Badanie oddziaływań molekularnych DPM w terapii cukrzycy typu 2

Jakie są podstawy badania oddziaływań molekularnych DPM?

Badanie przeprowadzone przez zespół naukowców z Bangladeszu stanowi kompleksową analizę termodynamiczną i spektroskopową oddziaływań molekularnych dapagliflozyny propanediol monohydratu (DPM) – inhibitora SGLT-2 stosowanego w leczeniu cukrzycy. Naukowcy zbadali zachowanie DPM w układach binarnych (DPM + woda) oraz ternarnych (DPM + D-(+)-glukoza + woda) w różnych stężeniach i temperaturach.

W badaniu zastosowano szereg metod analitycznych, w tym pomiary gęstości, prędkości dźwięku, lepkości, współczynnika załamania światła oraz spektroskopię korelacji fotonowej. Stężenia DPM wybrano w zakresie od 0,5366 × 10^-4 do 3,2284 × 10^-4 mol/kg, odpowiadającym dawkom terapeutycznym 10-20 mg, natomiast stężenia glukozy w zakresie od 2,8014 × 10^-3 do 28,2558 × 10^-3 mol/kg, co odpowiada poziomom glukozy we krwi od 50 do 500 mg/dl. Badania przeprowadzono w temperaturach od 293,15 do 333,15 K (20-60°C), obejmując zarówno temperaturę pokojową, jak i temperaturę ciała ludzkiego.

Jakie zmiany obserwuje się w roztworach binarnych DPM + woda?

W układach binarnych DPM + woda, pozorna molowa objętość (Φ_V) DPM wykazywała zróżnicowane zachowanie w zależności od stężenia. Przy niskich stężeniach (0,5-1,5 × 10^-4 mol/kg) obserwowano gwałtowny spadek Φ_V, podczas gdy przy wysokich stężeniach (2,5-3,5 × 10^-4 mol/kg) spadek był mniej wyraźny. Dodatnie wartości Φ_V wskazują na silne oddziaływania DPM-woda, natomiast ujemne wartości współczynnika nachylenia (S_V) sugerują, że oddziaływania DPM-DPM są słabsze niż oddziaływania DPM-woda.

Badania akustyczne wykazały, że DPM modyfikuje strukturę wody w różny sposób w zależności od stężenia i temperatury. Przy niskich i wysokich stężeniach DPM działa jako czynnik strukturujący wodę, natomiast przy stężeniach pośrednich jako czynnik destabilizujący strukturę wody. Podobnie, przy niskich (290-300 K) i wysokich (325-335 K) temperaturach DPM wykazuje działanie strukturujące, a przy temperaturach pośrednich (300-325 K) – destabilizujące.

Analiza lepkości przy użyciu równania Jonesa-Dole’a potwierdziła, że współczynnik B przyjmuje wartości ujemne, co wskazuje na dominację właściwości destabilizujących strukturę wody. Wartości termodynamicznych parametrów aktywacji przepływu lepkiego (ΔG, ΔS, ΔH) wskazują, że oddziaływania DPM-woda w stanie podstawowym są silniejsze niż w stanie przejściowym, co wpływa na właściwości przepływu roztworu.

Liczba hydratacji (n_h) DPM, określająca liczbę cząsteczek wody związanych z każdą cząsteczką DPM, wykazywała początkowo gwałtowny spadek, następnie osiągała minimum, po czym nieznacznie wzrastała wraz ze zmianami stężenia. Przy bardzo niskich stężeniach n_h była wyższa, co wskazuje na uwalnianie cząsteczek wody z otoczek hydratacyjnych do fazy objętościowej wraz ze wzrostem stężenia DPM, sprzyjając tworzeniu dużych agregatów. Dalsze dodawanie DPM powodowało ponowne rozbijanie tych agregatów, a więcej cząsteczek wody przyłączało się bezpośrednio do poszczególnych cząsteczek DPM.

Badania spektroskopowe w bliskiej podczerwieni (NIR) potwierdziły, że maksima absorpcji przesuwają się do obszaru wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem temperatury w zakresie niskich temperatur, natomiast nie obserwowano znaczącego przesunięcia w zakresie wysokich temperatur. Analiza dwuwymiarowych widm korelacyjnych NIR wykazała, że liczba i siła wiązań wodorowych między cząsteczkami wody wzrasta wraz ze wzrostem stężenia DPM.

Czy glukoza modyfikuje oddziaływania DPM?

W układach ternarnych DPM + D-(+)-glukoza + woda zaobserwowano, że glukoza modyfikuje oddziaływania DPM z wodą. Przy niskich stężeniach glukozy (do około 10 × 10^-3 mol/kg) obserwowano uwalnianie cząsteczek wody z otoczki hydratacyjnej DPM, podczas gdy przy wyższych stężeniach glukozy cząsteczki wody ponownie otaczały DPM. Ujemne wartości transferowej cząstkowej objętości molowej (Δ_trΦ_V⁰) wskazują, że oddziaływania hydrofobowo-hydrofobowe i hydrofilowo-hydrofobowe między DPM a glukozą przeważają nad oddziaływaniami hydrofilowo-hydrofilowymi.

W układach ternarnych obserwowano również, że wartości współczynnika B w równaniu Jonesa-Dole’a są dodatnie, co wskazuje na strukturujący wpływ DPM w obecności glukozy. Dodatnie wartości energii swobodnej Gibbsa (ΔG) dla przepływu lepkiego wskazują na niespontaniczną i niekorzystną solwatację DPM w roztworach binarnych glukoza-woda. Wzrost wartości ΔG wraz ze wzrostem stężenia glukozy sugeruje zwiększenie asocjacji cząsteczek wody wokół DPM.

Co mówią badania dynamiczne i analiza molekularna?

Badania spektroskopii korelacji fotonowej (DLS) wykazały, że w układach binarnych rozmiar agregatów zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury do pewnej wartości, a następnie ponownie wzrasta przy wyższych temperaturach. W układach ternarnych rozmiar agregatów wzrastał wraz ze wzrostem stężenia glukozy, co potwierdza właściwości strukturujące glukozy w tych układach. Przy stężeniu DPM wynoszącym 1,0896 × 10^-4 mol/kg obserwowano tworzenie agregatów o rozmiarach około 200, 250 i 500 nm w obecności glukozy o stężeniach odpowiednio 5,6461 × 10^-3, 8,5024 × 10^-3 i 11,2240 × 10^-3 mol/kg.

Na poziomie molekularnym, w układach binarnych, przy niskich stężeniach DPM uwalnia się duża liczba cząsteczek wody, a wraz ze wzrostem stężenia uwalnia się ich mniej. Przy średnich stężeniach DPM jest otoczony przez więcej cząsteczek wody. Przy dalszym wzroście stężenia DPM, cząsteczki wody są skuteczniej uwalniane z otoczek hydratacyjnych. W układach ternarnych, gdy dodaje się małe ilości glukozy, uwalnia ona cząsteczki wody z otoczki hydratacyjnej DPM. Przy dalszym dodawaniu glukozy, jej cząsteczki tworzą agregaty, pozwalając cząsteczkom wody ponownie otoczyć cząsteczki DPM.

Jakie znaczenie mają wyniki dla terapii cukrzycy typu 2?

Wyniki badań mają istotne znaczenie dla zrozumienia zachowania DPM w warunkach fizjologicznych. DPM wykazuje złożone oddziaływania z wodą i glukozą, które zależą od stężenia i temperatury. Przy niskich i wysokich stężeniach DPM działa jako czynnik destabilizujący strukturę wody, a przy stężeniach pośrednich jako czynnik stabilizujący. Oddziaływania te mogą wpływać na biodostępność i skuteczność terapeutyczną leku w organizmie.

Zrozumienie molekularnych mechanizmów oddziaływań DPM z glukozą i wodą może przyczynić się do optymalizacji formulacji leku i schematów dawkowania, co może prowadzić do poprawy skuteczności terapii cukrzycy typu 2 przy użyciu inhibitorów SGLT-2.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania skupiały się na analizie termodynamicznej i spektroskopowej oddziaływań molekularnych dapagliflozyny propanediol monohydratu (DPM) w układach binarnych i ternarnych. W układach binarnych DPM + woda zaobserwowano, że lek wykazuje różne właściwości w zależności od stężenia i temperatury, działając jako czynnik strukturujący lub destabilizujący wodę. Badania wykazały silne oddziaływania DPM-woda oraz słabsze DPM-DPM. W układach ternarnych z glukozą zaobserwowano modyfikację oddziaływań DPM z wodą, gdzie przy niskich stężeniach glukozy następowało uwalnianie cząsteczek wody z otoczki hydratacyjnej DPM, a przy wyższych stężeniach proces ten ulegał odwróceniu. Badania spektroskopowe i dynamiczne potwierdziły tworzenie się agregatów o różnych rozmiarach w zależności od warunków. Wyniki badań mają istotne znaczenie dla zrozumienia zachowania DPM w warunkach fizjologicznych i mogą przyczynić się do optymalizacji terapii cukrzycy typu 2.