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Theoretical study of the formation of inclusion complexes between a set of flavonoids and β-cyclodextrins, pure and modified.
Maria Clara Ferrazani Santos
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
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- Flavonoids can act to prevent SARS-CoV-2 through inhibition of human host cell enzymes, such as furin and transmembrane serine protease II (TMPRSS2), which are fundamental in the viral infection process.
- Most flavonoids have low water solubility. One of the strategies to solve this problem is the formation of inclusion complexes between flavonoids and cyclodextrins (CDs).
- The work presented here aims to investigate the stability of inclusion complexes between flavonoids and CDs, pure and modified, in gas phase and in aqueous medium, making use of the density functional theory (DFT) associated with the tight-binding approximation (DFTB).
- The optimization of FLV/CD was first performed with the DFTB method, and their coordinates were used as starting point to DFT calculation. In the DFT step, the calculations were done using B3LYP/6-31G(d,p) methodology. As second step, the optimized complexes were submitted to Self-Consistent Reaction Field (SCRF) calculation using SMD keyword. The complexation energy was calculated using counterpoise method to perform BSSE.
- The calculated complexation energy (Ecp) for the FLVs/βCD complexes follows the increasing order: HBT<QRT<LUT, with values of 4.9, 7.1 and 9.5 kcal mol-1, respectively. The number of intermolecular H-bonds produced into of each complex is: QRT=4, HBT=4 and LUT=2.
- When the complexes are submitted to water implicit solvation through IEFPCM model, the calculated ∆Gsolv is: –109.0, –110.0 and –112.8 kcal mol-1, for QRT, LUT and HBT, respectively. The DFT calculations using the Methyl-β-CD are already in progress.
Luiz Antônio S. Costa
Cara Maria Clara, como vai? Parabéns pelo trabalho.
Você acredita que outros sistemas de inclusão, por exemplo, usando calixarenos poderiam ser usados?
Por que você usou primeiro o DFTB? Qual a vantagem ou diferença em usar os resultados DFT direto ou com DFTB como
cálculo preliminar?
Obrigado.
Gabriel Libanio Silva Rodrigues
Olá Maria Clara! Primeiramente parabéns pelo trabalho! Tenho algumas dúvidas. Quando você menciona um cálculo posterior SCRF com keyword SMD o que você quer dizer? No meu entendimento parece que a inclusão do solvente a partir do modelo "Reaction Field" foi feito posteriormente ao cálculo DFT, é isso? Minha outra dúvida é: qual é esse modelo de solvatação do Truhlar e qual sua relação com os cálculos SCRF?
Maria Clara Ferrazani Santos
Boa noite Gabriel! Muito obrigada! Bom, o PCM (Polarizable Continuum Model) usando a variante de formalismo de equação integral (IEFPCM) é o método SCRF padrão, responsável por criar a cavidade do soluto por meio de um conjunto de esferas sobrepostas. Ele foi inicialmente desenvolvido por Tomasi, Pascual-Ahuir e colegas de trabalho de ambos. Foi desenvolvido no gaussian pelos grupos Tomasi, Barone e Mennucci, bem como pesquisadores e colaboradores do Gaussian. Este modelo corresponde a SCRF = PCM. O Gaussian também oferece a variação SMD do IEFPCM, proposta por Truhlar e colaboradores, através da opção SMD. Esta é a opção recomendada pelo próprio gaussian para calcular ΔG de solvatação, pois, o SMD inclui correções (cavitação, dispersão e efeitos de estrutura do solvente), enquanto o PCM não. O SMD distorce e reorienta as estruturas otimizadas de gás muito mais do que o PCM, além de fornecer energias de solvatação mais precisas em comparação ao PCM. Sendo assim, o SMD fornece ΔG's de solvatação muito mais confiáveis do que o PCM. Sim, a inclusão do solvente a partir do modelo SCRF foi realizada posteriormente ao cálculo DFT. Esse modelo de solvatação de Truhlar, que é representado pela keyword SMD, é a própria variação do IEFPCM. A relação é justamente que os cálculos SCRF poderiam ser realizados usando o PCM ou o SMD. Agradeço muito pela sua contribuição e interesse. Atenciosamente, Maria Clara.
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Maria Clara Ferrazani Santos
Boa noite Luiz Antônio. Muito obrigada! Acredito que sim. Pesquisei rapidamente sobre os calixarenos e as suas aplicações na área farmacológica, como por exemplo controle da liberação de medicamentos usados no tratamento do câncer e melhoria da solubilidade da testosterona e fármacos anti-helmínticos. São compostos muito versáteis, capazes de variar em tamanho, forma, grupos funcionais e hidrofobicidade e de reconhecer moléculas com atividade biológica sem causar citotoxicidade. Eles apresentam alta estabilidade térmica e química, baixa solubilidade em solventes orgânicos e baixa toxicidade, o que permite sua aplicação como drug delivery, que é um dos motivos pelo qual escolhemos a beta-ciclodextrina como hospedeira. O diâmetro da cavidade do calixareno é de aproximadamente 8,64 Å, o que é maior do que o diâmetro da cavidade da beta-ciclodextrina, o que teoricamente facilitaria a formação dos complexos de inclusão com os flavonóides. Além disso, ficou bem clara a sua capacidade hospedeira e de transporte de moléculas de modo seletivo, o que os torna bem interessantes. Entretanto, calixarenos sem substituintes são insolúveis em água. Pelo que vi, eles apresentam menos hidroxilas na sua estrutura (cerca de 4 hidroxilas). Esse pode ser um fator que dificultaria a sua utilização como excipiente no organismo. Preciso pesquisar mais sobre a capacidade dos calixarenos em aumentar a solubilidade dos flavonóides e de sequestrar moléculas de colesterol, já que esse sequestro é essencial para prejudicar o processo de adesão do SARS-Cov-2 na célula hospedeira. De qualquer forma, sua colocação foi de muita relevância, valendo muito a pena testar os calixarenos e realizar uma pesquisa bibliográfica mais abrangente. Eu utilizei primeiro o DFTB para realizar uma pré-otimização, de modo que os resultados do DFTB foram utilizados como pontos de partida melhores para otimizar os complexos de inclusão com o DFT, que é um método mais acurado. A vantagem em usar os resultados com DFTB como cálculo preliminar foi a redução significativa do custo computacional.
Agradeço muito pela sua contribuição e interesse.
Atenciosamente,
Maria Clara.