersomes) também está descrita. Esses grupos dendríticos permitem a modulação de toxicidade, captura celular, ligação à proteína e eficiência como agente de contraste, enquanto que, ao mesmo tempo, permitem a manutenção da estabilidade das vesículas poliméricas. Assim, essa abordagem é promissora para o desenvolvimento de grande variedade de materiais multifuncionais para aplicações farmacêuticas.

Biological properties of water-soluble phosphorhydrazone dendrimers

Dendrimers are hyperbranched and perfectly defined macromolecules, constituted of branches emanating from a central core in an iterative fashion. Phosphorhydrazone dendrimers constitute a special family of dendrimers, possessing one phosphorus atom at each branching point. The internal structure of these dendrimers is hydrophobic, but hydrophilic terminal groups can induce the solubility of the whole structure in water. Indeed, the properties of these compounds are mainly driven by the type of terminal groups their bear; this is especially true for the biological properties. For instance, positively charged terminal groups are efficient for transfection experiments, as drug carriers, as anti-prion agents, and as inhibitor of the aggregation of Alzheimer's peptides, whereas negatively charged dendrimers have anti-HIV properties and can influence the human immune system, leading to anti-inflammatory properties usable against rheumatoid arthritis. This review will give the most representative examples of the biological properties of water-soluble phosphorhydrazone dendrimers, organized depending on the type of terminal groups they bear.

Dendrímeros são macromoléculas extremamente ramificadas e perfeitamente definidas constituídas de ramificações que partem de um foco central de uma forma iterativa. Dendrímeros de fosforidrazona constituem uma família especial de dendrímeros, que possuem um átomo de fósforo em cada ponto da ramificação. A estrutura interna destes dendrímeros é hidrofóbica, mas grupos hidrofílicos terminais podem induzir a solubilidade em água de toda estrutura. De fato, as propriedades destes compostos são principalmente orientadas pelos grupos terminais que apresentam, especialmente para as propriedades biológicas. Por exemplo, grupos terminais carregados positivamente são eficientes para experimentos de transfecção, como transportadores de fármacos, agentes antipríons e como inibidores da agregação de peptídeos do Alzheimer, enquanto que dendrímeros carregados negativamente têm propriedades anti-HIV e podem influenciar o sistema imune humano, levando propriedades antiinflamatórias úteis contra artrite reumatoide. Essa revisão dará os exemplos mais representativos das propriedades biológicas de dendrímeros de fosforidrazona solúveis em água, organizados de acordo com os grupos terminais que possuem.

Synthesis and MALDI-ToF characterization of dendronized poly(ethylene glycol)s

Well-defined hybrids of linear poly(ethylene glycol)s (PEGs) and dendritic polyesters were prepared via the dendronization of the alcohol end groups of the mono and difunctional linear PEGs. Though useful for rudimentary product characterization, GPC and NMR could not verify the overall structural purity of these linear-dendritic hybrids. On the other hand, the detailed data provided by MALDI-ToF mass spectrometry enabled confirmation of the high structural purity of the dendronized PEGs at each step of the dendronization procedure. The well-defined number of functionalities on these dendronized PEGs, renders them particularly useful for research in the biomedical sphere where functionality and purity are of the utmost importance. The MALDI-ToF mass spectrometric approach described herein represents a valuable technique for detailed monitoring of these dendronization reactions, as well as a variety of other polymer end group modifications.

Híbridos bem definidos de poli(etilenoglicol) lineares (PEGs) e poliésteres dendriméricos foram preparados via "dendronização" de álcool e grupos de PEGs lineares mono e bifuncionais. Embora úteis para a caracterização rudimentar de produtos, Cromatografia por Permeação em Gel e RMN podem não demonstrar a pureza estrutural global desses híbridos lineares dendríticos. Por outro lado, informações detalhadas provenientes de espectrometria de massas MALDI-ToF permitiram a confirmação de elevada pureza estrutural de PEGs "dendronizados" em cada passo do processo de "dendronização". O número de funcionalidades bem definidas destes PEGs "dendronizados", torna-os particularmente úteis para pesquisa na área biomédica, na qual funcionalidade e pureza são de grande importância. A abordagem de espectrometria de massas MALDI-ToF descrita aqui representa uma técnica valiosa para o monitoramento detalhado destas reações de "dendronização", bem como diversas modificações de outros polímeros e grupos.

Dendrimers as anti-inflammatory agents

Dendrimers constitute an intriguing class of macromolecules which find applications in a variety of areas including biology. These hyperbranched macromolecules with tailored backbone and surface groups have been extensively investigated as nanocarriers for gene and drug delivery, by molecular encapsulation or covalent conjugation. Dendrimers have provided an excellent platform to develop multivalent and multifunctional nanoconjugates incorporating a variety of functional groups including drugs which are known to be anti-inflammatory agents. Recently, dendrimers have been shown to possess anti-inflammatory properties themselves. This unexpected and intriguing discovery has provided an additional impetus in designing novel active pharmaceutical agents. In this review, we highlight some of the recent developments in the field of dendrimers as nanoscale anti-inflammatory agents.

Dendrímeros constituem uma classe intrigante de macromoléculas que apresentam aplicações em diversas áreas incluindo biologia. Essas macromoléculas extremamente ramificadas com esqueleto planejado e grupos de superfície foram extensivamente investigadas como nanotransportadores de genes e de fármacos, por encapsulamento molecular ou conjugação covalente. Dendrímeros têm proporcionado uma plataforma excelente de desenvolvimento nanoconjugados multivalentes e multifuncionais incorporando uma variedade de grupos funcionais, incluindo fármacos que são conhecidos por atuarem agentes antiinflamatórios. Recentemente, os dendrímeros mostraram propriedades antiinflamatórias. Esta inesperada e intrigante descoberta tem proporcionado um impulso adicional no planejamento de novos agente farmacêuticos ativos. Nesta revisão, nós destacamos alguns dos desenvolvimentos recentes no campo dos dendrímeros como agentes antiinflamatórios em nanoescala.

Glycodendrimers: versatile tools for nanotechnology

Combining nanotechnology with glycobiology has triggered an exponential growth of research activities in the design of novel functional bionanomaterials (glyconanotechnology). More specifically, recent synthetic advances towards the tailored and versatile design of glycosylated nanoparticles namely glyconanoparticles, considered as synthetic mimetics of natural glycoconjugates, paved the way toward diverse biomedical applications. The accessibility of a wide variety of these structured nanosystems, in terms of shapes, sizes, and organized around stable nanoparticles have readily contributed to their development and applications in nanomedicine. In this context, glycosylated gold-nanoparticles (GNPs), glycosylated quantum dots (QDs), fullerenes, single-wall natotubes (SWNTs), and self-assembled glycononanoparticles using amphiphilic glycopolymers or glycodendrimers have received considerable attention to afford powerful imaging, therapeutic, and biodiagnostic devices. This review will provide an overview of the most recent syntheses and applications of glycodendrimers in glycoscience that have permitted to deepen our understanding of multivalent carbohydrate-protein interactions. Together with synthetic breast cancer vaccines, inhibitors of bacterial adhesions to host tissues including sensitive detection devices, these novel bionanomaterials are finding extensive relevance.

A combinação de nanotecnologia com glicobiologia tem desencadeado o crescimento exponencial de atividades de pesquisa em desenvolvimento de novos biomateriais funcionais (gliconanotecnologia). Mais especificamente, recentes avanços sintéticos para o planejamento sob medida e versátil de nanopartículas glicosiladas, ou seja, gliconanopartículas, consideradas como miméticos sintéticos de glicoconjugados naturais, prepararam o caminho para diversas aplicações biomédicas. A acessibilidade da grande variedade destes nanossistemas estruturados, em termos de forma, tamanho e organização, tem prontamente contribuído para seu desenvolvimento e aplicações em nanomedicina. Neste contexto, nanopartículas de ouro glicosiladas (do inglês, GNPs), pontos quânticos glicosilados (do inglês, QDs), fulerenos, nanotubos de parede simples (do inglês, SWNTs) e gliconanopartículas autoconstruídas usando glicopolímeros anfifílicos ou glicodendrímeros têm recebido considerável atenção para originar poderosos instrumentos de imagem, terapêutico e de biodiagnóstico. Esta revisão fornecerá a visão global das mais recentes sínteses e aplicações de glicodendrímeros em glicociência que têm permitindo aprofundar nosso conhecimento das interações multivalentes proteína-carboidrato. Estes novos biomateriais estão sendo considerados de grande relevância, junto com vacinas sintéticas de câncer de mama, inibidores de adesão bacteriana em tecidos hospedeiros incluindo instrumentos de detecção sensível.