Caracterización fisicoquímica de sistemas microheterogéneos en presencia de derivados de manopiranosa y sus aplicaciones

Abstract

La manosa es un monosacárido presente en muchas membranas celulares en forma de glicolípido o glicoproteína. Los glicolípidos son moléculas anfifílicas en las cuales la parte hidrofílica corresponde a un glúcido y la hidrofóbica son ácidos grasos o cadenas hidrocarbonadas. Debido a la naturaleza anfifílica los glicolípidos, en medio acuoso pueden agregarse de forma espontánea, o no, para formar diversas estructuras supramoleculares, tales como; micelas, vesículas y/o liposomas. Estos sistemas tienen diversas aplicaciones en áreas de solubilización de membranas, liberación controlada de drogas y cristales líquidos, entre otras. Por otra parte, los glúcidos presentes en la superficie de las membranas celulares son uno de los principales actores en diferentes procesos de interés biológicos. Por ejemplo, están involucrados en el reconocimiento célula-célula, célula-virus/bacteria, célula-toxina, entre otros. En este trabajo se sintetizaron 9 derivados alquílicos de manopiranosa (con una y dos cadenas hidrocarbonadas), con el objetivo de evaluar la capacidad de solubilizar modelos de membranas y modificar la superficie de vesículas para ser utilizadas como sistema multivalente en el reconocimiento específico de lectinas. La caracterización de la estructuración de la interfase y de la región hidrofóbica de los agregados formados, en medio acuoso, por estos derivados muestra una dependencia lineal con el aumento de unidades metilénicas de las cadenas hidrocarbonadas. Además, el derivado hexadecil manopiranósido puede formar vesículas unilamelares gigantes, aunque cálculos teóricos de la topología de este derivado indican que podría formar micelas. Los derivados monoalquil manopiranósidos con 12 y 16 unidades metilénicas no presentan la capacidad de solubilizar membranas modelo (vesículas), debido a que la curvatura de los agregados formados por estos derivados es similar a la curvatura de los agregados formados por los lípidos comerciales utilizados. La incorporación de derivados monoalquílicos de manopiranosa en vesículas de DODAC produce una disminución en la temperatura de transición de fase. El mayor efecto es observado por la incorporación del derivado con 12 unidades metilénicas. Un aumento en el largo de la cadena hidrocarbonada (16 unidades) provoca que el glicolípido durante la transición de fase tenga afinidad por la fase gel en lugar a la fase líquido cristalina. El coeficiente de partición de los derivados monoalquil manopiranósidos en tres vesículas (DODAC, POPC, DPPC), da cuenta que el factor hidrofóbico de los glicolípidos no es el único factor que gobierna esta interacción (vesícula-glicolípido). Finalmente, es posible caracterizar cómo se encuentran incorporados los glicolípidos en las vesículas a partir de la respuesta de la interacción con Concanavalina A (proteína que interacciona específicamente con manopiranosa). El aumento del largo de cadena hidrocarbonada en derivados monoalquil y dialquil manopiranósido promueve una incorporación más profunda del glicolípido en la interfase, impidiendo la interacción con la Concanavalina A. La incorporación de un extensor oxietilénico en los derivados dialquil manopiranósido favorece la exposición de la manopiranosa en la superficie y por lo tanto la interacción con Concanavalina A es más favorecida que en el caso de sus análogos sin extensor. El aumento en la hidrofobicidad de los derivados dialquil manopiranosido con un grupo extensor redice el número de conformaciones que desfavorecen la interacción con la lectina

The monosacharide mannose is a molecule present in a great number of biological membranes, in both, glycolipids or glycoproteins. The glycolipids are amphiphilic molecules, where the carbohydrate corresponds to the hydrophilic region and hydrocarbon chain to the hydrophobic region. Due to their amphiphilic nature, glycolipids in aqueous media, can self-assemble to form supramolecular aggregates (e.g., micelles, vesicles and liposomes). These aggregates have applications in membrane solubilization, drug delivery and liquid crystals. The carbohydrates located at the surface of cellular membranes are involved in processes like cell-cell recognition, cell-virus/bacteria interaction and cell-toxin, among others. In this research, 9 different alkyl derivatives of mannose (with one or two methylene chains) were synthetized. Two are the main goals related to this work: Study the ability to solubilize model membranes and study how the modification of the vesicle surface with these glycolipids modulates the specific interaction with lectins. For alkyl mannoside aggregates, the length of hydrocarbon chain directly affects structuration of both, interface and hydrocarbon chain region. Additionally, the longest monoalkyl mannoside (hexadecyl chain) is able form giant unilamellar vesicles. The derivatives with 12 and 16 methylene units do not have the capability to solubilize model vesicles, because their spontaneous curvature, coincides with the one of the matrix lipid. The incorporation of glycolipids to DODAC vesicles results in a decrease of bilayer phase transition temperature. The highest effect is observed when for the incorporation of the derivative with 12 methylene units. An increase in the hydrophobic balance (derivative with 16 methylene units) yields a glycolipid with increased affinity for the gel phase. The partition coefficient was evaluated for all monoalkyl mannoside derivatives in three different model vesicles (DODAC, DPPC and POPC). The results obtained indicate that not only the hydrophobic factor drives glycolipid incorporation into vesicles, but also interactions at interface and membrane structuration are involved. The incorporation of glycolipids to vesicles is expected to increase their specificity toward specific targets such as lectins, particularly in this case Concanavalin A; however, the degree of exposure of the carbohydrate moiety at the liposome surface is a crucial parameter to be considered and characterized for the interaction. Longer hydrocarbon chain in mono and di-alkyl derivatives favor a deeper insertion into the bilayer and hence mannose moiety is less exposed at the surface to interact with Concanavalin A