Um estudo de primeiros princípios da interação entre o fulerol C60

Um estudo de primeiros princípios da interação entre o fulerol C 60(OH)24 e
o fármaco Nimesulida.
Iuri M. Jauris1, Marta P. Alves1, Solange B. Fagan1
1
Programa de Pós-Graduação em Nanociências, Centro Universitário Franciscano (UNIFRA), RS, Brasil.
Resumo: Nanoestruturas de carbono tais como o Fulereno C60, tem sido alvo de intensos
estudos de diversos grupos de pesquisadores como moléculas de interesse biológico para
entrega de fármacos, vitaminas entre outros. Contudo o fulereno C60 é praticamente
insolúvel em água. Dessa forma, através da ligação de grupamentos hidroxilas na superfície
externa do C60, dando origem aos chamados fuleróis, pode-se ter um novo conjunto de
moléculas mais solúveis e, portanto, com potencial maior como vetores ou carreadores para
moléculas de interesse biológico. Partindo desta perspectiva, neste trabalho buscou-se
avaliar as propriedades eletrônicas e estruturais da interação entre o fulerol C60(OH)24 e o
fármaco nimesulida. Para tal, fez-se uso de cálculos de primeiros princípios através de
simulações computacionais baseadas na teoria do funcional da densidade (DFT) e
implementadas pelo código SIESTA. Então, para esta interação foram estudadas três
configurações espaciais diferentes, de acordo com os grupos mais reativos da nimesulida. Os
resultados apontam para energias de ligação nimesulida-fulerol, para a configuração mais
estável, de aproximadamente 1,60eV. Além disso, a nimesulida contribuiu para a
estabilidade geral do fulerol, e foi predominante doadora da cargas para o fulerol para todas
as configurações. Por fim, os valores de transferência de carga e distância de ligação
apontam para um regime de adsorção física, o que tornaria viável a posterior liberação deste
fármaco após atingir o sitio alvo de interesse.
Palavras Chaves: ab initio, teoria do funcional da densidade, adsorção física, fulerol, nimesulida.
INTRODUÇÃO
Os fulerenos são uma das diferentes formas alotrópicas do carbono conhecidas
atualmente, dentre as quais pode-se destacar ainda os nanotubos de carbono, grafeno, grafite,
diamante, dentre outros [1-2]. O fulereno C60 foi descoberto em Setembro de 1985 por
Harold W. Kroto, Robert F. Curl, e Richard E. Smalley, através de experimentos de
espectroscopia a laser, e ficou conhecido como Buckyball ou Buckminster Fullerene [3]. O
fulereno C60 (Figura 2), possui geometria esférica e diâmetro aproximado de 0,710 ±
0,007nm [1]. A superfície do fulereno C60 contém 20 hexágonos e 12 pentágonos, sendo que
cada átomo esta ligado a outros três átomos de carbono, formando uma ligação do tipo sp 2,
ou seja, se comportam quimicamente e fisicamente como alcenos ao invés de sistemas
aromáticos [1].
O fulereno C60 é praticamente insolúvel em água ou em solventes aceitadores de
prótons. Dessa forma, apesar das suas propriedades físicas e químicas excepcionais, a sua
baixa solubilidade torna-os pouco atrativos em aplicações biológicas [4]. Contudo, com
intuito de tornar o fulereno C60 mais solúvel em água, pode-se realizar algumas
modificações químicas sobre esta molécula, como por exemplo, através da ligação de
grupamentos hidroxilas na sua superfície externa. Assim, o fulereno C60 poli-hidroxilado,
descrito pela fórmula C60(OH)n, é também chamado de fulerol [5].
Nanoestruturas de carbono como Fulereno e Fuleróis podem ser conjugados com
diversas moléculas de interesse biológico, tal como vitaminas, fármacos, entre outros. Dessa
forma os fuleróis apresentam um grande potencial como vetores ou carreadores para tais
moléculas [6]. A capacidade de controlar a liberação e a vetorização de diferentes fármacos
associados à nanomateriais ou nanopartículas é de suma importância para aplicações na
biomedicina, pois torna possível, por exemplo, que um fármaco atinja um sítio alvo
específico e libere seu ativo de forma localizada e controlada, levando a menos danos
colaterais, geralmente encontrados quando da administração na forma livre [7].
Especificamente, fuleróis tais como o C60(OH)24 tem demonstrado possuir alta atividade
antioxidante in vitro e in vivo, superando inclusive antioxidantes naturais como o ácido
ascórbico e a vitamina E [8]. Estudos recentes mostram efeito tecido-protetor do Fulerol
C60(OH)24 em ratos e camundongos irradiados, devido à sua atividade antioxidante e
potencial eliminador de radicais livres [9-10]. Outros resultados revelam também que este
fulerol apresenta possíveis efeitos cardio e hepatoprotetores contra a toxicidade induzina
pela Doxorrubicina [11]. Estas características aliadas a uma melhor solubilidade do fulerol,
comparado ao fulereno, seriam propicias para diversas aplicações biológicas dos fulerois
como carreadores de fármacos.
A nimesulida é um fármaco da classe dos anti-inflamatórios não-esteróides (AINEs)
que difere dos outros compostos de mesma categoria por apresentar um radical
sulfonanilida, ao invés de um radical carboxílico. A nimesulida inibe seletivamente a enzima
cicloxigenase-2 (COX-2), reduzindo a síntese de prostaglandinas relacionadas à inflamação
[12]. Na literatura a diversos estudos que mostram que a nimesulida pode ocasionar alguns
inconvenientes gastrointestinais, então a entrega desse fármaco num ponto específico da área
inflamatória é um fator muito importante para reduzir os danos ao organismo [12-13]. A
partir deste cenário, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades eletrônicas e
estruturais da interação do fármaco nimesulida com o fulerol C60(OH)24, contribuindo dessa
forma para um maior entendimento desta interação e fornecendo subsídios para possíveis
aplicações biológicas deste fulerol como carreador de fármacos.
MATERIAIS E MÉTODOS
As propriedades eletrônicas e estruturais da interação do Fulerol C 60(OH)24 com o
fármaco nimesulida, em diferentes arranjos/configurações estruturais, foram obtidos via
cálculos ab initio, baseados na teoria do funcional da densidade [14], implementados pelo
código computacional SIESTA [15]. Para resolver de forma auto-consistente as equações de
Kohn-Sham, o SIESTA utiliza uma combinação linear de pseudo orbitais atômicos, com um
conjunto de bases atômico numéricas, conforme descrito por Sankey e Niklewski [16]. O
alcance dos pseudo orbitais atômicos é regulado por um parâmetro chamado “energy shift”,
que neste estudo foi escolhido para um valor de 0,05eV. Para descrever o potencial de troca
e correlação eletrônicos utilizou-se a aproximação por densidade local (LDA), conforme
descrita pela e parametrização de Perdew-Zunger [17] a partir dos resultados obtidos por
Ceperley e Alder [18]. Os elétrons de caroço foram descritos pelos psedopotênciais de
Troullier-Martins [19], e uma base duplo-zeta polarizada (DZP) foi utilizada para expandir
as autofunções de onda de valência [15].
Para representar a densidade de carga, um raio de corte de 200 Ry foi adotado para
integração da malha. As integrações sobre a primeira zona de brillouin foram feitas com um
ponto k, nas três direções espaciais, conforme esquema descrito por Monkhorst-Pack [20],
levando em consideração que os sistemas estudados poderiam ser ditos adimensionais. Para
que os sistemas alcancem relativa estabilidade e suas estruturas atômicas sejam otimizadas,
a energia total foi minimizada através do mecanismo de forças de Feynman-Hellmann
incluindo as correções de Pulay [15]. As posições dos átomos foram otimizadas através do
algoritmo do Gradiente Conjugado (GC) até que as forças residuais agindo sobre cada átomo
fosse menores que 0,05 eV/Å [15].
A energia de ligação (Elig) entre a molécula de nimesulida e o Fulerol C60(OH)24 foi
calculada utilizando-se a correção para o erro de superposição de bases (BSSE) [21]. Esta
correção é necessária, pois o código SIESTA faz uso de funções de onda de bases
localizadas. No entanto, a utilização destas bases faz com que seja criado um erro quando se
deseja calcular, por exemplo, a energia de formação ou a energia de ligação de um sistema, e
que envolve diferenças de energia das partes desse sistema. Para corrigir este erro, aplica-se
então a seguinte equação:

BSSE
Elig
 E  A  B  E  A  Bghost   E  Aghost  B

,
(1)
onde o subscrito “ghost” refere-se a um conjunto adicional de funções de bases centrada nas
posições dos átomos da molécula (A) ou (B), mas sem adição de nenhum potencial atômico.
Com esse procedimento, garante-se que o número de funções de base usadas para todos os
sistemas seja o mesmo e sem adição de potenciais extras, levando a valores para energia de
ligação mais fidedignos. Por fim, juntamente com os resultados para a energia de ligação, os
valores de distância de ligação e transferência de carga, entre o fármaco Nimesulida e o
Fulerol C60(OH)24, foram calculados, a fim de fornecer mais dados para avaliar a intensidade
da interação entre estas moléculas.
RESULTADOS
As estruturas otimizadas do fármaco nimesulida, bem como os seus níveis eletrônicos
e densidades de carga podem ser vistos através da Figura 1. Nela, ao analisarmos a diferença
na energia entre o orbital molecular de mais alta energia ocupado (HOMO) (do inglês
Highest Occupied Molecular Orbital) e o orbital molecular de mais baixa energia
desocupado (LUMO) (do inglês Lowest Unoccupied Molecular Orbital), nota-se para a
nimesulida uma diferença HOMO-LUMO (∆H-L) relativamente alta, o que contribui para a
estabilidade desta molécula. Contudo ainda pela Figura 1, verifica-se que para o HOMO a
densidade de carga está localizada principalmente sobre o grupamento NO2, sugerindo que
esse grupamento tenha tendência de doar cargas. Já para o LUMO, a densidade de carga está
localizada principalmente sobre o anel benzênico ligado ao radical sulfonanilida, o que
sugere que este anel deve ser prioritariamente aceitador de cargas.
Figura 1 – Estrutura otimizada, níveis de energia e densidade de carga para o fármaco nimesulida.
O fulereno C60, Figura 2, apresentou uma distância C-C de 1,44Å e uma diferença
HOMO-LUMO (∆H-L) de 1,61 eV valores estes semelhantes aos encontrados por [1].
Ainda nesta figura, é possível verificar que a densidade de carga está homogeneamente
distribuída sobre toda superfície do C60, ou seja, todos os sítios são igualmente reativos, ou
“atrativos” para possíveis interações com outras moléculas. Além disso, nota-se uma
densidade de carga maior na região do HOMO do que para o LUMO, indicando que este
fulereno teria uma tendência maior de doar cargas a aceita-las.
Guirado e Rincón (2006) [22], a partir de cálculos teóricos baseados na DFT,
avaliaram as propriedades eletrônicas e estruturais do fulerol C 60(OH)26. Os autores
demonstraram que a energia era minimizada quando a superfície de fulereno consistia em
algumas regiões altamente hidroxiladas e outras desprotegidas, onde os grupos OH que
revestiam a superfície de carbono, estavam dispostos sob a forma de quatro regiões
hidroxilados desconectas, ou “ilhas”, cada uma contendo seis moléculas OH e mais 2
grupamentos OH vizinhos às ilhas. Este tipo de arranjo também apresentou a maior
diferença HOMO-LUMO (∆H-L = 1,95 eV), sendo inclusive da ordem do fulereno C60.
Apesar disso, estes autores relatam que a estabilidade não foi o principal fator para assegurar
a formação do isômero dominante. Isto por que experimentalmente notou-se que o isômero
preferencialmente formado era aquele cuja distribuição dos grupamentos OH ocorria de
forma mais homogênea. Para fins de comparação, o isômero onde os grupamentos OH
distribuíram-se mais homogeneamente sobre a superfície, apresentou uma diferença HOMOLUMO de aproximadamente 0,5 eV, e uma diferença de energia total de 16 eV em relação
ao isômero que minimizaria a energia.
Figura 2 – Estrutura otimizada, níveis de energia e densidade de carga para o fulereno C60.
Tendo em vista o tipo de isômero do fulerol C60(OH)24 preferencialmente formado
experimentalmente, para se obter tal molécula fez-se então uma hidroxilação homogênea
sobre a superfície do fulereno C60 e em seguida foi encontrada a configuração mais estável
(otimizada) a partir da minimização da energia total. A Figura 3 apresenta a estrutura
otimizada do C60(OH)24 , bem como os seus níveis eletrônicos e densidades de carga.
Figura 3 – Estrutura otimizada, níveis de energia e densidade de carga para o fulerol C60(OH)24.
Após otimização o fulerol C60(OH)24, apresentou distâncias C-C variável entre 1,34 Å
e 1,44Å, C-O e O-H da ordem de 1,42Å, e 0,98Å, respectivamente. Além disso, a forte
interação C-OH resultou em distorções consideráveis na superfície do carbono, porém tais
distorções foram insuficientes para que houvesse a quebra das ligações entre C-C,
demonstrando uma boa flexibilidade da superfície formada pelo C60. Tais resultados
encontram-se de acordo com [22]. Além disso, as hidroxilações produziram modificações
consideráveis sobre a estrutura eletrônica da molécula de C60. Pode-se verificar pela Figura 3
efeitos de separação de níveis degenerados, juntamente com um estreitamento da distância
HOMO-LUMO (∆H-L = 0,1eV), devido principalmente ao aparecimento de estados
eletrônicos adicionais, induzidos pela localização precisa dos grupos OH, assim como pelas
substanciais distorções produzidas na superfície do carbono, o que pode ser responsável pela
diminuição da simetria da estrutura molecular. Novamente estes resultados são bastante
semelhantes aos encontrados por [22] para o fulerol C60(OH)26.
Ainda pela Figura 3, nota-se que este fulerol apresenta uma densidade de carga maior,
portanto uma reatividade considerável, em hemisférios opostos da mesma molécula, tanto
para a região HOMO quando para o LUMO. Esta densidade de carga localizada pode ser
ainda melhor percebida se fizéssemos uma subtração da contribuição de spin down – spin
up, de forma que na Figura 3 restariam apenas os contornos de densidade de carga na cor
laranja ou azul, sendo negligenciados, portanto, os contornos rosados (mistura de ambos os
spins). Logo fica claro que a densidade de carga que antes era homogeneamente distribuída
sobre toda superfície do C60, passou a ser dependente da localização dos grupos OH após as
hidroxilações.
Devido a esta forte localização da densidade de carga no fulerol, o fármaco nimesulida
foi posto a interagir com o fulerol em três configurações diferentes, porém sempre de modo
que o hemisfério mais reativo do fulerol se encontra-se mais próximo a algum dos grupos
reativos da nimesulida. A Tabela 1 resume os valores calculados para as energias de ligação,
distância de ligação e transferência de carga para cada configuração estudada, e ainda a
configuração mais estável (em vermelho) para a interação Nime-C60(OH)24.
Valores
negativos de Elig e q indicam respectivamente que há atração entre o fármaco e o fulerol, e
também que a nimesulida é aceitadora de carga. Na Figura 4 são apresentadas as estruturas
otimizadas, níveis eletrônicos e densidades de carga para o sistema mais estável da interação
entre o fármaco nimesulida e o fulerol C60(OH)24.
Tabela 1 – Valores de distâncias, energias de ligação (Elig) , e transferência de carga (q) para
diferentes configurações.
Configuração
Distância (Å)
Elig (eV)
q (e-)
A
Cnime – Hful = 1,98
- 0,70
0,17
B
Onime – Hful = 1,82
- 0,97
0,12
C
Onime – Hful = 1,66
- 1,60
0,23
Figura 4 – Estrutura otimizada, níveis de energia e densidade de carga para o fulerol C 60(OH)24
interagindo com a nimesulida.
Comparando os níveis de energia antes da adsorção do fulerol (Fig. 3) e após a
adsorção do fulerol (Fig. 4) é possível perceber que a um aumento na distância HOMOLUMO após a interação entre estas moléculas, ou seja, a adsorção da nimesulida faz com
que o sistema como um todo torne-se mais estável. Já comparando as densidades de carga da
Figura 3 em relação a Figura 4, pode-se notar que não há alterações significativas, ou seja, a
densidade de carga continua localizando-se predominantemente em hemisférios opostos da
molécula de fulerol, tanto para a região HOMO quanto para a região LUMO.
Interessante notar também que, conforme já apresentando anteriormente na Figura 1,
para o fármaco nimesulida na região HOMO a densidade de carga está localizada
principalmente sobre o grupamento NO2, sugerindo que esse grupamento tenha tendência de
doar cargas. Além disso, o sistema mais estável ocorre quando há a interação entre a
nimesulida e o fulerol de forma que o grupo NO2 da nimesulida encontre-se mais próximo
ao fulerol. Dessa forma, e conforme já previsto, comparando com o resultado para
transferência de carga na Tabela 1, vemos que nessa configuração a nimesulida é de fato
doadora de cargas para o fulerol (através do grupamento NO2).
Conforme apresentado na Tabela 1, vemos que a energia de ligação para a
configuração mais estável (conf. C) é de aproximadamente 1,60 eV (154,38 kJ/mol).
Machado e colaboradores (2012) [23], em estudos de adsorção de corantes por nanotubos de
carbono, adotaram valores para energias de ligação aproximadamente acima de 0,80 eV,
como características de adsorção química. Nesse caso, mesmo não se tratando de uma
interação com nanotubos de carbono, a energia de ligação encontrada para a interação
fulerol-nimesulida poderia ser considerada "forte", indicando uma possível adsorção
química. Contudo, Machado e colababoradores (2012) fazem uma ressalva a este valor
limiar de 0,80 eV, pois devido a algumas aproximações teóricas utilizadas para os cálculos,
não deve-se utilizar somente este valor para julgar entre os possíveis regimes de adsorção.
Dessa forma, analisando a distância de ligação e a transferência de carga para a interação
nimesulida-fulerol pode-se notar que embora a energia de ligação seja relativamente alta, a
menor distância entre estas moléculas ocorre para a ligação O-H em torno de 1,66Å,
consideravelmente maior do que a esperada se houvesse uma interação química de fato
(~0,98Å). Além disso, não há uma transferência de carga expressiva da nimesulida para o
fulerol (~0,23 e-). Logo estes resultados demonstram que embora possa haver uma energia
de ligação considerável entre nimesulida-fulerol, provavelmente devido a interações do tipo
ligações de hidrogênio, não há de fato uma interação química entre estas duas moléculas,
mesmo para a configuração mais estável.
CONCLUSÕES
A partir dos estudos realizados nesse trabalho pode-se verificar que as polihidroxilações produziram modificações consideráveis sobre a estrutura eletrônica da
molécula de C60. Resultados como distorções na superfície do carbono C60 e efeitos de
separação de níveis degenerados, juntamente com um estreitamento da distância HOMOLUMO encontrados neste trabalho, são semelhantes a outros já descritos na literatura. Além
disso, após a hidroxilação homogênea da superfície do C60, o fulerol C60(OH)24 apresentou
dois hemisférios opostos preferenciais para adsorção de outras moléculas. Já a adsorção do
fármaco nimesulida sob a superfície do fulerol C60(OH)24 teve um efeito positivo sobre o
fulerol, ajudando na estabilidade deste último. Além disso, conclui-se que a nimesulida
interage preferencialmente através dos seu grupamento NO2, doando parte da sua carga para
o fulerol. Por fim essa interação é do tipo fraca, característica de um regime de adsorção
física. Tais características aliadas a uma melhor solubilidade em água do fulerol C60(OH)24
em relação ao fulereno C60, tornam este fulerol bastante promissor aplicações biológicas
como um potencial carreador para o fármaco nimesulida.
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