Quiñoá / Fernández-Megía / Estévez

NANOSTRUCTURES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

Supervised by Prof. Ricardo Riguera and Prof. Eduardo Fernández-Megía

Our research group is focused on the interface between organic and polymer chemistry with emphasis on the preparation of well-defined polymeric nanostructures for biomedical applications and the development of NMR tools for their characterization.

With this aim we rely on natural and synthetic polymers as well as on dendrimers. The efficient conjugation of these multivalent structures to ligands of biomedical interest opens the door to novel drug delivery and diagnosis agents. The characterization of the resulting nanostructures by NMR relaxation gives information on their structure and dynamics.

DENDRIMERS

Dendrimers are synthetic tree-like macromolecules of globular nature composed of repetitive layers of branching units. The multivalent presentation of chemical handles on their surface allows for their easy functionalization with carbohydrates and other biologically relevant ligands.

The resulting functionalized nanostructures have revealed as tools for the study of the multivalent carbohydrate receptor interaction (Surface Plasmon Resonance), the dynamics of dendrimers (NMR relaxation), and the preparation of polyion complex micelles and dendriplexes for drug and gene delivery applications.

Dendrimers have been also developed that interfere the aggregation of relevant HIV proteins and amyloid peptides, and as macromolecular contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI).

CHITOSAN AND DRUG DELIVERY

Chitosan (CS) is a natural polysaccharide characterized by a low toxicity and high biodegradability, that has plenty applications in the biomedical field. In order to understand the aggregation and dynamics of CS as a function of the degrees of acetylation and polymerization, fluorescence and rheology experiments have been performed that rule out the participation of the acetyl groups in the process.

With the aim of increasing the poor solubility of CS at physiological pH, our group has prepared PEG-grafted CS copolymers (CS-g-PEG) which combine the unique properties of CS and the solubility of PEG.

The decoration of CS-g-PEG with ligands by means of efficient coupling technologies allows the preparation of functionalized nanostructures for advanced applications in drug delivery as demonstrated in collaboration with various research groups worldwide.

NMR RELAXATION

The development of NMR tools for the characterization of polymers and polymeric nanostructures is another area of interest in our group. We have recently described the use of paramagnetic relaxation agents for the reduction of NMR acquisition times and the selective suppression of signals in the spectra of complex polymeric mixtures.

In addition, relaxation times can be exploited to gain relevant information about the relative dynamics of polymers and dendrimers. In the particular case of dendrimers, the characteristic distribution of transverse relaxation times (T2 shorter at the core than the periphery) can be exploited in T2-edited 1D and 2D NMR experiments for the stepwise filtering of internal nuclei according to their topology within the dendritic structure.

STIMULI-RESPONSIVE DYNAMIC POLYMERS: Helical Polymers, Sensors and Nanostructures

Supervised by Prof. Ricardo Riguera, Prof. Emilio Quiñoá and Prof. Félix Freire

(Ver vídeo "Nuevos Materiales Basados en Polímeros Helicoidales")

La posibilidad de controlar y cambiar la helicidad y elongación de polímeros a través de estímulos externos (temperatura, disolvente, luz, etc.) permite su utilización como sensores, dispositivos moleculares, catalizadores quirales y elementos de memoria, entre otras aplicaciones.

Para poder manipular la estructura de estos polímeros (por ej., elongación y sentido de giro), es necesario identificar los parámetros estructurales cruciales que hay que modificar para alcanzar los objetivos deseados a través de un diseño adecuado. El conocimiento de dichos parámetros requiere un gran dominio de las diferentes técnicas que permiten obtener datos estructurales sobre los polímeros helicoidales.

Además, es necesario estudiar los diferentes mecanismos de transmisión de las respuestas creada por los estímulos sobre el conjunto de unidades de repetición monoméricas, que pueden ser de tipo "amplificación de quiralidad", "inversión de helicidad", "efecto sargentos y soldados", "conflicto quiral", "coalición quiral", etc., dependiendo de si se trabaja con homopolímeros o con copolímeros.

En nuestro grupo de investigación estamos interesados en la nanoestructuración de estas macromoléculas y en la formación de materiales híbridos mediante su asociación  con nanopartículas metálicas, ADN o proteínas.

SELECCIÓN DEL SENTIDO HELICOIDAL Y ELONGACIÓN EN EL POLÍMERO

Hemos descrito el control reversible de la helicidad y elongación de polifenilacetilenos a través de química de coordinación dinámica e interacciones de tipo catión-p. La coordinación diferente y controlada de cationes metálicos a las unidades de repetición monoméricas en combinación con la activación/desactivación de interacciones supramoleculares, tales como las catión- p, permite generar múltiples estructuras helicoidales a partir de un único material de partida.

 Chem. Commun., 2017, 53, 8573              

NANOESTRUCTURACIÓN Y MATERIALES HÍBRIDOS

El empleo de iones metálicos para controlar el sentido de giro y la elongación de los polímeros helicoidales nos ha permitido generar nanoestructuras quirales de tamaño y quiralidad controlada, donde el ión metálico actúa como agente de entrecruzamiento.

Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 13720

Además, estamos estudiando el autoensamblaje de polímeros helicoidales para dar lugar a estructuras tridimensionales bien definidas: fibras, vesículas poliméricas, geles, etc.

La introducción de unidades de repetición monoméricas con grupos funcionales con capacidad de reconocimiento supramolecular nos permitirá estudiar la formación de nuevos materiales basados en la interacción entre cadenas poliméricas (estereocomplejos) o incluso la formación de materiales híbridos por asociación con biopolímeros —por ej., (péptido/DNA)/polímero helicoidal—.

Otra línea de investigación que estamos llevando a cabo es la formación de materiales híbridos formados por nanopartículas metálicas de oro o plata y los polímeros helicoidales con el objeto de estudiar las propiedades de estos sistemas y la formación de un plasmón quiral.

MECANISMOS DE COMUNICACIÓN ENTRE CO-MONÓMEROS DE UN COPOLÍMERO

La amplificación de un sentido de giro helicoidal mediante la copolimerización con un monómero quiral de un polímero axialmente racémico, formado por un monómero aquiral, es ampliamente conocida, siendo este fenómeno denominado “efecto Sargentos y Soldados”. En nuestro grupo de investigación estudiamos la activación del co-monómero quiral recurriendo al uso de estímulos externos.

Además, estamos interesados en conocer si estos mecanismos de comunicación entre monómeros se producen también en copolímeros quirales, analizando cómo las diferentes configuraciones absolutas del Sargento y del Soldado afectan y modulan a los distintos mecanismos de amplificación de quiralidad.

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 667

QUÍMICA DE CARBOHIDRATOS

Supervised by Prof. Juan Carlos Estévez Cabanas and by Prof. Ramón José Estévez Cabanas

La Química de carbohidratos es una potente herramienta sintética que permite el acceso a una gran variedad de moléculas polifuncionalizadas, principalmente polihidroxiladas, a las que es difícil llegar por otras vías sintéticas. Estas moléculas, en su mayoría carbociclos y heterociclos, presentan varios grupos funcionales dispuestos en una distribución espacial perfectamente definida, que no sólo pueden transformarse en otros grupos, sino que pueden ser fácilmente modulados en su polaridad simplemente protegiendo o desprotegiendo grupos hidroxilo. Debido a esta versatilidad, estas moléculas son una herramienta química con un gran potencial en áreas como la Química Biológica o la Química Médica; así como en el área de los Materiales Moleculares.
Nuestro grupo de investigación explora la generación de pequeñas moléculas polihidroxiladas con actividad biológica que incluyen: imonoazúcares, polioles y amidas polihidroxiladas. La síntesis de aminoácidos polifucionalizados, el estudio de su incorporación en péptidos (homooligómeros y heterooligómeros) y de la estructura secundaria de estos péptidos en disolución; compuestos totalmente novedosos en cuanto a sus propiedades estructurales y su aplicación en química médica y como nuevos materiales biológico y/o industriales.
También desarrollamos una línea de investigación sobre agentes gelificantes, (lipogeles e hidrogeles) basada en la síntesis de amidas y péptidos a partir de aminoácidos no naturales, polifuncionalizados o no, de interés en la administración de fármacos, la recuperación del agua contaminada, etc.
Dada la gran relación que nuestra investigación tiene con descubrir nuevas moléculas capaces de modificar el comportamiento del agua, empezamos a explorar un nuevo tema de investigación basado en la síntesis de moléculas capaces de Inhibir la rescristalización del hielo (IRI), un tema que, a nuestro entender, esta infrainvestigado en el sistema de investigación español, a pesar de su enorme importancia para el avance de la médicina y sus importantes aplicaciones industriales y medioambientales.

Pequeñas moléculas polihidroxiladas con actividad biológica

Partiendo de carbohidratos y otros productos comerciales polihidroxilados, como el ácido (-)-sikímico, se pueden generar compuestos biológicamente activos, principalmente iminoazúcares modificados, pero también aminoalcoholes polihidroxilados, polioles y amidas polifuncionalizadas, capaces de mejorar las propiedades de los ya existentes y/o ofrecer nuevas dianas terapéuticas para el tratamiento de enfermedades metabólicas, un tema de investigación en el que nuestro grupo ha realizado aportaciones de interés para la química médica, como la síntesis de:

•    La amida azabicíclica 1, un inhibidor de la integrasa de VIH, obtenida a partir del ácido (-)-sikímico.

•    El iminoazúcar 2 (un inhibidor de glicosidasas) obtenido a partir de D-glucosa.

•    El iminoazúcar de nueva generación 3, obtenido a partir del D-gliceraldehido.

T. Asym. 2015, 26, 320-23    Org. Lett. 2007, 9(4), 623-26

Actualmente, seguimos trabajando en esta línea de investigación explorando ahora una nueva estrategia basada en la transformación de azúcares como la D-Ribosa (4) en aminoácidos polihidroxilados 6b e iminoazúcares de segunda generación 6c, a través de sales de iminio 5 (Esquema 1).

Aminoácidos cicloalcánicos polisustituidos y sus oligómeros

Nuestro grupo de investigación también trabaja en la síntesis de nuevos amionácidos polisustituidos, preferentemente de naturaleza β- y γ-cicloalcánicos, así como en su incorporacion en sus homo- y heterooligómeros y el estudio de las propiedades de éstos, poniendo especial énfasis en sus propiedades de plegado en disolución (foldámeros). En este campo hemos encontrado resultados que, aunque preliminares, son de un extraordinario interés.

•    Así, hemos sintetizado los pentapéptidos 7a-c, constiuidos por β-aminoácidos ciclohexánicos sin sustitución y que intercalan un β-aminoácido ciclohexánico polisustituido (sintetizado en nuestro grupo de investigación a partir del ácido (-)-sikímico), demostrando que se estructuran en disolución dando lugar a una hélice-14, siendo esta la primera vez que se consigue una estructura helicoidal en agua con un oligómero polihidroxilado (7c. Figura 2). Este resultado, aunque preliminar, es importante porque dependiendo de la proporción de cada uno de los tipos de aminoácidos (sin sustitución y polihidroxilados) se pueden generar nuevas estructuras helicoidales de carácter anfifílico de enorme interés como nuevos materiales.

•    También hemos sintetizado los oligómeros 8a-c (Figura 3) constituidos por unidades de L-alanina y dos γ-aminoácidos ciclohexánicos polisustituidos (sintetizado en nuestro grupo de investigación a partir del ácido (-)-Sikímico), demostrando que estos péptidos muestran una gran tendencia a plegarse en forma de girο beta, otro de nuestros resultados preliminares de enorme interés de cara a la generación de proteínas artificiales.
Seguimos trabajando ahora en la implementación de estos resultados en la generación de péptidos más complejos que los anteriores, que mantengan las propiedades estructurales de éstos y puedan tener aplicación en la generación de nuevos materiales.

JOC 2018, 83, 1543-50    ACS Omega 2022, 7, 2002-14

Agentes gelificantes, (lipogeles e hidrogeles)

También desarrollamos una línea de investigación sobre agentes gelificantes, (lipogeles e hidrogeles) basada en la síntesis de amidas y péptidos de naturaleza cicloalcánica, con o sin sustitución en su sistema cíclico, de interés en la administración de fármacos, la recuperación del agua contaminada, etc. En este campo:

•    Hemos sintetizado las bisamidas 9 y 10 y estudiado su comportamiento como agentes gelificantes de diferentes disolventes. Ambas bisamidas han mostrado una capacidad de gelificación de moderada a buena en disolventes apolares, siendo especialmente relevante que los dos compuestos generen agregados quirales (Figura 4) a pesar de que uno de ellos es una molécula meso, un nuevo ejemplo de ruptura estocástica de la simetría inducida por la sonicación.

•    También desarrollamos aplicaciones basadas en las bisamidas 11-15 derivadas de ácidos trihidroxiciclohexano-1,2-dicarboxílicos (sintetizados en nuestro grupo de investigación a partir del ácido (-)-sikímico); cuyos grupos hidroxilo pueden estar libres o, alternativamente, presentar una protección total o parcial.
Estas amidas mostraron una relación entre su capacidad de gelificación y el patrón de sustitución de sus grupos hidroxilos. Mientras que los compuestos con grupos hidroxilos totalmente protegidos (11 and 12) son buenos organogelantes para los alcoholes (metanol, etanol, isopropanol), los organogelantes con uno o dos grupos hidroxilos libres (13 and 14) presentan una capacidad ambivalente para gelificar tanto disolventes apolares como polares. El compuesto con tres grupos hidroxilos libres (15) es insoluble en agua y en disolventes polares, incluidos los alcoholes, pero es capaz de gelificar disolventes de baja polaridad.
Este comportamiento aparentemente aleatorio pudo racionalizarse asumiendo que los compuestos con grupos hidroxilo totalmente protegidos adoptan un orden gerárquico basado en el fuerte enlace de hidrógeno entre los grupos amida de las moléculas del organogelador (Modelo a. Figura 5). Mientras que los compuestos de grupos hidroxilo parcial o totalmente desprotegidos pueden adoptar la estructura anterior o una completamente distinta basada en el fuerte enlace de hidrógeno entre los grupos hidroxilo libres de las moléculas del organogelante (Modelo b. Figura 5), dependiendo de la polaridad del disolvente.

Eurojoc 2017, 23, 3357–3365    Molecules 2019, 24, 352

Seguimos trabajando en este campo de nuevos lipogeles e hidrogeles explorando el comportamiento de diferentes amidas con estructura cicloalcánica.

Inhibición la rescristalización del hielo (IRI)

Resultados más preliminares, pero sumamente interesantes, son los que estamos obteniendo en la nueva línea de investigación iniciada por nuestro grupo basada, como en el caso de los hidrogeles, en la modificación de las propiedades del agua.
Se trata de la generación de nuevas moléculas capaces de inhibir la recristalización del hielo (agentes IRI), un campo de investigación de enorme interés para la medicina, pero también para alimentación y otras áreas como el medio ambiente.
Proyecto que comenzamos con la quimioteca de alquilamidas (16a-d), sintetizadas en nuestro grupo de investigación a partir del ácido (-)-sikímico), y el estudio de sus propiedades IRI. Esto nos permitió demostrar que la octilamida 16b (Fig 6) inhibe un 49% la recristalización del hielo; un resultado importante de cara al trabajo que estamos desarrollando ahora con la implementación de derivados de esta molécula con mejores propiedades IRI.