Materiales metalorgánicos porosos con comportamiento dual en detoxificación de compuestos organofosforados y reactivación de acetilcolinesterasa

Abstract

La erradicación del hambre es uno de los principales retos del siglo XXI, algo que requiere incrementar enormemente la producción de los cultivos actuales y con ello el uso de pesticidas. Entre los principales tipos de pesticidas se encuentran los compuestos organofosforados (OPs, del inglés Organophosphorus compounds) que, si bien se encuentran regulados por la Unión Europea, se utilizan ampliamente y suponen un gran riesgo para la salud humana y el medio ambiente. Desgraciadamente, también se ha incrementado el uso de otra clase de compuestos organofosforados, los agentes de guerra química (CWAs, del inglés Chemical Warfare Agents) de tipo nervioso.

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Los OPs resultan especialmente tóxicos dado que, una vez se introducen en el organismo, su carácter lipofílico les permite atravesar diversos tejidos, entre ellos la barrera hematoencefálica (BBB, del inglés Blood-Brain Barrier), pudiendo llegar al cerebro donde inhiben a la enzima acetilcolinesterasa (AChE) al unirse a su centro activo. Esta enzima posee un papel imprescindible en la transmisión del impulso nervioso, ya que se encarga de regular la concentración del neurotransmisor acetilcolina (ACh) en la sinapsis nerviosa. Si la AChE no es capaz de llevar a cabo su función, se produce una acumulación de la ACh que provoca la saturación de los receptores neuronales asociados. De esta forma, tiene lugar una transmisión continua del impulso nervioso que, en última instancia, produce la muerte.

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Actualmente, el tratamiento principal para la intoxicación por OPs incluye la administración de agentes reactivadores de la AChE como las oximas, capaces de romper el enlace fosfoéster entre el OP y la enzima AChE y con ello reactivar dicha enzima. Sin embargo, este tratamiento presenta distintas limitaciones, entre ellas un bajo rendimiento terapéutico consecuencia de que la administración de oxima no se produce de forma controlada y continua. A este respecto, la utilización de tratamientos alternativos como la administración de esterasas, capaces de reemplazar la actividad de la AChE inhibida y/o actuar a modo de sumideros de OPs, podrían ser una alternativa válida. De esta forma, resulta de especial importancia desarrollar materiales que sirvan para el transporte y liberación de manera controlada de esta clase de antídotos frente a la intoxicación por OPs (p.ej., oximas y biomoléculas). Con respecto a esto, el uso de redes metal-orgánicas(MOFs), que son materiales poros cristalinos constituidos por núcleos metálicos unidos por ligandos orgánicos, o de los poliedros metal-orgánicos (MOPs), sus análogos moleculares, podría ser una opción viable en el tratamiento de la intoxicación por OPs. ¶¶

Estos materiales pueden presentar una elevada porosidad hacia la captura de compuestos tóxicos (p.ej., OPs), así como hacia el almacenaje y liberación de agentes terapéuticos. A su vez, algunos de estos materiales, en particular los formados por Zr(IV), presentan una actividad catalítica elevada frente a la degradación hidrolítica de OPs. ¶¶

En este contexto, en esta Tesis Doctoral se plantea el uso de MOFs y MOPs como sistemas duales en la captura y/o degradación de OPs y el transporte y liberación de fármacos (oximas) y/o biomoléculas (enzimas tipo esterasa) para el tratamiento de la intoxicación por OPs.

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En resumen, en esta Tesis Doctoral se ha sintetizado un material híbrido novedoso formado por una oxima y un MOF de Zr(IV) capaz de actuar como agente dual en el tratamiento de la intoxicación por compuestos organofosforados. De manera similar, se han sintetizado distintas cajas moleculares catiónicas de Zr(IV) (Zr-MOPs) así como un material híbrido constituido por una oxima y un Zr-MOP, capaz también de servir como sistema dual en la intoxicación por organofosforados. Es más, se ha incrementado la biocompatibilidad de dicho material híbrido mediante la realización de liposomas de fosfatidilcolina no neurotóxicos. Por otra parte, se han sintetizado diversos ZIFs mediante ligandos imidazólicos de nucleofilicidad creciente y se ha llevado a cabo un estudio comparativo, en función de sus diferentes características fisicoquímicas, respecto a su capacidad para detoxificar agentes nerviosos tipo G y reactivar la enzima AChE. Finalmente, a modo de prueba de concepto, se ha desarrollado un material híbrido formado por una esterasa y un ZIF.

The eradication of hunger is one of the main challenges of the 21st century, something that requires an enormous increase in the production of current crops involving the use of pesticides. One of the most common types of pesticides are organophosphorus compounds (OPs) which, although regulated by the European Union, are widely used and pose a great risk to human health and the environment. Unfortunately, there has also been an increase in the use of another class of organophosphorus compounds, the nerve-type chemical warfare agents (CWAs). OPs are particularly toxic because, once they are introduced into the body, their lipophilic nature allows them to cross various tissues, including the blood-brain barrier (BBB), ultimately reaching the brain where they inhibit the enzyme acetylcholinesterase (AChE) by binding to its active center. This enzyme plays an essential role in nerve impulse transmission, as it is responsible for regulating the concentration of the neurotransmitter acetylcholine (ACh) at the nerve synapse. If AChE is not able to carry out its function, an accumulation of ACh occurs, causing saturation of the associated neuronal receptors. Thus, a continuous transmission of the nerve impulse takes place, which ultimately leads to death. Currently, the main treatment for OPs poisoning involves the administration of AChE reactivating agents such as oximes, which can break the phosphoester bond between the OP and the AChE, reactivating the enzyme. However, this treatment has several limitations, including a low therapeutic yield because oxime administration does not occur in a controlled and continuous manner. For this reason, the use of alternative treatments such as the administration of esterases, capable of replacing the inhibited AChE activity and/or acting as OPs sinks, could be a valid alternative. Thus, it is of particular importance to develop materials that are able to transport and release in a controlled manner this class of antidotes (e.g., oximes and biomolecules) against OPs poisoning. In this regard, the use of metal-organic frameworks (MOFs), which are crystalline porous materials consisting of metal clusters bound by organic ligands, or metal-organic polyhedra (MOPs), their molecular analogs, could be a viable option in the treatment of OP poisoning. These materials can exhibit high porosity, which improves the capture of toxic compounds (e.g., OPs) and the storage/release of therapeutic agents. In turn, some of these materials, in particular those with Zr(IV), present a high catalytic activity in the degradation of OPs.

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In this context, this Doctoral Thesis proposes the use of MOFs and MOPs as dual systems for the capture and/or degradation of OPs and the transport/release of drugs (oximes) and/or biomolecules (esterase enzymes) for the treatment of OP poisoning.

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In summary, in this Doctoral Thesis a novel hybrid material consisting of an oxime and a Zr(IV) MOF, capable of acting as a dual agent in the treatment of organophosphorus poisoning, has been synthesized. Similarly, different cationic Zr(IV) molecular cages (Zr- MOPs), as well as a hybrid material based on an oxime and a Zr-MOP, capable of serving as a dual system in OPs have been synthesized. Moreover, the biocompatibility of such hybrid material has been increased by its incorporation into non-neurotoxic phosphatidylcholine liposomes. Moreover, several ZIFs have been synthesized using imidazole ligands of increasing nucleophilicity. Also, a comparative study has been carried out, based on their different physicochemical characteristics according to their ability to detoxify G-type nerve agents and reactivate AChE. Finally, as a proof of concept, a hybrid material consisting of an esterase enzyme and a ZIF has been developed.