Ciclodextrina - Cyclodextrin
Las ciclodextrinas son una familia de oligosacáridos cíclicos , que consta de un anillo macrocíclico de subunidades de glucosa unidas por enlaces glucosídicos α-1,4 . Las ciclodextrinas se producen a partir del almidón por conversión enzimática . Se utilizan en las industrias alimentaria, farmacéutica, de administración de medicamentos y química, así como en la agricultura y la ingeniería ambiental.
Las ciclodextrinas están compuestas por 5 o más unidades de α-D-glucopiranósido unidas 1-> 4, como en la amilosa (un fragmento de almidón ). La ciclodextrina más grande contiene 32 unidades de 1,4-anhidroglucopiranósido, mientras que, como mezcla pobremente caracterizada, también se conocen oligosacáridos cíclicos de al menos 150 miembros. Las ciclodextrinas típicas contienen una cantidad de monómeros de glucosa que varían de seis a ocho unidades en un anillo, creando una forma de cono:
- α (alfa) -ciclodextrina : 6 subunidades de glucosa
- β (beta) -ciclodextrina : 7 subunidades de glucosa
- γ (gamma) -ciclodextrina : 8 subunidades de glucosa
Aplicaciones
Entrega de medicamentos
Las ciclodextrinas son ingredientes de más de 30 medicamentos aprobados diferentes. Con un interior hidrofóbico y un exterior hidrofílico, las ciclodextrinas forman complejos con compuestos hidrofóbicos. La alfa, beta y gamma-ciclodextrina son generalmente reconocidas como seguras por la FDA de EE. UU. Se han aplicado para la administración de una variedad de medicamentos, que incluyen hidrocortisona, prostaglandina, nitroglicerina, itraconazol, cloranfenicol. La ciclodextrina confiere solubilidad y estabilidad a estos fármacos. Los compuestos de inclusión de ciclodextrinas con moléculas hidrófobas son capaces de penetrar los tejidos corporales, estos pueden usarse para liberar compuestos biológicamente activos en condiciones específicas. En la mayoría de los casos, el mecanismo de degradación controlada de tales complejos se basa en el cambio de pH de las soluciones acuosas, lo que lleva a la pérdida de enlaces iónicos o de hidrógeno entre las moléculas huésped y huésped. Los medios alternativos para la ruptura de los complejos aprovechan el calentamiento o la acción de enzimas capaces de escindir los enlaces α-1,4 entre los monómeros de glucosa. También se demostró que las ciclodextrinas mejoran la penetración de fármacos en las mucosas.
Cromatografia
Las β-ciclodextrinas se utilizan para producir medios en fase estacionaria para separaciones por HPLC .
Otro
Las ciclodextrinas se unen a las fragancias . Dichos dispositivos son capaces de liberar fragancias durante el planchado o cuando el cuerpo humano los calienta. Un dispositivo de este tipo que se utiliza habitualmente es una típica "hoja de secado". El calor de una secadora de ropa libera la fragancia en la ropa. Son el ingrediente principal de Febreze, que afirma que las β-ciclodextrinas "atrapan" los compuestos que causan el olor, reduciendo así el olor.
Las ciclodextrinas también se utilizan para producir alcohol en polvo encapsulando etanol . El polvo produce una bebida alcohólica cuando se mezcla con agua.
Estructura
Las ciclodextrinas típicas están constituidas por 6-8 unidades de glucopiranósido. Estas subunidades están unidas por enlaces 1,4 glicosídicos . Las ciclodextrinas tienen formas toroidales, con las aberturas más grandes y más pequeñas del toroide expuestas a los grupos hidroxilo primario y secundario del disolvente , respectivamente. Debido a esta disposición, el interior de los toroides no es hidrófobo , pero considerablemente menos hidrófilo que el medio acuoso y, por tanto, puede albergar otras moléculas hidrófobas. Por el contrario, el exterior es suficientemente hidrófilo para impartir a las ciclodextrinas (o sus complejos) solubilidad en agua. No son solubles en disolventes orgánicos típicos.
Síntesis
Las ciclodextrinas se preparan mediante tratamiento enzimático del almidón . Comúnmente se emplea ciclodextrina glicosiltransferasa (CGTasa) junto con α- amilasa . Primero se licua el almidón por tratamiento térmico o usando α-amilasa, luego se agrega CGTasa para la conversión enzimática. Las CGTasas producen mezclas de ciclodextrinas, por lo que el producto de la conversión da como resultado una mezcla de los tres tipos principales de moléculas cíclicas, en proporciones que dependen estrictamente de la enzima utilizada: cada CGTasa tiene su propia proporción de síntesis α: β: γ característica. La purificación de los tres tipos de ciclodextrinas aprovecha la diferente solubilidad en agua de las moléculas: la β-CD, que es poco soluble en agua (18,5 g / lo 16,3 mM) (a 25 ° C), se puede recuperar fácilmente mediante cristalización, mientras que la más soluble Las α- y γ-CD (145 y 232 g / l respectivamente) se purifican normalmente mediante técnicas de cromatografía costosas y que requieren mucho tiempo . Como alternativa, se puede añadir un "agente complejante" durante la etapa de conversión enzimática: tales agentes (normalmente disolventes orgánicos como tolueno , acetona o etanol ) forman un complejo con la ciclodextrina deseada que posteriormente precipita. La formación del complejo impulsa la conversión del almidón hacia la síntesis de la ciclodextrina precipitada, enriqueciendo así su contenido en la mezcla final de productos. Wacker Chemie AG utiliza enzimas dedicadas, que pueden producir alfa-, beta- o gamma-ciclodextrina específicamente. Esto es muy valioso, especialmente para la industria alimentaria, ya que solo se pueden consumir alfa y gamma ciclodextrina sin un límite de ingesta diaria.
Derivados
El interés por las ciclodextrinas aumenta porque su comportamiento huésped-huésped puede manipularse mediante la modificación química de los grupos hidroxilo. O- Metilación y acetilación son conversiones típicas. El óxido de propileno da derivados hidroxipropilados . Los alcoholes primarios pueden tosilarse. El grado de derivatización es ajustable, es decir, metilación total frente a parcial.
Tanto la β-ciclodextrina como la metil-β-ciclodextrina (MβCD) eliminan el colesterol de las células cultivadas. Se encontró que la forma metilada MβCD era más eficaz que la β-ciclodextrina. Se sabe que la MβCD soluble en agua forma complejos de inclusión solubles con colesterol, mejorando así su solubilidad en solución acuosa. La MβCD se emplea para la preparación de productos sin colesterol: la molécula de colesterol voluminosa e hidrófoba se aloja fácilmente dentro de los anillos de ciclodextrina. La MβCD también se emplea en la investigación para alterar las balsas de lípidos al eliminar el colesterol de las membranas.
Investigar
En química supramolecular , las ciclodextrinas son precursoras de arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente , como los rotaxanos y catenanos . Ilustrativo, la α-ciclodextrina forma un complejo de coordinación de segunda esfera con el anión tetrabromoaurato ([AuBr4] -).
Se ha demostrado que los complejos de beta-ciclodextrina con ciertos colorantes alimentarios carotenoides intensifican el color, aumentan la solubilidad en agua y mejoran la estabilidad a la luz.
Historia
Las ciclodextrinas, como se las conoce hoy en día, se denominaron "celulosina" cuando A. Villiers las describió por primera vez en 1891. Poco después, F. Schardinger identificó las tres ciclodextrinas naturales -α, -β y -γ. Por tanto, estos compuestos se denominaron "azúcares de Schardinger". Durante 25 años, entre 1911 y 1935, Pringsheim en Alemania fue el investigador líder en esta área, demostrando que las ciclodextrinas formaban complejos acuosos estables con muchas otras sustancias químicas. A mediados de la década de 1970, cada una de las ciclodextrinas naturales se había caracterizado estructural y químicamente y se habían estudiado muchos más complejos. Desde la década de 1970, Szejtli y otros han realizado un trabajo extenso que explora la encapsulación por ciclodextrinas y sus derivados para aplicaciones industriales y farmacológicas. Entre los procesos utilizados para la complejación, el proceso de amasado parece ser uno de los mejores.
La seguridad
Las ciclodextrinas son de gran interés en parte porque parecen no tóxicas en estudios con animales. El LD50 (oral, ratas) es del orden de gramos por kilogramo. Sin embargo, los intentos de usar β-ciclodextrina para la prevención de la aterosclerosis , la acumulación de lipofuscina relacionada con la edad y la obesidad encuentran un obstáculo en forma de daño al nervio auditivo y efecto nefrotóxico.