Sisteme Moleculare şi Biomoleculare Complexe

Determinarea structurii cristaline a compușilor bioactivi prin cristalografie RMN

Claudiu Filip, Gheorghe Borodi,  Xenia Filip, Maria Miclăuș, Ioana Grosu

Cristalografia RMN a condus la îmbunătățiri semnificative ale metodologiei de caracterizare structurală a solidelor organice, în principal din pulberi microcristaline, prin combinarea spectroscopiei RMN pe solide, a difracției de raze X pe pulberi și a modelărilor moleculare în sisteme periodice extinse (cristale). Grupul nostru deține o experiență îndelungată^[1] în acest domeniu și a adus contribuții importante, atât prin dezvoltări metodologice cât și prin aplicații practice. Ne-am focalizat în principal pe rezolvarea de probleme structurale complexe în compuși bioactivi, având în ultimii ani raportate peste 15 structuri cristaline pentru noi forme solide ale unor compuși precum Quecetină, Lisinopril, Acciclovir, Ketoconazol, Tadalafil și Prometazină. Între acestea, două dintre cazurile abordate trebuie subliniate în mod special: (i) Lisinopril dihidrat – un compus farmaceutic cu 24 grade de libertate ce trebuie rafinate, a cărui structură cristalină a fost determinată^[2] din pulbere cu un nivel de precizie foarte apropiat de cel caracteristic difracției de raze X pe monocristal, și (ii) Quercetina anhidră – un compus bioactiv de origine naturală cu grupări hidroxil multiple, pentru care o abordare de tip cristalografie RMN s-a dovedit indispensabilă pentru  a putea identifica în mod corect rețeaua de legături de hidrogen^[3] care să conducă la împachetarea cristalină observată.

[1] http://cache2.itim-cj.ro/ttc/
[2] M. Miclăuș, I. Grosu, X. Filip, C. Tripon, C. Filip CrystEngComm 16 (2014) 299-303
[3] X. Filip, I. Grosu, M. Miclăuș, C. Filip  CrystEngComm 15 (2013) 4131-4142

Caracterizarea interacţiunilor intermoleculare dintre bioliganzi şi macromolecule

Adrian Pîrnău, Călin Gabriel Floare, Mihaela Mic, Carmen Bugeac, Mircea Bogdan

Preocupările actuale ale grupului nostru sunt direcţionate înspre înţelegerea mecanismelor de interacţie dintre bioliganzi şi macromolecule (proteine plasmatice, ciclodextrine) în stare lichidă, care să permită caracterizarea sistemelor moleculare în evoluţia lui dinamică, utilizând metode spectrometrice (RMN, UV-Vis, Fluorescenţă) şi calorimetrice (ITC), precum şi metode de calcul ab initio şi simulări de dinamică moleculară.

Din punct de vedere biochimic şi clinic, studiul interacţiunii dintre medicamente şi proteine este o problemă importantă. Transportul medicamentelor în organism are loc prin intermediul sistemului circulator. Proteinele plasmatice prezintă abilitatea de a lega şi transporta o gamă largă de medicamente, metaboliți şi compuşi organici. Utilizând metode complementare am determinat stoichiometria şi constanta de asociere, dintre zidovudină (AZT) şi albumină serică umană (HSA), parametrii esențiali care indică afinitatea de legare a medicamentului de proteină^[1]. De asemenea şi ciclodextrinele sunt utilizate ca transportori de medicamente în vederea optimizării eliberării controlate a acestora. Astfel caracterizarea complexului de incluziune β-cyclodextrină (β-CD) cu 1-Methyl-1-({2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-1,3-thiazol-4-yl}methyl piperidinium chloride (1MPTMPC) s-a realizat atât în soluţie cât şi în stare solidă^[2].

[1] A. Pîrnău, M. Mic, S. Neamţu, C. G. Floare, M. Bogdan, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 191 (2018) 226–232
[2] M. Mic, A. Pîrnău, C. G. Floare, M. Miclăuș, I. Kacso, M.Palage, M. Bogdan, Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry 92 (2018) 195–204

Obținerea formelor solide ale compușilor bioactivi prin cristalizare high-throughput

Flavia Martin, Irina Kacsó, Maria Miclăuș, Ioana Grosu

Dezvoltarea unui medicament sau a unui supliment alimentar este un proces complex, costisitor şi de lungă durată, în cadrul căruia optimizarea formei solide a ingredientului activ reprezintă o etapă importantă. Forma solidă selectată influenţează în mod direct proprietăţile esenţiale ale unui compus bioactiv: solubilitatea, stabilitatea, biodisponibilitatea. Din acest motiv, screening-ul de noi forme solide (polimorfi, săruri, cocristale, hidraţi/solvaţi) este un proces important în dezvoltarea produsului final.

Screening-ul de forme solide noi cu tehnici de cristalizare în regim high-throughput (paralel) oferă posibilitatea aplicării unei game variate de metode de cristalizare, asigurând diversitatea experimentală necesară. Astfel, crește mult probabilitatea obținerii de forme solide stabile.

Expertiza grupului de cercetare a condus la obținerea a peste 30 de forme solide noi, dintre acestea unele având stabilitate și solubilitate îmbunătățită față de ingredientul activ disponibil pe piață. Un astfel de exemplu este Ketoconazolul: în urma unui studiu sistematic de inginerie cristalină efectuat în vederea îmbunătăţirii solubilităţii acestuia, s-au obţinut rezultate spectaculoase în cazul unei serii de sisteme cristaline binare cu acizi dicarboxilici. Dintre acestea, sarea Acidului oxalic cu Ketoconazol şi cocristalul Ketoconazol – Acid fumaric au o solubilitate de 50 de ori, respectiv de peste 100 de ori mai mare decât Ketoconazolul^[1].

[1] Flavia A.Martin, Mihaela M. Pop, Gheorghe Borodi, Xenia Filip, Irina Kacsó, Cryst. Growth Des. 13(2013) 4295–4304

Caracterizarea polidopaminei prin RMN pe solide în sisteme marcate izotopic

Claudiu Filip în colaborare cu Monica Cîrcu din cadrul echipei de cercetare Materiale multifuncționale și compuși biologic activi

În ciuda numărului mare de aplicații practice ale polidopaminei (PDA), limitările impuse de complexitatea ridicată a structurii sale, face ca abordarea acestei probleme prin metode analitice convenționale să fie foarte dificilă.

Pentru a putea depăși aceste limitări inerente metodelor clasice, am introdus o abordare nouă, bazată pe studiul prin spectroscopie RMN pe solide a unor probe de pDA obținute prin diverse scheme de marcare izotopică selectivă. Am demarat acest program prin analiza RMN-s a polidopaminei preparate din dopamina marcată în variant D₃-ring vs dopamine autentică în D₂O vs H₂O: rezultatele obținute până în prezent ne-au furnizat importante noi informații structurale și dinamice^[1]. Concret, studiile ne-au demonstrat că mai mult de jumătate din pozițiile de la inelele de fenil rămân protonate în PDA și că majoritatea inelelor fenil / indol sunt rigide. În plus, am evidențiat și faptul că moleculele de apă participă la un proces lent de difuzie în interiorul probei, dar și din și înspre probă.

^[1] M. Cîrcu, C. Filip, Polym. Chem. 9 (2018) 3379-3387

Senzori electrochimici biomimetici

Diana Bogdan, Maria Suciu, Lucian Barbu-Tudoran
Colaborare cu grupul Prof. Cecilia  Cristea, Universitatea de Medicină și Farmacie Iuliu Hațieganu din Cluj-Napoca

Senzorii electrochimici au înregistrat o creștere extraordinară în ultimul deceniu datorită progreselor în chimia materialelor și a celor din tehnologiile de comunicație digitală. În particular, electrozii modificați chimic au aplicații practice biomedicale în dezvoltarea unor dispozitive de analiză rapide, sensibile, selective, ușor de utilizat și noninvazive.

Colaborarea cu grupul Prof. Cecilia Cristea (UMF Cluj-Napoca), grup în care se dezvoltă astfel de senzori, a vizat în principal caracterizarea prin microscopie de forță atomică (AFM) și microscopie electronică (SEM/TEM) a trei categorii de senzori electrochimici dezvoltați la UMF Cluj: senzori electrochimici pentru detecția dopaminei^[1], senzori electrochimici pe bază de nanoparticule de polipirol (PPyNPs) decorate cu nanoparticule de aur (AuNPs) pentru detecția selectivă și senzitivă a serotoninei din probe reale de ser^[2] și aptasenzori impedimetrici pentru detecția selectivă a Interleukinei 6 (IL-6) cu utilitate în screeningul cancerului colorectal^[3]. Rezultatele furnizate de grupul nostru au contribuit la caracterizarea morfologică și topografică a suprafaței nanostructurate a electrozilor după fiecare dintre etapele de fabricație.

[1] M Tertiș, A Florea, A Adumitrăchioaie, A Cernat, D Bogdan, L Barbu-Tudoran, N Jaffrezic Renault, R Săndulescu, C Cristea ChemPlusChem 82(4) (2017) 561-569
[2] M Tertiș, PI Leva, D Bogdan, M Suciu, F Graur, C Cristea Biosens Bioelectron 137 (2019) 123-132
[3] M Tertiș, A Cernat, D Lacatiș, A Florea, D Bogdan, M Suciu, R Săndulescu, C Cristea Electrochem Commun 75 (2017) 43-47

Investigarea prin RMN pe solide a sistemelor polimerice

Claudiu Filip, Xenia Filip
Colaborare cu Prof. Jürgen Liebscher, Dr. Alexandrina Nan și Dr. Anca Petran din cadrul echipei de cercetare Materiale multifuncționale și compuși biologic activi

Cercetările din cadrul echipei Materiale multifuncționale și compuși biologic activi în domeniul materialelor polimerice și a compozitelor pe bază de polimeri vizează printre altele obținerea de noi polimeri / copolimeri, de preferinţă biocompatibili și biodegradabili, cu proprietăți adaptate pentru aplicații în industria farmaceutică, depoluare și medicină. Pentru a răspunde unor astfel de cerințe, este necesară o caracterizare cât mai detaliată a structurii și proprietăților fizico-chimice asociate noilor sisteme.

În contextul acestor cercetări, echipa noastră oferă întreaga expertiză în caracterizarea structurii materialelor polimerice prin spectroscopie RMN pe solide, contribuind de-a lungul timpului la o serie de rezultate remarcabile ale acestui grup de cercetare, dintre care amintim: determinarea unor caracteristici structurale ale polidopaminei^[1], caracterizarea prin RMN pe solide ai unor analogi ai polidopaminei^[2], și respectiv a unor noi polimeri biocompatibili / biodegradabili pe bază de acid tartaric^[3] și bezofuran-co- acid arylacetic^[4].

[1] J. Liebscher, R. Mrowczynski, S.A. Scheidt, C. Filip, N.D. Hădade, R. Turcu, A. Bende, S. Beck, Langmuir, 29 (2013) 10539-10548
[2]A. Petran, N. D. Hădade, C. Filip, X. Filip, A. Bende, A. Popa, J. Liebscher, Macromolec. Chem. Phys. 219 (2018) 1700564; A. Petran, R. Mrowczynski, C. Filip, R. Turcu, J. Liebscher, Polym. Chem. 6 (2015) 2139-2149
[3]A.Nan, X. Filip, M. Dan, O. Marincaş, J. Cleaner Prod. 210 (2019) 687-696
[4] A. Nan, A. Bunge, M. Cîrcu, A. Petran, N.D. Hădade, X. Filip, Polym. Chem. 8, (2017) 3504-3514

Sisteme complexe moleculare și biomoleculare

Domeniu: Proprietăți de transport termic și de masă prin materiale mezoporoase, utilizate în stocarea de gaze
Colaborare cu Laboratorul de Dinamică și Structură a Materialelor  (UDSMM) din cadrul Universității Litoral – Coasta de Opal, Dunkerque, Franța.

Sistemele în stare solidă oferă o opțiune foarte atractivă pentru stocarea compactă a gazelor. Printre aceste sisteme solide, pulberile organo-metalice reprezintă o alternativă promițătoare de stocare a hidrogenului , în domeniul temperaturilor criogenice. Topologia acestor materiale este reprezentată în figura de mai jos.

Pentru a crește capacitatea de stocare a hidrogenului în vederea aplicațiilor on-board, aceste pulberi se presează sub formă de blocuri compacte. Caracterizarea lor termică ne dă informații directe referitoare la dinamica procesului de adsorpție/desorpție a hidrogenului (cinetica de reacție). Estimarea conductivității termice efective a materialelor ultraporoase este adesea foarte complicată datorită transferului termic foarte slab prin aceste materiale, respectiv datorită contactului termic prost între un senzor piroelectric și proba analizată. Este important să menționăm contribuția celor două grupuri atât la dezvoltarea tehnicilor de caracterizare termică  ale materialelor ultraporoase (cum este cazul tehnicii non-contact de radiometrie fototermică, termografia de detecție sincronă), cât și la optimizarea proprietăților de material (îmbunătățirea transferului termic), în scopul elucidării mecanismelor de transfer termic/transfer de masă prin aceste materialele ultra-poroase.

Contribuția grupului din INCDTIM: caracterizarea termică a materialelor ultra-poroase prin tehnici calorimetrice / termogradia de detecția sincronă, elaborarea și optimizarea materialelor din punct de vedere al transferului termic, analize structurale, măsurarea cineticii de reacție¹. Contribuția grupului din Franța: caracterizarea termică a materialelor ultra-poroase prin radiometrie fototermică (PTR). Rezultatele celor două grupuri au fost corelate, analizate și diseminate prin publicații comune^2,3.

Scurta descriere a grupului din Franța

Grupul de fenomene de transport termic (parte a UDSMM) este preocupat de transferul de căldură și de masă în procesele fizice și chimice care intervin în diferite materiale avansate cu aplicații cu precădere în domeniul energiei. În ultimii ani au fost dezvoltate în cadrul grupului diferite tehnici de caracterizare termică adaptate la o gamă largă de materiale: calorimetria fotopiroelectrică în domeniul criogenic de temperatură (sub 100K), calorimetria adiabatică respectiv tehnica de termoreflectanță, pentru caracterizarea termică a straturilor subțiri.

¹ Blăniță G, Streza M, Lazăr MD, Lupu D, Int. J Hydrogen Energ 42 (5), (2017).
² M. Streza, S. Longuemart, E. Guilmeau, M. Depriester, A.H. Sahraoui, Journal of Physics D-Appl. Physics 49 (28) (2016).
³ M. Streza, O. Grad, D. Lazăr, M. Depriester, S. Longuemart, A.H. Sahraoui, G. Blăniță, D. Lupu Int. J. Heat Mass Transfer (2019) – accepted