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Type: Tese
Title: Molecular modeling of drug delivery systems based on carbon nanostructures: structure, function, and potential applications for anticancer complexes of Pt(II)
Author: Almeida, Eduardo Ribeiro
First Advisor: Santos, Hélio Ferreira dos
Co-Advisor: Goliatt, Priscila Vanessa Zabala Capriles
Referee Member: Silva, Thereza Amélia Soares da
Referee Member: Dardenne, Laurent Emmanuel
Referee Member: Costa, Luiz Antônio Sodré
Referee Member: Sato, Fernando
Resumo: A medicação com fármacos a base de Pt(II) (cisplatina, carboplatina e oxaliplatina) tem sido uma alternativa efetiva para tratar cânceres devido à sua notável inibição do crescimento de células cancerosas e a prevenção de metástases. No entanto, a baixa seletividade dessas metalodrogas por células cancerosas gera severos efeitos colaterais. Nesse contexto, nanohorns de carbono (CNHs) têm sido considerados potenciais nanovetores de fármacos, devido a baixa toxicidade, capacidade de carreamento de fármacos, rotas de biodegradação, e biocompatibilidade quando oxidados. Porém, existe uma carência de estudos tratando o comportamento desses nanocarreadores em biomembranas. Esse trabalho tem como objetivo caracterizar as interações entre complexos de inclusão fármaco@CNH, formados por fármacos de Pt(II) encapsulados em CNHs, e membranas usando simulações por dinâmica molecular. Os resultados demonstraram que a contribuição de van der Waals teve um papel primário (∼74%) na estabilidade dos complexos, o que explica a dinâmica confinada dos fármacos dentro dos CNHs. Os perfis de energia livre revelaram o caráter endergônico da liberação dos fármacos a partir de CNHs, nos quais a barreira de energia para a liberação da oxaliplatina (~24 kcal mol– 1 ) é ~30% maior do que aquelas para carboplatina e cisplatina. As simulações mostraram quatro estágios do mecanismo de interação CNH-membrana: aproximação, inserção, permeação e internalização. Apesar do baixo distúrbio estrutural das membranas, a barreira de energia livre de ∼55 kcal mol-1 para a translocação de CNHs indicou que esse transporte é desfavorável cineticamente via o processo passivo. Os experimentos in silico evidenciam que o mecanismo mais provável de entrega de cisplatina a partir de CNHs envolve a aproximação e inserção, onde o nanovetor adere na superfície de células cancerosas, como reportado em estudos in vitro. Após essa retenção, a carga de fármaco deve ser ligeiramente liberada no tumor. As simulações de captação celular de fármacos de Pt(II) também apontaram barreiras de energia significativas (∼30 kcal mol-1 ) para esse processo, o que reflete a baixa permeabilidade deles em membranas como discutido em estudos experimentais. Além de reforçar o potencial de CNHs como nanovetores de fármacos de Pt(II), os resultados apresentados nessa tese podem auxiliar e impulsionar novos estudos com CNHs, focando no desenvolvimento de formulações menos agressivas para tratamentos de câncer.
Abstract: The medication with Pt(II) drugs (cisplatin, carboplatin, and oxaliplatin) has been an effective alternative for treating cancers due to their notable inhibition of cancer cells growth and the prevention of metastasis. Nevertheless, the low selectivity of these metallodrugs for malignant cells produces severe side effects, which limit this chemotherapy. In this context, carbon nanohorns (CNHs) have been considered potential nanovectors for drugs, since they present low toxicity, drug-loading capacity, biodegradation routes, and biocompatibility when oxidized. However, there is still a lack of studies regarding the molecular behavior of these nanocarriers on cell membranes. The present work aims to characterize the interactions between inclusion complexes drug@CNH, which are formed by platinum drugs encapsulated in CNHs, and plasma membranes by using molecular dynamics simulations. The results demonstrated that the van der Waals contribution played a primary role (∼74%) for the complex stability, which explain the confined dynamics of drugs inside the CNHs. The free energy profiles revealed an endergonic character of the drug release processes from CNHs, in which the energy barrier for oxaliplatin release (~24 kcal mol–1 ) was ~30% larger than those for carboplatin and cisplatin (~18 kcal mol-1 ). The simulations also showed four stages of the interaction mechanism CNH--membrane: approach, insertion, permeation, and internalization. Despite the low structural disturbance of the membranes, the free energy barrier of ∼55 kcal mol-1 for the CNHs translocation indicated that this transport is kinetically unfavorable by passive process. The in silico experiments evidenced that the most likely mechanism of cisplatin delivery from CNHs involve the approach and insertion stages, where the nanovector adheres on the surface of cancer cells, as reported in in vitro studies. After this retention, the drug load may be slowly released in the tumor site. Finally, simulations of the cellular uptake of Pt(II) drugs also pointed out significant energy barriers (~30 kcal mol-1 ) for this process, which reflects their low permeability in membranes as discussed in experimental studies. In addition to reinforcing the potential of CNH as nanovector of Pt(II) drugs, the results presented in this thesis may assist and drive new experimental studies with CNHs, focusing on the development of less aggressive formulations for cancer treatments.
Keywords: Nanohorn de carbono
Funcionalização química
Complexos de Pt(II)
Membrana celular
Dinâmica molecular
Umbrella sampling
Potencial de força média
Carbon nanohorn
Chemical functionalization
Pt(II) complexes
Cell membrane
Molecular dynamics
Potential of mean force
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2023/00164
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15992
Issue Date: 15-Sep-2023
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