Investigating drug loading on LTA- and MFI-type zeolites using computational and experimental approaches

Abstract

Kontrollü ilaç salım sistemleri son yıllarda en çok çalışılan biyomedikal uygulamalardan biridir. Topikal tedavi yöntemlerinde, hastaların verilen tedaviyi bilinçsiz uygulamaları nedeniyle ciddi yan etkiler ortaya çıkabilir; bazı durumlarda yan etkiler doku kaybı ve kemik dejenerasyonu gibi ciddi seviyelere varabilir. Bu yan etkiler, kontrollü ilaç salım sistemlerinin önemini vurgulamaktadır. Günümüzde, malzeme bilimi ve biyoteknolojideki gelişmelerle birlikte, belirli bir zaman süresinde, belirli dozda ilacın hedef dokuya veya organa kontrollü salımı sağlanabilir. Genel olarak kontrollü ilaç salım sistemlerinde, emülsiyonlar, dendrimerler, miseller, organik ve inorganik mikro ve nanoparçacık sistemler, nanotüpler, lipozomlar, virozomlar, metal-organik kafesler (MOF), hidrojeller ve polielektrolit çoklu tabakalar gibi çeşitli bileşenler ilaç taşıyıcıları olarak kullanılmaktadır. Bu noktada, geniş yüzey alanına, yüksek gözenek hacmine ve biyouyumluluğa sahip olan zeolitler de ilaç taşıyıcı sistemler olarak değerlendirilebilir.Bu tezin amacı, zeolitlerin farklı ilaç moleküllerinin yüklenmesi ve kontrollü salımı için uygunluğunu ortaya çıkarmaktır. İlk olarak hesaplamalı yöntemler sonra deneysel yaklaşımlar, spesifik ilaç moleküllerinin yüklenmesi için zeolitlerin uygunluğunu belirlemek için kullanılmıştır. İlaç yüklemesi için incelenen sistemler sırasıyla mikro-gözenekli LTA (zeolit A) ve MFI (ZSM-5)'dir. İncelenen ilaçlar ise teofilin ve lokal anestezikler olan prokain (protonlu ve protonsuz), tetrakain ve dibükaindir. Hesaplamalı kısımda ilk aşamada, teofilin, prokain (protonlu ve protonsuz), tetrakain ve dibükain moleküllerinin ve LTA- ve MFI-tipi konakçı zeolitlerin yapıları modellenmiştir. İlaç moleküllerinin üç boyutlu yapıları Zinc veri tabanından elde edilmiştir. İlaç moleküllerinin geometri optimizasyonları, çözücü (su) ortamının etkisinde Gaussian 09 programında B3LYP fonksiyonel seviyesi ve 6-31+G(d,p) baz seti esas alınarak yapılmıştır. Sonra, optimize olmuş ilaç yapılarının kısmi atomik yükleri Materials Studio (MS) yazılımında QEq yük dengeleme metodu kullanılarak hesaplanmıştır. LTA- ve MFI-tipi zeolitlerin birim hücre yapıları MS yazılımı veri tabanından elde edilmiştir; yapılar yüzey veya gözenekli yapı olarak modellenmiş ve QEq yük dengeleme metodu kullanılarak kısmi atomik yükleri hesaplanmıştır. Mikro-gözenekli yapıya sahip olan LTA-tipi zeolitin gözenekleri içine ilaç yüklenmesi zor olduğu için, (1 0 0) yüzeyi inşa edilmiştir. MFI-tipi zeolit hem (1 0 0) yüzey hem de (2×2×2) süper-hücre olarak modellenmiştir. Zeolitler yapılarında katyon bulundurabildikleri için, LTA (1 0 0) yüzeyi Na+ ve Zn+2 iyonları, MFI (1 0 0) yüzeyi ise Na+ iyonları ile modellenmiştir. Böylelikle farklı iyonik veya iyonik olmayan LTA- ve MFI-tipi zeolitlerin ilaç yükleme/salım sistemleri için uygunlukları karşılaştırılmıştır. Modellenen zeolit yapılarının enerjileri Universal kuvvet alanı (UFF) kullanılarak minimize edilmiştir. Daha sonra yapılan tüm simülasyonlarda yine bu kuvvet alanı kullanılmıştır. MS-Sorption-Sabit Yükleme modulü aracılığıyla, Canonical Monte Carlo (MC) yöntemi ile MFI-tipi zeolitin (2×2×2) süper-hücre gözeneklerine prokain (protonlu ve protonsuz) ve tetrakain adsorplanmıştır. Bu çalışmalarda, MFI gözeneklerinin alabileceği maksimum ilaç yükleme miktarı tahmin edilmiş ve izosterik adsorpsiyon ısı değerleri hesaplanmıştır. MS- Adsorption Locator modülü aracılığıyla, MC/simulated annealing tekniği ile teofilin LTA-tipi zeolit yüzeyine, lokal anestetik ilaçlar (protonlu prokain, protonsuz prokain, tetrakain ve dibükain) ise MFI-tipi zeolit yüzeyine adsorplanmıştır. Bu simülasyonların sonunda, ilaçların hangi bölgelere adsorplandığı bilgisi elde edilmiş ve izosterik adsorpsiyon ısıları hesaplanmıştır. Teofilin, modellenen nötr, Na+ iyonlu ve Zn+2 iyonlu sistemler ile LTA (1 0 0) yüzeylerine ayrı ayrı adsorbe edilmiş, incelenen her sistem için izosterik adsorpsiyon ısı değerleri hesaplanmıştır. Zn+2 yüklü LTA, Na+ yüklü LTA yüzeyine kıyasla teofilin ile daha güçlü etkileşimler yapmıştır. Bu etkileşimler bağ içermeyen elektrostatik ve van der Waals etkileşimleridir. Bu sonuçlar, daha evvel grubumuzda geliştirilmiş pektin-LTA temelli sistemlere teofilin yükleme ve kontrollü salımına ait deneysel bulgular ile örtüşmektedir.Prokain (protonlu ve protonsuz), tetrakain ve dibükain gibi lokal anestezik ilaçlar, hem MFI (2×2×2) süper hücre gözeneklerine hem de Na+ iyonlu/iyonsuz MFI (1 0 0) yüzeylerine adsorbe edilmiştir. İyonsuz ve Na+ iyonlu MFI (1 0 0) yüzeylerindeki adsorpsiyon hesaplamaları, bu lokal anestezik özellikli ilaçların benzer izosterik adsorpsiyon ısı değerlerine sahip olduğunu göstermektedir. Ek olarak, izosterik adsorpsiyon ısı değerleri, incelenen lokal anesteziklerin kontrollü bir şekilde salınacağına işaret etmektedir. Ayrıca, protonlanmış/protonlanmamış prokainin ve tetrakainin MFI (2×2×2) süper hücre yapısı üzerine adsorpsiyonu da simüle edilmiştir. Hesaplamalı çalışmalar, MFI-tipi zeolitin, prokain ve tetrakainin yüklenmesinde ve kontrollü salımında kullanılabileceğini göstermiştir. Prokain-MFI (2×2×2) süper hücre sisteminin izosterik adsorpsiyon ısı değerleri, tetrakain-MFI (2×2×2) süper hücre sistemine benzer olduğu kaydedilmiştir. Maksimum ilaç yükleme miktarı, tetrakain-MFI (2×2×2) süper hücre ve protonlanmış prokain-MFI (2×2×2) süper hücre sistemlerinde birbirine yakın bulunmuştur. Bununla birlikte, dibükain sterik engel nedeniyle MFI (2×2×2) süper hücrenin dar gözeneklerine adsorbe edilememiştir. MFI (1 0 0) yüzeyine adsorplanmış prokain ve MFI (2×2×2) süper hücre üzerine adsorplanmış prokain sistemlerinin dinamiği, açık suda tüm atom moleküler dinamiği (MD) simülasyonları kullanılarak çalışılmıştır. Burada, MC simülasyonlarından elde edilen en düşük enerjili (en uygun) prokain-MFI konfigürasyonları MD simülasyonlarının başlangıç konfigürasyonları olarak kullanılmıştır. MD simülasyonları 298 K ve NVT grubunda (sabit molekül sayısı, sabit hacim, sabit sıcaklık) gerçekleştirilmiştir. Toplam simülasyon süresi MFI (1 0 0) yüzey ve MFI (2×2×2) süper hücre yapıları için sırasıyla 5 ve 10 nanosaniyedir. MD simülasyonlarında prokainin MFI yüzeyi üzerinde diffüzyon yaptığı ancak yüzeyde erişilebilir kavitelere girebildiği ve buralarda enerjik olarak tutulduğu kaydedilmiştir. Öte yandan, MFI tipi zeolitin dar gözeneklerinde prokain serbest bir şekilde difüzyon gerçekleştiremediği görülmüştür. Bu bulgu, MFI gözeneklerine prokain yüklemesinin çok yavaş olacağı anlamına gelmektedir.Tez çalışmasının deneysel kısmında, prokainin MFI-tipi zeolite yükleme deneyleri 25 °C'de pH 6,4 ve 8,9 koşullarında gerçekleştirilmiştir. Bu pH değerleri prokainin sırasıyla protonlu ve protonsuz olduğu koşullara göre seçilmiştir. Yapılan MD simülasyonlarında, protonlu prokainin protonsuz yapıya göre daha fazla kapalı konformasyonda durduğu not edilmiştir. İlacın açık ve kapalı konformasyonları ilacın faklı üç-boyutlu yapılarına denk gelmektedir. Yüklenen ilaç konsantrasyonu, bir LAMBDA 1050 UV/Vis Spektrofotometresi kullanılarak zeolit ilaç süspansiyonundan periyodik olarak 25 gün boyunca gözlenmiştir. pH 6,4'te ilaç yükleme miktarı düşük bulunmuştur. Protonlanmış prokain bu pH değerinde çoğunlukla kapalı bir konformasyonda olduğu için MFI gözeneklerine adsorplanma süresinin uzadığı vargısına varılmıştır. Birbirini takip eden hesaplamalı ve deneysel çalışmalar prokainin yükleme miktarının, MC simülasyonundan sonra elde edilen MFI (2×2×2) süper hücresinin maksimum ilaç kapasitesine benzer olduğunu ve daha önemlisi, MFI-tipi zeolitin düşük bir ilaç taşıma kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir. Uzun yükleme süresi, prokainin adsorpsiyon ve difüzyon davranışının MFI-tipi zeolitin dar gözeneklerinde kısıtlandığını gösteren MD simülasyonları ile desteklenmiştir. İlaç taşıma kapasitesi az olsa da MFI-tipi zeolit prokaini yüzeyinde güçlü bir şekilde tutabildiğinden ötürü kontrollü ilaç salım sistemlerinde kullanılabilir.

Controlled drug release systems are one of the most studied biomedical applications in recent years. Traditional treatment methods can have serious side-effects due to unconscious usage by patients and can even lead to tissue loss and bone degeneration. These side effects underline the importance of controlled drug release. Today, with the developments in materials science and biotechnology, the controlled release of drugs to the target tissue or organ at a given time and dose can be achieved. Zeolites, which have a large surface area, high pore volume, and biocompatibility, can be used as carriers in drug delivery systems.This thesis aims to investigate porous zeolites as controlled drug delivery systems, with different drug molecules. First, computational methods then experimental approaches were used to determine the suitability of the zeolites for the loading of specific drug molecules. The investigated frameworks for drug loading were LTA (zeolite A) and MFI (ZSM-5). The investigated drugs were theophylline and local anesthetic drugs, namely procaine (protonated/deprotonated), tetracaine, and dibucaine. In the computational part, the structures of drug molecules and the host frameworks were modeled. The three-dimensional structures of the drug molecules were obtained from the Zinc database. The geometry optimization calculations of the structures were carried using the B3LYP functional level with 6-31+G(d,p) basis set in the Gaussian 09 program, including the effect of the solvent (water) environment. Then, their partial atomic charges were calculated using the QEq charge equilibration method in Materials Studio (MS) software. LTA and MFI type zeolite structures were modeled in the MS program. Since the loading of drugs into the pores of LTA, which has a microporous structure, is physically difficult, the (1 0 0) surface was constructed. MFI was modeled as (2×2×2) super-cell and (1 0 0) surface type. In addition, LTA (1 0 0) surface were modeled with Na+ and Zn2+ ions and MFI (1 0 0) surface with Na+ ion; thus, the suitability of different ionic or non-ionic zeolites for drug delivery systems was evaluated. After minimizing the energies of the drugs and the zeolite structures, the drugs were adsorbed on the pores of the zeolites using the Sorption module, and the surface of the zeolites using the Adsorption Locator module by Canonical Monte Carlo (MC) method with the universal force field (UFF) in MS. From MC simulations, the isosteric heat of adsorption of the drugs was calculated. In addition, maximum drug uptakes of MFI pores were predicted with MC simulations.Theophylline was adsorbed on the LTA (1 0 0) surfaces –neutral, with Na+ ions system, with Zn2+ ions system, then the isosteric heat of adsorption was calculated for each case. Zn2+ loaded LTA had stronger interactions with theophylline when compared to Na+ loaded LTA. These results confirmed the previous experimental findings for theophylline loading and release from LTA based systems. The local anesthetics drugs namely procaine (protonated and deprotonated), tetracaine, and dibucaine were adsorbed on the pores and the surface of MFI. Calculations for the adsorption on MFI (1 0 0) surface suggested that these drugs had similar isosteric heat values. In addition, isosteric heat of adsorption values implied that the investigated local anesthetics will be released in a controlled manner. On the other hand, adsorption of protonated/deprotonated procaine and tetracaine on MFI (2×2×2) super-cell structure was achieved. However, dibucaine was not adsorbed on the tight pores of MFI due to steric hindrance. Procaine-MFI systems, i.e. drug on MFI (1 0 0) surface and MFI (2×2×2) supercell, were further studied using full-atom molecular dynamics (MD) simulations in explicit water. MD simulations were performed at 298 K and in NVT ensemble (constant number of molecules, constant volume, constant temperature). The total simulation time was 5 and 10 nanoseconds for MFI (1 0 0) surface and MFI (2×2×2) super-cell structures, respectively. Procaine molecule was noted to be energetically entrapped in a surface cavity of MFI. While procaine diffused on the (1 0 0) surface, its diffusion was hindered in the small pores of MFI.In the experimental part of the study, the loading experiments of procaine to MFI zeolite were carried out under pH 6.4 and 8.9 conditions at 25 °C. Drug concentration was observed for 25 days. At pH 6.4, the loading amount of procaine was low because protonated procaine had mostly a close conformation. Subsequent computational and experimental studies indicated that MFI-type zeolite has a low drug capacity, nonetheless it can be used in the controlled release of small molecules with local anesthetic effects.