Functionalization of biocompatible polyesters with substrates of biological interest via organocatalyzed ring-opening polymerization: application in cancer therapy

Tese de mestrado, Química Tecnológica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015O atual consumo elevado de recursos fósseis, tais como o petróleo, pode levar rapidamente ao esgotamento destas matérias-primas. Desta forma, é necessário tomar medidas de modo a contrariar esta rápida depleção. Uma opção para pouparmos este precioso recurso é a substituição dos polímeros derivados do petróleo por alternativas mais sustentáveis, como os polímeros totalmente derivados de fontes renováveis (biopolímeros). Neste âmbito, os biopolímeros, principalmente os biodegradáveis, têm atraído muita atenção enquanto substituintes de polímeros petroquímicos. O polietileno, poliestireno e o politereftalato de etileno são exemplos de polímeros que têm sido substituídos por biopolímeros em aplicações de curta duração, bem como na área biomédica. Além disso, o crescimento substancial previsto para o mercado dos biopolímeros para os próximos anos é uma prova de que estes poderão ter um papel muito importante num futuro próximo. Neste contexto, o polilactídeo (PLA) é, atualmente, um dos biopolímeros mais promissores, principalmente devido à sua biodegradabilidade e biocompatibilidade, sendo ainda totalmente derivado de fontes renováveis de carbohidratos. A sua biodegradabilidade está diretamente associada à presença do grupo éster, facilmente hidrolisável pela ação de enzimas do tipo esterease, encontrados tanto no solo, como no nosso organismo. Estas características têm levado à sua extensa aplicação na área biomédica, como por exemplo, em matrizes degradáveis para a libertação controlada de fármacos. Atualmente, a sua produção industrial é maioritariamente realizada através do processo de polimerização por abertura de anel (ROP, ring opening polimerization) do lactídeo (um éster cíclico). Este processo envolve a utilização de catalisadores metálicos (como o octanoato de estanho) e álcoois como iniciadores da polimerização. No entanto, o elevado custo associado à remoção dos resíduos do catalisador metálico desfavorece a utilização destes biopolímeros em aplicações médicas e microeletrónicas. Por este motivo, tem sido feito um grande esforço de modo a serem desenvolvidos novos catalisadores não tóxicos e não-metálicos, como os organocatalisadores. O cancro é uma das principais causas de morte no mundo, e portanto a procura de novas e melhores formas de o combater é um tema de extrema importância. Neste contexto, os complexos organometálicos apareceram nos últimos anos como candidatos promissores a agentes anticancerígenos, possuindo modos de ação específicos e uma diversidade estrutural muito superior do que a dos fármacos puramente orgânicos. Na verdade, a exploração das propriedades antitumorais dos compostos organometálicos baseados em metais de transição teve apenas início com a descoberta da atividade anticancerígena da cisplatina, um composto metálico de coordenação. Apesar de ser ainda hoje aplicada, conjuntamente com outros fármacos de platina, em cerca de 50-70% de todos os pacientes com cancro, a cisplatina possui uma elevada toxicidade, sendo também ineficiente contra vários tipos de cancro. A sua elevada toxicidade é devido à inespecificidade do seu alvo final, a molécula de DNA, causando por isso efeitos secundários adversos. Deste modo, a pesquisa de fármacos alternativos é crucial. Neste contexto, os complexos organometálicos de ferro são candidatos atraentes para serem utilizados como fármacos na quimioterapia. O ferro possui um papel fundamental no nosso organismo, estando envolvido no transporte de oxigénio, na replicação, metabolismo e crescimento celular. Além disso, vários complexos organometálicos de ferro apresentam uma elevada atividade antitumoral. Por outro lado, a conjugação da química de coordenação com polimerização controlada tem vindo a dar resultados promissores na terapia do cancro. Esta é conseguida pela conjugação de centros metálicos com cadeias poliméricas, dando origem a potenciais fármacos macromoleculares (PMCs, polymer-metal conjugates). Este desenvolvimento é baseado na capacidade que as macromoléculas têm para uma melhor permeação e retenção nos tumores (efeito EPR) relativamente às moléculas com baixo peso molecular. Além disso, diversos artigos envolvendo a conjugação de polímeros com compostos de platina em uso clínico, demonstram que esta sinergia causa uma melhoria da estabilidade e leva a uma libertação controlada destes compostos, conduzindo assim a uma diminuição dos efeitos secundários adversos. Neste âmbito, o nosso grupo publicou recentemente o primeiro complexo de ruténio conjugado com uma cadeia polimérica de polilactídeo (RuPMC). Esta combinação conduziu um aumento da internalização de ruténio nas células tumorais in vitro, comparativamente ao seu precursor não polimérico de baixa massa molecular. Assim, este efeito é provavelmente devido a um diferente mecanismo de internalização celular do composto, provavelmente associado à presença da cadeia polimérica. Este resultado realça o enorme potencial da aplicação de fármacos macromoleculares na terapia contra o cancro, motivando-nos a continuar esta pesquisa utilizando outros centros metálicos. Com o objetivo de contribuir para o desenvolvimento de novos catalisadores isentos de metais, na primeira parte deste trabalho pretendia-se avaliar a capacidade da adenina em promover o ROP do ʟ-lactídeo (ʟ-LA), atuando com catalisador e iniciador da polimerização. A adenina é uma biomolécula imprescindível ao nosso organismo, sendo um constituinte de fontes de energia, como o ATP (adenina trifosfato) e sendo parte estrutural do ADN e do ARN. Deste modo, a utilização desta biomolécula como catalisador do ROP de ésteres cíclicos poderá levar a uma melhoria na segurança de utilização de poliésteres biodegradáveis para aplicações em embalagens e na área biomédica. Além disso, ao utilizá-la como um simultâneo iniciador da polimerização, estamos a diminuir custos da polimerização associados à utilização de iniciadores extrínsecos. A sua biocompatibilidade natural tem atraído a atenção para a sua utilização como constituintes em diversos polímeros. No entanto, devido à sua solubilidade limitada a uma pequena gama de solventes e à possibilidade de múltiplas substituições, a introdução da adenina na cadeia polimérica é apenas conseguida através de pós-funcionalizações do polímero com moléculas de adenina derivatizadas. Desta forma, este trabalho apresenta pela primeira vez, a funcionalização direta e num único passo da adenina na cadeia polimérica, utilizando-a como catalisador e iniciador da polimerização por abertura de anel do ʟ-lactídeo. Este processo dá origem ao polilactídeo possuindo a adenina como um dos grupos terminais (Adn-PLLA). Além das características anteriormente enfatizadas, esta polimerização foi realizada no estado fundido na ausência de solventes, o que faz deste, um processo amigo do ambiente. Ao longo deste trabalho foram também estudadas quais as influências que algumas condições reacionais tinham sobre a polimerização, tais como a temperatura, o tempo reacional, a razão entre ʟ-lactídeo e adenina, e a quantidade inicial de monómero. Além disso, tendo em conta os resultados obtidos, foram propostos dois mecanismos para a ROP catalisada e iniciada pela adenina. Foram também realizados estudos mecanísticos tanto experimentais como computacionais (utilizando a teoria do funcional da densidade, DFT) de modo a perceber-se qual seria o mecanismo mais provável. Os resultados já obtidos para os RuPMCs, juntamente com os promissores resultados preliminares obtidos para complexos de ferro-ciclopentadienilo, levaram a que na segunda parte deste trabalho fossem desenvolvidos os primeiros FePMCs com vista ao tratamento do cancro. Estes compostos macromoleculares foram obtidos através da combinação da Adn-PLLA com metalofármacos baseados no fragmento organometálico Fe-ciclopentadienilo, “Fe(η5-Cp)”. A formulação destes complexos foi suportada pelas técnicas espectroscópicas de RMN, IV e UV-vis e as suas atividades antitumorais foram testadas nas linhas celulares humanas do cancro da mama, MDA-MB-231, e do melanoma A375. Os novos FePMCs demostraram possuir uma melhor citotoxicidade relativamente aos complexos de baixa massa molecular com valores de IC50 na gama do micromolar.Polylactide (PLA) is currently one of the most promising biopolymers, due to its good biodegradability and biocompatibility. Nevertheless, the presence of metal-catalyst residues can hamper its application in the biomedical, microelectronics and packaging fields. For this reason, the search for new nontoxic, metal-free catalysts for the production of environmentally friendly biopolymers has received a lot of attention during the past decades. On the other hand, the application of biodegradable polymer as drugs’ nanocarriers in cancer targeting therapies in increasing considerably. In this context, metal-polymer conjugates (PMCs) are appealing candidates for cancer treatment due to their potential to benefit from an enhanced permeation and retention (EPR) effect, which might lead to an increased drug accumulation in the cancer cells. In order to contribute to the development of new organocatalysts, the first aim of this work was to assess the ability of adenine (a purine derivative present in our organism with important biological functions) to catalyse and initiate the ring opening polymerization (ROP) of ʟ-lactide (ʟ-LA). Indeed, the first part of this dissertation presents the unprecedented synthesis of adenine end-capped poly(ʟ-lactide) (Adn-PLLA). This was achieved by a straightforward one-pot synthesis method in the melt bulk state. For this purpose, the influence of some reaction conditions, i.e. reaction temperature and time, the lactide-to-adenine ratio and the amount of monomer supply over the polymerization were evaluated. Besides that, two mechanisms were proposed for the adenine-catalysed ROP, and experimental and computational (using the density functional theory) mechanistic studies were performed. By combining the Adn-PLLA with Fe-cyclopentadienyl metallodrugs, the second aim of this work was to synthesize efficient anticancer compounds based on FePMCs. These new FePMCs complexes were characterized by NMR, UV-vis and IR spectroscopies and tested against the human breast cancer MDA-MB-231 and human melanoma A375 cell lines. The FePMCs have shown an enhanced activity comparatively to the LMW complexes, with IC50 values in the micromolar range