Polarizabilidade atômica efetiva alfad pode ditar a ionização de radioligantes 99Tc m - diaminoditiol alquilamínicos?

Can effective atomic polarizability alphad determine the ionization of 99tc m - diaminedithiol alkylamine radioligand derivatives?

Resumo

Polarizability correlates well with organic ion stabilization in solution and can be defined as a measure of the relative ease of the distortion of the electronic cloud of a dipolar system exposed to an external electric field. The effective atomic polarizability, alphad, has a fundamental influence on chemical reactivity in the gas phase and in solution. In terms of chemical reactivity the charge is generated within the molecule as a positive charge due to protonation, ionization or resulting from the attack of a nucleophilic anion. In this paper, lipoidal diaminedithiol (DADT) perfusion radioligands based on 99Tc m and possessing an alkylamine side chain have been used to check the influence of alphad on their brain uptake. Some new DADT derivatives, respectively DADT-DIPA (diaminedithiol - diisopropylamine), DADT DIBA (diaminedithiol diisobutylamine), DADT-PR (diaminedithiol - branched pyperidine), have been designed to have high nitrogen alkylamine alphad values. In spite of the fact of higher alphad values having been correlated to higher brain uptakes, there isn't a clear mechanism able to trap these radioligands into the brain space.

effective atomic polarizability; 99m technetium radioligands; alkylamine ionization

effective atomic polarizability; 99m technetium radioligands; alkylamine ionization

DIVULGAÇÃO

Polarizabilidade atômica efetiva a_d pode ditar a ionização de radioligantes ⁹⁹Tc^m - diaminoditiol alquilamínicos?

Can effective atomic polarizability a_d determine the ionization of ⁹⁹tc^m - diaminedithiol alkylamine radioligand derivatives?

Marcos Moisés Gonçalves^*; Leonardo Fernandes Fraceto; Marta Maria Duarte Carvalho Vila; Robson Vicente Machado de Oliveira

Curso de Farmácia, Universidade de Sorocaba, Cidade Universitária, Rodovia Raposo Tavares km 92,5, 18023-000 Sorocaba - SP

ABSTRACT

Polarizability correlates well with organic ion stabilization in solution and can be defined as a measure of the relative ease of the distortion of the electronic cloud of a dipolar system exposed to an external electric field. The effective atomic polarizability, a_d, has a fundamental influence on chemical reactivity in the gas phase and in solution. In terms of chemical reactivity the charge is generated within the molecule as a positive charge due to protonation, ionization or resulting from the attack of a nucleophilic anion. In this paper, lipoidal diaminedithiol (DADT) perfusion radioligands based on ⁹⁹Tc^m and possessing an alkylamine side chain have been used to check the influence of a_d on their brain uptake. Some new DADT derivatives, respectively DADT-DIPA (diaminedithiol - diisopropylamine), DADT DIBA (diaminedithiol diisobutylamine), DADT-PR (diaminedithiol - branched pyperidine), have been designed to have high nitrogen alkylamine a_d values. In spite of the fact of higher a_d values having been correlated to higher brain uptakes, there isn't a clear mechanism able to trap these radioligands into the brain space.

Keywords: effective atomic polarizability; 99m technetium radioligands; alkylamine ionization.

INTRODUÇÃO

Existem vários descritores de molécula total que têm sido utilizados para efetuar sua codificação eletrônica¹. Para se explorar a susceptibilidade que as moléculas têm de se tornarem polarizadas destacam-se a polarizabilidade e refratividade, que são propriedades fortemente correlacionadas entre si¹. Adicionalmente, polarizabilidade é uma propriedade que está relacionada com a estabilização intramolecular de íons orgânicos em solução^2,3 e pode ser definida como a medida da facilidade relativa de distorção da nuvem eletrônica de um sistema dipolar quando exposto a um campo elétrico externo.

Modelos empíricos de polarizabilidade de grupos substituintes acabaram implicando em estudos dos efeitos da estabilização que se processa em espécies químicas carregadas positivamente. Os estudos de polarizabilidade estão relacionados com a ionização por prótons e as determinações foram efetuadas em fase gasosa, para eliminar as complexas influências dos solventes^4,5.

Gasteiger e Hutchings⁶ desenvolveram um interessante modelo de cálculo simulado de polarizabilidade atômica, de modo a se ajustar às suas determinações empíricas, e que tem sido aplicado a trabalhos recentes⁷. Estes autores verificaram a fidedignidade de seus modelos comparando-os com dados já conhecidos. Assim, os modelos de polarizabilidade foram ensaiados e comparados com três grupos diferentes de dados experimentais: dados químicos obtidos a partir de equilíbrios de transferência de próton em alquilaminas em fase gasosa; dados físicos relacionados às determinações de espectro fotoelétrico de raios-X: medida de elétrons ESCA ("Electron Spectroscopy for Chemical Analysis") que são associados aos deslocamentos da energia de ligação dos elétrons 1s de nitrogênio; dados derivados da combinação de experimentos das espectroscopias ESCA e Auger efetuados em cloro e germânio. Um estudo fez uso combinado do espectro fotoelétrico de raios X de Cloro 2p e espectro Auger KLL para determinar a influência relativa do estado fundamental e dos efeitos de relaxamento na facilidade de ionização desse núcleo (Equação 1)⁶.

Gasteiger e Hutchings⁶ criaram o termo a_d , ou polarizabilidade atômica efetiva, que possui as dimensões da polarizabilidade e é uma medida da energia de estabilização molecular.

CÁLCULO DA POLARIZABILIDADE ATÔMICA EFETIVA a_d

Os valores de polarizabilidade são calculados considerando-se o átomo central de nitrogênio em um estado de hibridização específico e somando-se incrementos a partir deste. O termo polarizabilidade atômica efetiva a_d foi calculado para os nitrogênios alquilamínicos, que consistem o centro de carga (Equação 2)⁶.

onde: a_d - polarizabilidade efetiva; N - número total de elétrons excluindo os do nitrogênio central; ni - menor número de ligações entre o nitrogênio central e o átomo em questão; d - constante com valor 0,75 e, ti - contribuição em polarizabilidade de cada átomo (valores utilizados do trabalho original de Miller³).

Para se determinar, por ex., a_d do nitrogênio de um segmento de uma molécula possuindo uma determinada função alquilamínica, tem-se o cálculo segundo a Figura 1.

A Equação 2 informa que à medida que os átomos se distanciam do nitrogênio, centro de carga, irão dando uma contribuição à polarizabilidade efetiva cada vez menor, que é refletida pelo fator de depreciação d^ni-1 .

A Figura 2 mostra que na primeira órbita de ligação, onde os átomos estão diretamente ligados ao nitrogênio, o fator de depreciação é 1, ou seja, nesta órbita não há depreciação de a_d. Para que a_d seja numericamente maior deve-se colocar o número máximo de elementos ligados diretamente ao nitrogênio, por ex., 3 átomos de carbono, porque doam uma contribuição para a_d quatro vezes maior que a do átomo de hidrogênio, como pode ser visualizado pela Figura 3.

Para a segunda órbita de ligação, podem-se incluir mais átomos de carbono ligados diretamente aos carbonos a em relação ao nitrogênio central, o que faz com que o produto final seja ramificado. Então, para se projetar uma estrutura que possua valores maiores de a_d deve-se ligar o maior número possível de átomos nas ligações químicas mais próximas ao nitrogênio, como indicado na Figura 4. Em suma, quanto mais ramificados forem os derivados, mais polarizabilidade efetiva eles apresentarão.

POLARIZABILIDADE PODE DITAR A PROTONAÇÃO DE AMINAS?

Quando a ionização do núcleo de determinado átomo é induzida por raios-X, os outros elétrons remanescentes da molécula relaxam de forma a maximizar a estabilização do centro de carga positiva que foi criado. Este relaxamento tem sido considerado como dependente da polarizabilidade relativa dos substituintes. Dados combinados de espectro fotoelétrico de raios-X, ESCA-Auger foram usados para obter medidas quantitativas da energia de relaxamento dos ligantes próximos ao átomo ionizado de cloro⁸.

Gasteiger e Hutchings⁹ pesquisaram dados N-1s ESCA para uma série de derivados de nitrogênio, concluindo que os deslocamentos ESCA se correlacionam bem com a carga do átomo de nitrogênio, notavelmente para as alquilaminas. A polarizabilidade está implicada também com a estabilização de uma amina protonada¹⁰; acredita-se que a polarizabilidade é a principal característica que estabiliza íons amônio primários, secundários e terciários em fase gasosa⁶. A protonação de aminas em fase gasosa é um fenômeno exotérmico e a energia liberada é denominada de afinidade protônica (AP) mas, quando se considera a AP de alquilaminas, os efeitos eletrônicos são tão pequenos que a polarizabilidade pode ser considerada como influenciada somente pela magnitude de AP.

a _dVERSUS CONCEPÇÃO DE RADIOFÁRMACOS PERFUSÓRIOS CEREBRAIS

A reatividade química ou a atividade biológica de moléculas está muitas vezes associada à geração de carga na própria molécula. Quando radioligantes perfusórios cerebrais são concebidos para atuarem como agentes de diagnósticos tomográficos, têm que possuir lipofilicidade suficiente para transpor a barreira hematencefálica e adentrar no espaço intracerebral. Sabe-se que o maior afluxo de radioligante para o interior do cérebro ocorre em poucas dezenas de segundos após ter sido injetado intravenosamente. Entretanto, para que os tomógrafos consigam efetuar adequadamente as imagens tomográficas seu colimador pode, por ex., coletar radiação de 6 em 6° até completar uma revolução de 360°, possibilitando obter quantificações relativa e absoluta do fluxo sangüíneo. Para tanto, tais traçadores devem possuir uma distribuição estável no cérebro, o que implica dizer que estes devem possuir mecanismos diferenciados para ficarem retidos. Isto significa que se o radioligante se polarizar no espaço intracerebral, tem-se um mecanismo especial para aumentar sua retenção cerebral.

Assim, a finalidade deste trabalho é verificar se a propriedade polarizabilidade atômica efetiva pode ser um preditor da protonação de derivados alquilamínicos. Para verificar se a captação cerebral de novos compostos candidatos a radiofármacos perfusórios está correlacionada com a polarizabilidade atômica efetiva, foram escolhidos derivados de alquilaminas que se constituíssem em primárias, secundárias, terciárias não substituídas devido ao seguinte: quando heteroátomos são incluídos nas alquilaminas em adição ao parâmetro polarizabilidade atômica efetiva a_d, deve-se considerar também o efeito indutivo¹¹.

Gasteiger e colaboradores⁹ conseguiram estudar indiretamente o efeito indutivo, que foi quantificado pelos valores de eletronegatividade residual, chegando à Equação 3 que contempla esses dois parâmetros.

onde: AP = afinidade protônica; cr = eletronegatividade residual; a_d = polarizabilidade atômica efetiva.

CRIAÇÃO DE NOVOS RADIOLIGANTES DE ⁹⁹Tc^m DO TIPO DIAMINODITIÓLICOS, A SEREM UTILIZADOS COMO AGENTES PERFUSÓRIOS CEREBRAIS PARA DIAGNÓSTICOS TOMOGRÁFICOS SPECT

Foram escolhidos radioligantes que possam atuar como agentes perfusórios cerebrais à base de ⁹⁹Tc^m (radionuclídeo tecnécio metaestável), devido ao fato destes poderem ser adotados em procedimentos diagnósticos de rotina hospitalar de tomografia SPECT ("Single Photon Emission Computed Tomography"). Como a modelagem molecular é facilitada a partir de séries congêneres de compostos químicos, escolheram-se os radioligantes diaminoditiólicos (DADT) marcados com o ⁹⁹Tc^m, já que foram estudados por diferentes grupos de pesquisadores e possuem dados importantes já publicados^12-21. A Tabela 1 apresenta diversos dados de derivados DADT marcados com ⁹⁹Tc^m.

O potencial dessa classe de radioligantes para atuarem como agentes perfusórios cerebrais foi explorado efetuando-se distribuições biológicas em camundongos Swiss, para verificar seus desempenhos em adentrarem o espaço intracerebral, bem como suas capacidades de ficarem retidos neste local. O tempo referência de 5 min é adotado por ser adequado para delinear a captação cerebral pois, a partir deste tempo, ocorre clareamento progressivo para outros compartimentos do corpo.

Na criação de novos radioligantes para serem usados como agentes de imagens cerebrais para uso em SPECT têm sido utilizadas estruturas com liberdade conformacional para formarem complexos neutros com ⁹⁹Tc^m como, por ex., a porção DADT. O ⁹⁹Tc^m pode ser rapidamente obtido por eluição de geradores molibdênio-tecnécio (⁹⁹Mo - ⁹⁹Tc^m), possui meia vida pequena de 6,02 h e emite raios gama com energia de 140 keV que são coletados pelo tomógrafo. Os átomos de nitrogênio e enxofre da porção DADT ligam-se com ⁹⁹Tc^m, sob o estado de oxidação VI (⁹⁹Tc^m=O), dando complexos piramidais tetradentados, onde as metilas dos carbonos quaternários possuem o importante papel de estabilizador do complexo, como ilustra a Figura 5.

Quando o tecnécio complexa na porção DADT possuidora de um grupo alquila na posição 4, formam-se dois tipos de compostos estereoisômeros denominados, respectivamente, epímeros A e B (Figura 5). Devido ao fato de originarem dois picos diferentes na espectrometria de ressonância nuclear magnética de próton e na cromatografia líquida de alta eficiência, esse tipo de estereoisomeria geométrica foi verificada por alguns autores^16,18,23.

CONCEPÇÃO DO DERIVADOS DADT-PR, DADT-DIPA, DADT-DIBA CONSIDERANDO-SE a_d

O trabalho de Gasteiger e Hutchings⁶ apresenta dados importantes que reforçam a modelagem de radiotraçadores alquilamínicos possuidores de maiores valores de a_d, de forma a explorar o fenômeno da ionização como mecanismo de retenção cerebral.

Assim, para melhor caracterizar a_d, foi utilizado um modelo para comprovar sua aplicabilidade consistindo no método de simples contagem de ligações denominado de ansatz⁶, que considera efeitos de atenuação ao se distanciar do centro de carga. Dessa forma, foi usado o descritor molecular "número de conectividade" (N_c) que reflete o número de ligações influenciadas por um fator de depreciação de 0,5 das enésimas órbitas a partir de um átomo central (Equação 4)⁶.

onde: N_c - número de conectividade; l - número de ligações; n - número da órbita.

A Figura 6 exemplifica um cálculo de N_c.

Ao utilizarem dados de literatura de 49 compostos alquilamínicos, inicialmente ficou comprovado que maiores valores de afinidade protônica estão relacionados com maiores valores do número de conectividade (n = 49, r = 0,993, dp = 2,9 kJ mol^-1) ⁶.

Em seguida, ao processarem-se os dados de Gasteiger e Hutchings⁶ comprova-se que os maiores valores do número de conectividade de alquilaminas estão fortemente correlacionados com os maiores valores de polarizabilidade efetiva, como se pode observar pelos dados da Figura 7, que apresenta um coeficiente de correlação r de 0,996.

Finalmente, Gasteiger e Hutchings⁶ demonstraram que a afinidade protônica (AP) depende do tipo do substituinte alquílico ligado ao nitrogênio amínico e que os maiores valores de afinidade protônica de alquilaminas estão fortemente correlacionados com os maiores valores de polarizabilidade atômica efetiva (n = 49, r = 0,984, dp= 4,2 kJ mol^-1).

Considerando-se que a AP é diretamente proporcional a a_d, pode-se concluir que maiores valores de a_d implicam em uma ionização mais intensa da porção alquilamínica, o que pode facilitar a retenção cerebral dos radioligantes.

Para se verificar a existência de uma possível interligação entre polarizabilidade atômica efetiva e captação cerebral foi feita a comparação dos valores de a_d dos compostos que pudessem formar uma série congênere tendo em comum a cadeia etilênica e nitrogênios com substituintes similares (nitrogênios piperidínicos), ou seja, os compostos IA, IB, IIIA, IIIB, IVA, IVB, VA e VB (Tabela 1) com seus respectivos valores de captação cerebral (%dose/cérebro, 5 min), como mostra a Figura 8.

Na Figura 8 foram incluídos os valores dos epímeros A e B, apresentando um coeficiente de correlação r de 0,769 para n=8. Observa-se ainda que a_d e captações cerebrais têm declividade positiva, sugerindo que para se obter derivados com maiores captações cerebrais o substituinte R possua valores maiores de a_d, como descrito pela Equação 2. Assim, deve-se escolher R's com substituintes carbônicos ligados ao nitrogênio que possuam o maior grau de ramificações possíveis, pois as órbitas mais próximas ao nitrogênio central é que atuarão na estabilização de sua carga.

Apesar dos dados apresentados na Figura 8 não serem considerados conclusivos (r=0,769), devido ao fato destes formarem "clusteres" em suas extremidades e do pequeno número de derivados utilizados, pode-se observar uma tendência ascendente. Para corroborar esta hipótese uma análise mais detalhada utilizando um número maior de derivados congêneres faz-se necessária.

Para investigar a possibilidade de existir um mecanismo de retenção cerebral, sintetizaram-se derivados DADT baseados na descrição de polarizabilidade proposta Gasteiger e Hutchings⁶, que foi concebida para compostos alquilamínicos em que o nitrogênio é considerado o centro de carga. Desta forma, DADT-Piperidínco Ramificado (DADT-PR), DADT-Diisopropilamínico (DADT-DIPA) e DADT-diisobutilamínico (DADT-DIBA)²² foram desenhados para possuirem valores de a_d maiores que os derivados sintetizados por Scheffel¹².

Inicialmente, a estrutura do DADT-PR foi escolhida por possuir ramificações já nos carbonos a em relação ao nitrogênio piperidínico, o que possibilita acréscimo em termos de polarizabilidade efetiva deste (a_d = 8,276). Houve, contudo, a necessidade de se incluir um segundo nitrogênio na estrutura para possibilitar a inclusão da porção piperidínica ramificada na estrutura DADT.

Para os derivados DADT-DIPA e DADT-DIBA conseguiram-se valores de a_d ainda maiores, respectivamente 8,946 e 9,128, devido ao fato de possuírem número maior de carbonos nas órbitas mais próximas do nitrogênio, o que confere maiores incrementos em a_d, como observado na Tabela 2.

INFLUÊNCIA DE log P NA CAPTAÇÃO CEREBRAL

Como demonstrado na Figura 9, tem-se clareamento cerebral muito rápido para o derivado ⁹⁹Tc^m-DADT-DIPA. Em termos da passagem de sangue pelo cérebro, o coeficiente de partição é um parâmetro que possui correlação mais alta que a_d, como pôde ser verificado por Hui e colaboradores¹⁵ que efetuaram regressão múltipla com os compostos (I a X), Tabela 1, e chegaram à Equação 5

CONCLUSÃO

Neste trabalho foram utilizados alguns descritores moleculares (número de conectividade, afinidade protônica, polarizabilidade) a fim de explorar a ionização de alquilaminas, sendo que estes apresentaram boas correlações entre si.

No entanto, apesar dos valores crescentes de a_d estarem relacionados com maiores facilidades de ionização de alquilaminas não se pode ainda considerar, a partir dos derivados estudados neste trabalho, que a polarizabilidade atômica efetiva seja um mecanismo de retenção intracerebral, porque mesmo para o ⁹⁹Tc^m-DADT-DIPA que tem em R o nitrogênio com valor de a_d mais acentuado que os derivados estudados por Scheffel¹² e captação cerebral (%dose/cérebro em 5 min.) tão elevada como seus melhores derivados, tem-se um clareamento plasmático muito rápido (Figura 9). O derivado ⁹⁹Tc^m-DADT-DIBA, apesar de possuir nitrogênio com valor de a_d ainda maior que todos os derivados estudados, não demonstrou possuir captação cerebral correspondentemente alta. A idéia do parâmetro lipofilicidade ser um descritor molecular mais influente que a_d fica reforçada ao se fazerem simulações de log P no programa CLOGP para Windows versão 1.0.0, 1995, Biobyte para os derivados não marcados com ⁹⁹Tc^m, pois se percebe que o ⁹⁹Tc^m-DADT-DIBA mostrou possuir coeficiente de partição de 6,32, muito próximo ao valor de 6,36 do derivado IV, justificando sua captação cerebral limitada²² (as captações cerebrais dos epímeros IVA e IVB, respectivamente, 0,74% ± 0,14 e 1,00% ± 0,20 são próximas ao valor 0,71% ± 0,04 do ⁹⁹Tc^m-DADT-DIBA, mistura racêmica).

AGRADECIMENTOS

Ao Dr. J. Mengatti, Centro de Radiofarmácia, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, São Paulo e à Profª. Dra. A. T. do Amaral, Laboratório de QSAR/QSAR-3D, Instituto de Química, Universidade de São Paulo.

22. Gonçalves, M. M; Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo, Brasil, 1999.

Recebido em 4/4/05; aceito em 27/10/05; publicado na web em 5/5/06

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  06 Set 2011
• Data do Fascículo
  Out 2006

Histórico

• Aceito
  27 Out 2005
• Recebido
  04 Abr 2005