Sintesi e caratterizzazione di anfifili steroidei per marcatura di complessi supramolecolari

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a
Mèso , “intermedio”, comprende il range 0,1-1 µ m (0,1 µ m è tipicamente il diametro massimo di una nanoparticella)
b
Definita come “L a chimica oltre la molecola”
[ 3 1 ]
I nt r oduzione
Negli ult imi decenni la chimica è passat a dal considerare la molecola da unit à fondament ale che det ermina
le carat t erist iche della mat eria, ad element o cost it uent e un sist ema più est eso e complesso le cui propriet à
non sono dovut e solament e dell' ident it à degli element i che lo cost it uiscono ma anche dal modo in cui
quest i cooperano. Si è quindi assist it o ad uno spost ament o del focus dalla dimensione molecolare alla scala
mesoscopica
a
, che considera cioè l'int ervallo di dimensioni t ra il nano ed il macroscopico.
Combinare le propriet à del singolo element o con le possibili modalit à di int erazione con gli element i
circost ant i permet t e di raggiungere un grado di complessit à e quindi propriet à alt riment i difficilment e
ot t enibili, secondo un principio generale valido in diversi ambit i scient ifici.
[ 1 ]
Tut t avia, l'approccio classico
della sint esi chimica (in part icolare quella organica), che si basa sulla combinazione di unit à fondament ali in
proporzioni definit e e cost ant i at t raverso la formazione sequenziale di legami rigidi ed orient at i t ra due o
più at omi ot t enendo molecole con una ben definit a composizione, connet t ivit à e st rut t ura, rappresent a un
limit e int rinseco al grado di complessit à raggiungibile.
[ 2 ]
Prendendo ispirazione dai sist emi biologici, la chimica supramolecolare
b
ha permesso di superare quest o
limit e considerando ent it à complesse derivant i dall'associazione di una o più t ipi di molecole at t raverso la
formazione di int erazioni più deboli e meno direzionali del legame covalent e quali forze idrofobiche, forze
di Van der Waals ed effet t i elet t rost at ici. Dirigere l'organizzazione di sist emi supramolecolari a livello micro-
e nanoscopico è perciò di fondament ale import anza perché significa modularne le propriet à.
[ 2 ]
I processi di aut o-associazione guidat a (o direct ed self-assembly ) molecolare cost it uiscono una st rat egia
est remament e versat ile per la realizzazione di mat eriali micro- e nanost rut t urat i che assolvano specifiche
funzioni. I n quest o t ipo di approccio, definit o di bot t om-up , le molecole si organizzano in modo spont aneo
in st rut t ure di dimensioni comprese t ra 1 e 10
2
nm, per effet t o di int erazioni non covalent i. I l self-assembly
molecolare è un processo ubiquit ario in t ut t i i sist emi biologici in grado di creare st rut t ure complesse
t ermodinamicament e st abili, indirizzando opport unament e la formazione delle int erazioni deboli e
compensando al cont empo la perdit a di ent ropia associat a. Ciò rende le molecole di origine nat urale dei
candidat i ot t imali per la creazione di mat eriali nanost rut t urat i con un ampio spet t ro di impieghi nel campo
delle nanot ecnologie, anche in virt ù della loro disponibilit à e biocompat ibilit à.
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I Sali biliari
Nella formazione di un legame covalent e, il cont ribut o ent ropico (∆S) ha in genere un ruolo secondario
rispet t o al not evole apport o ent alpico (∆H) alla variazione di energia libera del sist ema; t ut t avia nel caso
degli aggregat i molecolari, il ∆S non è più t rascurabile dal moment o che alla formazione di un numero,
seppur elevat o, di int erazioni deboli è associat o solo un modest o apport o ent alpico ∆H. Quest e
considerazioni suggeriscono che le molecole più adat t e per la formazione di un aggregat o
t ermodinamicament e st abile dovranno possedere uno schelet ro rigido (che port a ad una minore perdit a di
ent ropia a seguit o del congelament o dei gradi di libert à conformazionali e t raslazionali) e un’ampia
superficie di int erazione.
[ 2 ]
I sali degli acidi biliari ed i loro derivat i sint et ici possiedono quest i requisit i e la loro capacit à di formare
aggregat i supramolecolari di varia nat ura è st at a ampiament e document at a.
. [ 3 ]
I Sali biliari (SB ) sono dei surfat t ant i di nat ura st eroidica present i in t ut t e le specie di mammiferi. Prodot t i
del met abolismo del colest erolo a livello epat ico, sono secret i nella bile dove svolgono funzioni
emulsionant i e solubilizzant i di nut rient i lipofili come lipidi, colest erolo e alcune vit amine, favorendone
l’assorbiment o a livello int est inale.
R appresent ando uno dei prodot t i del met abolismo del colest erolo, sono carat t erizzat i da uno schelet ro
ciclopent anoperidrofenant renico leggerment e ricurvo, da una cat ena alchilica in posizione C17 che t ermina
con un gruppo carbossilat o in posizione R 4 e da vari gruppi ossidrilici (C3, C7, C12) e met ilici (C10, C13, C20)
legat i al sist ema t et raciclico, present i in numero e con st ereochimica variabile a seconda del t ipo di Sale
biliare (Figura 1 ).
F I G U R A 1 S C H E L E T R O M O L E C O L A R E D I U N A C I D O B I L I A R E
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c
cmc , concentrazone micellare critica
d
cmt , temperatura micellare critica
Aut o-assoc iazione di sali biliari in soluzione ac quosa
Gli anfifili classici sono molecole cost it uit e da una lunga coda idrofobica e flessibile, generalment e una
cat ena alchilica, e da una t est a polare idrofilica e relat ivament e piccola, rappresent at a da un gruppo
ionizzabile. I n soluzione acquosa, al di sopra di un det erminat o valore di concent razione
c
e t emperat ura
d
, le
int erazioni idrofobe permet t ono la formazione di micelle sferiche, doppi st rat i lipidici e vescicole, sulla cui
superficie si dispongono le t est e polari ment re nella porzione cent rale si dispongono le code idrofobiche, la
cui flessibilit à conferisce fluidit à all’int erno della zona idrofobica dell’aggregat o.
La peculiare st rut t ura anfifilica dei SB è invece carat t erizzat a dalla rigidit à conferit a dal sist ema st eroideo e
da una non net t a separazione t ra il dominio idrofobico (localizzat o prevalent ement e sulla faccia convessa,
det t a β, su cui si affacciano i gruppi met ilici) ed il dominio idrofilico (dovut o ai gruppi idrossilici e localizzat o
prevalent ement e sulla faccia concava, det t a α). I gruppi idrossilici present i sul nucleo st eroideo st abilizzano
l’aggregat o agevolando la formazione di legami idrogeno int ermolecolari. I l numero e l’orient azione di t ali
gruppi idrossilici, insieme alla già cit at a rigidit à del nucleo st eroideo, limit ano di fat t o i gradi di libert à
molecolare nell’aggregat o. I nfine, il gruppo carbossilat o, post o sulla coda, permet t e l'inst aurarsi di
int erazioni elet t rost at iche (Figura 2 ).
Per t ali ragioni, le morfologie degli aggregat i non possono essere previst e con le classiche regole
dell’impacchet t ament o geomet rico dei surfat t ant i convenzionali (t est a polare-coda apolare).
[ 4 ]
La cmc dei sali biliari non possiede un valore ben definit o dal moment o che il passaggio dalla forma
monomerica a quella di aggregat o supramolecolare avviene per st ep in un range di concent razioni piut t ost o
che ad un valore definit o; i numeri di aggregazione sono di almeno un ordine di grandezza inferiori a quelli
dei t ensioat t ivi convenzionali (2<N
A g g
< 15) e dipendono fort ement e non solo dalla concent razione del sale
biliare ma anche da alt ri paramet ri della soluzione acquosa quali la forza ionica, il pH e la t emperat ura
(l’andament o dei numeri di aggregazione present a generalment e un massimo a t emperat ura ambient e e
t endono ad aument are all'aument are della concent razione di ioni).
Diversi modelli sono st at i propost i per spiegare il comport ament o aut o-associat ivo dei SB . I l più condiviso
prevede che int orno alla cmc si abbia una micellizzzazione primaria , in cui un massimo di 10 molecole si
associano appaiando le facce idrofobiche ( back-t o-back) ed esponendo perciò gli idrossili all'ambient e
acquoso (Figura 3A-B ); il numero esat t o di unit à che formano l'aggregat o e la sua geomet ria dipendono dal
part icolare sale biliare e da paramet ri speriment ali. All'aument are della concent razione, i gruppi idrossilici
di diverse micelle primarie formano legami idrogeno int ermolecolari che port ano alla formazione di micelle
secondarie elongat e (Figura 3D ).
[ 5 ]
F I G U R A 2 S T R U T T U R A S C H E M A T I Z Z A T A D I U N S A L E B I L I A R E E D I U N A N F I F I L O C O N V E N Z I O N A L E C O N L A S U A M I C E L L A
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Un ult eriore aument o di concent razione può port are alla formazione di micelle discoidali, in cui le molecole
si dispongono parallelament e e con orient azioni alt ernat e (in modo da diminuire le repulsioni
elet t rost at iche) a formare una cavit à cent rale, che crescono di dimensioni all'aument are della
concent razione di monomero. Allo st at o liquido, è possibile la formazione di micelle inverse (Figura 3C ) che
espongono cioè la faccia idrofobica verso l'est erno per il prevalere delle int erazioni t ra i gruppi polari.
[ 6 ]
F I G U R A 3 S T R U T T U R A D E L L E M I C E L L E C L A S S I C H E D I U N S A L E B I L I A R E
La peculiare st rut t ura molecolare dei B S consent e a quest i t ensioat t ivi di associarsi non solo in micelle a
basso numero di aggregazione ma anche, in opport une condizioni di concent razione, t emperat ura, pH e
forza ionica del mezzo, in st rut t ure supramolecolari monodimensionali molt o più complesse come nast ri,
fibrille e t ubi carat t erizzat e da un not evole grado di ordine e complessit à e con dimensioni t ipiche della
nanoscala.
[ 7 ]
Un esempio è cost it uit o dai t re principali SB nat urali: colat o, desossicolat o e lit ocolat o di sodio.
St rut t uralment e quest i SB differiscono esclusivament e nel numero dei gruppi idrofilici posizionat i sullo
schelet ro st eroidico: il colat o possiede 3 gruppi ossidrilici, il desossicolat o 2 ment re il lit ocolat o ne è
complet ament e sprovvist o (Figura 1 ). Tale differenza st rut t urale det ermina una variazione del bilancio t ra
idrofobicit à\idrofilia della molecola: ne consegue che nelle medesime condizioni di t emperat ura e di pH
alcalino i t re SB formeranno rispet t ivament e micelle globulari, micelle ellissoidali e st rut t ure t ubulari.
Anche la variazione, seppur modest a, di paramet ri operat ivi int erni della soluzione come il pH è in grado di
influenzare sensibilment e il percorso di associazione supramolecolare del sale biliare: è ad esempio
riport at o che l’abbassament o del pH fino a neut ralit à di soluzioni acquose di desossicolat o di sodio provoca
una t ransizione supramolecolare da dispersione di st rut t ure micellari a net work di fibrille.
[ 8 ] [ 9 ]
Si evince quindi che una delle carat t erist iche più int eressant i dei SB è che il loro comport ament o aut o-
associat ivo può essere facilment e modificat o agendo sulla st rut t ura molecolare (int roducendo gruppi che
cambiano il bilancio t ra idrofobicit à\idrofilia) o sulle condizioni operat ive. La sint esi di derivat i sint et ici di
Sali biliari (DSB ) si è quindi int rodot t a quale mezzo per l’espansione e l’esplorazione del comport ament o di
self-assembly dei SB .
[ 7 ]