Μελέτη και σχεδιασμός νανοσωματίων και νανοδομών με βάση το πυρίτιο κατάλληλων για βιολογικές και ιατρικές εφαρμογές

Abstract

Silicon nanoparticles, which are the building blocks of porous (nano-porous and meso-porous) silicon, are characterized by biocompatibility, biodegradability, low toxicity and solubility; and they exhibit extraordinary qualities for biochemical applications for controlled drug delivery and for tissue engineering. For an efficient design and functionality of such complex systems a fundamental understanding of their biochemical properties and interactions is indispensable at the molecular level. The present study aims at the fundamental ab initio description (without any empirical parameters) and understanding at the molecular level of such interactions, which also constitute a first basic step towards a bottom up multiscalar approach for the drug delivering process, based on ab initio density functional theory (DFT). At this level our study is twofold: (1) To study the chemical and biochemical properties of well-known silicon nanoparticles, such as silicon nanocrystals, which are the building blocks of nano- and meso- porous silicon, already used as drug carriers; and (2) to explore the possibility of ab initio designing potential new as yet untested drug delivery agents based on silicon. To this end, we employ a recently developed chemical analogy between silicon and boron known as the “boron connection”, taking advantage the latest developments in the biomedical organoboron Chemistry for designing new organosilicon applications for drug delivery nanocarriers. For the first target of our study we have investigated and calculated the biochemical interaction energy of representative Si nanoparticles with selected amino acids, such as glycine (GLY), and representative drags as tamoxifen (TAM). For these interactions we have found that there relative magnitudes are fully compatible for our target of controlled drug delivery with silicon nanoparticles.For our second target, we have also illustrated that most of the tentative si-based nanocarriers that we have theoretically and computationally designed as borane/carborane analog structures, based on the “boron connection”, have indeed similar biochemical properties (they are isolobal) as their parent boron analogs, already used for drug delivery. As a result it is anticipated that they are highly probable to be used successfully for targeted drug delivery, as their “parent” borane / carborane based structures, which have already been tested for such applications.

Τα νανοσωματίδια πυριτίου, τα οποία είναι τα δομικά στοιχεία του πορώδους (νανο-πορώδους και μεσο-πορώδους) πυριτίου, χαρακτηρίζονται από βιοσυμβατότητα, βιοαποικοδομησιμότητα, χαμηλή τοξικότητα και διαλυτότητα και παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες για βιοχημικές εφαρμογές, για ελεγχόμενη μεταφορά φαρμάκου και για μηχανική των ιστών. Για τον αποτελεσματικό σχεδιασμό και λειτουργικότητα τέτοιων πολύπλοκων συστημάτων είναι απαραίτητη η κατανόηση των θεμελιωδών βιοχημικών τους ιδιοτήτων και των αλληλεπιδράσεών τους σε μοριακό επίπεδο. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στη θεμελιώδη περιγραφή από «πρώτες αρχές» (ab initio), χωρίς την εισαγωγή αυθαιρέτων εμπειρικών παραμέτρων, και την κατανόηση σε μοριακό επίπεδο αυτών των αλληλεπιδράσεων, οι οποίες αποτελούν ταυτόχρονα ένα πρώτο βασικό βήμα προς την κατεύθυνση μιας «ριζικής» από κάτω προς τα πάνω (bottom up) προσέγγισης πολλαπλής κλίμακας, για τη διαδικασία μεταφοράς φαρμάκων, με βάση την από πρώτες αρχές (ab initio) θεωρία συναρτησιακού ηλεκτρονικής πυκνότητας (Density Functional Theory, DFT). Σε αυτό το επίπεδο ο ρόλος της μελέτης μας είναι διττός: (1ον ) Αφενός να μελετήσει τις χημικές και βιοχημικές ιδιότητες γνωστών νανοσωματιδίων πυριτίου, όπως για παράδειγμα νανοκρυστάλλων πυριτίου, οι οποίοι αποτελούν τα δομικά στοιχεία του νανο- και μεσο- πορώδες πυρίτιου, που έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί ως φορείς φαρμάκων. Και (2ον) αφετέρου να διερευνήσει τη δυνατότητα του ab initio σχεδιασμού πιθανών νέων (αγνώστων έως τώρα) νανοσωματιδίων και νανοσυστημάτων βασισμένων στο πυρίτιο κατάλληλων για μεταφορά φαρμάκων, που δεν έχουν ακόμα δοκιμαστεί. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε μία πρόσφατα προταθείσα χημική αναλογία μεταξύ Πυριτίου και Βορίου γνωστή ως “Boron connection” («Σύνδεσμος Βορίου»). Με την διαδικασία αυτή αξιοποιούμε τις τελευταίες εξελίξεις στη βιοϊατρική οργανοβορική Χημεία για οργανοπυριτικές εφαρμογές στον σχεδιασμό νέων νανοφορέων φαρμάκων, για πιθανές αντίστοιχες εφαρμογές με βάση το πυρίτιο. Ως προς το πρώτο μέρος της εργασίας, ερευνήσαμε και υπολογίσαμε τη βιοχημική ενέργεια αλληλεπίδρασης αντιπροσωπευτικών νανοσωματίδίων πυριτίου (Si) με επιλεγμένα αμινοξέα, όπως η γλυκίνη (GLY), και επιλεγμένα φάρμακα, όπως το ταμοξιφέν (TAM). Βρήκαμε για τις αλληλεπιδράσεις αυτές τιμές συμβατές για την επίτευξη του στόχου της εναπόθεσης φαρμάκων με νανοσωμάτια πυριτίου, σε σχέση με την απευθείας εναπόθεση. Ως προς τον δεύτερο στόχο της μελέτης μας, έχουμε θεωρητικά επιβεβαιώσει ότι οι περισσότεροι από τους αντίστοιχους δοκιμαστικούς νανοφορείς «χτισμένους» με βάση το πυρίτιο που έχουμε θεωρητικά και υπολογιστικά σχεδιάσει χρησιμοποιώντας την αρχή του «συνδέσμου Βορανίου» (“Boron connection”) και υπάρχοντες ανάλογους νανοφορείς βασισμένους σε νανοσωμάτια γνωστών Βορανών και Καρβορανών, είναι όντως «ισολοβικές» και έχουν παρόμοιες χημικές και βιοχημικές ιδιότητες. Ως εκ τούτου, αναμένεται να έχουν μεγάλη πιθανότητα να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία για στοχευμένη εναπόθεση φαρμάκων όπως οι μητρικές δομές βορανίου / καρβορανίου, που έχουν ήδη δοκιμαστεί για τον σκοπό αυτό.