náhled|Dendrimer a dendron
Dendrimery (také se používají označení arboroly, dendrony a kaskádové molekuly) jsou vysoce uspořádané polymery s rozvětvenými molekulami.Vögtle, Fritz / Richardt, Gabriele / Werner, Nicole Dendrimer Chemistry Concepts, Syntheses, Properties, Applications 2009
Molekuly dendrimerů jsou obvykle souměrné podle svých středů a často zaujímají kulovitý tvar. Většinou obsahují chemicky dostupnou funkční skupinu, nazývanou ohnisko nebo jádro. Rozdíly mezi dendrimery a dendrony jsou zobrazeny výše; tyto pojmy se však často zaměňují.
náhled|Krystalová struktura polyfenylenového dendrimeru první generace
náhled|Struktura „cyanostarového“ dendrimeru a jeho obrázek ze skenovacího tunelového mikroskopu
První dendrimery připravili Fritz Vögtle v roce 1978 divergentní syntézou, R. G. Denkewalter v roce 1981, Donald Tomalia roku 1983 a 1985 a ve stejném roce i George R. Newkome.
V roce 1990 vyvinuli Craig Hawker a Jean Fréchet konvergentní metodu přípravy.
Příprava náhled|Příprava arborolu druhé generace Jeden z prvních dendrimerů, Newkomeův dendrimer, byl připraven v roce 1985. Na obrázku výše je zobrazen mechanismus přípravy prvních dvou generací divergentním způsobem. Nejprve se provede nukleofilní substituce 1-bromopentanu triethylnatriomethantrikarboxylátem v dimethylformamidu a benzenu. Esterové skupiny se poté redukují hydridem lithnohlinitým na triol, čímž se odstraní chránicí skupina. Následuje aktivace konců řetězce přeměnou alkoholových skupin na tosylové pomocí tosylchloridu a pyridinu. Tosyly slouží jako odstupující skupiny v další reakci s trikarboxylátem, při níž vzniká druhá generace. Opakováním předchozích dvou kroků se dají připravit arboroly vyšších generací.
Nejrozšířenějším dendrimerem je poly(amidoamin) (PAMAM). Jeho jádro tvoří diamin (obvykle ethylendiamin), jenž reaguje s methylakrylátem a pak s dalším ethylendiaminem za vzniku PAMAMu generace 0 (G0). Následnými reakcemi se poté získávají produkty vyšších generací, které mají odlišné vlastnosti. Nižší generace nemají žádné znatelné vnitřní oblasti, zatímco (G3 a G4) mají vnitřní prostory zřetelně oddělené od vnější části dendrimeru. Velké (G7 a větší) dendrimery se chovají jako pevné částice s velmi hustými povrchy, což je způsobeno strukturou jejich vnějších vrstev. Funkční skupiny na povrchu dendrimerů lze využít v mnoha oblastech .
Dendrimery mají tři hlavní části: jádro, vnitřní obálku a vnější obálku. Obvykle lze dendrimer připravit tak, aby měl v každé této části jiné funkční skupiny; tím se dají ovlivňovat vlastnosti, jako jsou rozpustnost, tepelná stálost a možnost připojení dalších sloučenin k různým účelům. Velikost a rozvětvenost dendrimeru se také určuje při jeho přípravě. Existují dvě metody syntézy dendrimerů, divergentní a konvergentní. Vzhledem k tomu, že je třeba provést mnoho kroků k ochraně aktivních míst, tak je syntéza některou z těchto metod obtížná. Kvůli tomu jsou dendrimery těžké na přípravu a drahé.
Divergentní metody náhled|Schéma divergentní syntézy dendrimerů Dendrimery mají víceúčelová jádra, která jsou rozšiřována posloupnostmi reakcí, jako je Michaelova reakce. Každý krok musí proběhnout úplně, aby se zamezilo chybám ve struktuře dendrimeru, kvůli čemuž by mohly být některé větve kratší než ostatní. Nečistoty mohou způsobit odchylky ve funkcionalitě a symetrii dendrimeru, dosažení čistoty je však obtížné, protože rozdíly mezi správnými a nesprávnými dendrimery bývají malé.
Konvergentní metody náhled|Schéma konvergentní syntézy dendrimerů Dendrimery lze připravit z malých molekul, které zůstávají navázány na povrch jejich molekul, a reakcemi uvnitř struktury, po kterých se funkční skupiny navazují na jádro. U tohoto postupu je odstraňování nečistot mnohem snadnější a vznikají zde kratší větve, takže vytvořený dendrimer je více monodisperzní. Dendrimery připravené tímto způsobem ovšem nejsou kvůli sterickým efektům tak velké jako ty připravené divergentními metodami.
Click chemie náhled|Příprava dendrimeru Dielsovou–Alderovou reakcí
Dendrimery je možné připravit metodami click chemie, jako jsou Dielsovy–Alderovy reakce, thiol-enové a thiol-ynové reakce a reakce azidů s alkyny.
Vlastnosti Dendrimery a dendrony se vyznačují monodisperzitou a obvykle i vysokou symetričností a sféričností molekul. Dendritické molekuly lze přibližně rozdělit na látky s nízkými a vysokými molárními hmotnostmi. Do první kategorie patří dendrimery a dendrony, do druhé dendronizované polymery, hyperrozvětvené polymery a polymerové kartáče.
Vlastnosti dendrimerů převážně určují funkční skupiny na povrchu molekul, existují však i dendrimery s vnitřními funkcionalitami.
Dendritické zapouzdření funkčních molekul umožňuje izolaci aktivního místa, struktury napodobující aktivní místa u biomateriálů.
Lze připravit dendrimery rozpustné ve vodě (což u většiny polymerů není možné), a to funkcionalizací jejich vnějších vrstev nabitými nebo jinými hydrofilními skupinami. K řiditelným vlastnostem patří rovněž toxicita, krystaličnost a chiralita.
Dendrimery mohou být také klasifikovány podle generací, což jsou čísla udávající počet opakujících se rozvětvených cyklů vznikajících v průběhu jejich syntézy. Například dendrimer získaný konvergentní syntézou (na obrázku níže), u něhož byly provedeny rozvětvovací reakce třikrát, se řadí do třetí generace. Každá další přidaná generace přibližně zdvojnásobuje molekulovou hmotnost dendrimeru předchozí generace. Dendrimery vyšších generací mívají více funkčních skupin na povrchu, což je možné využít k úpravě jejich vlastností.
Použití Dendrimery se obvykle používají k připojování dalších sloučenin, které mohou fungovat jako detekční látky, afinitní ligandy, radioligandy, kontrastní látky nebo léčiva. Dendrimery mají pro tato využití velký potenciál, protože jejich struktury mohou tvořit vícevazné systémy; jedna molekula dendrimeru má i stovky míst, kam navázat aktivní látky. Je veden výzkum zaměřený na úpravu hydrofobních prostředí dendritických médií za účelem provádění fotochemických reakcí vytvářejících produkty, jejichž syntéza je jinak obtížná. Byly připraveny ve vodě rozpustné dendrimery zakončené karboxylovými a fenolovými skupinami vhodné pro doručování léčiv i schopné chemických reakcí ve svých vnitřních částech.
Probíhají snahy o navazování zaměřovacích molekul a molekul léčiv na stejný dendrimer, čímž by se omezily vedlejší účinky na zdravé buňky.
Dendrimery také lze použít ke zlepšení rozpustnosti. Od svého zavedení v 80. letech 20. století jsou dendrimery díky své struktuře velkými kandidáty na využití v chemii host–guest.
Dendrimery s hydrofobními jádry a hydrofilními vnějšími částmi mají v roztocích vlastnosti podobné micelám.
Využití dendrimerů jako jednomolekulových micel navrhl George R. Newkome v roce 1985.
Tímto objevem bylo rozvinuto využití dendrimerů ke zlepšování rozpustnosti.
Většina léčiv má hydrofobní vlastnosti, což způsobuje řasu potíží. Tyto nevýhody lze překonat navázáním dendrimerů, které uzavřou do sebe molekuly léčiva a zlepší jejich rozpustnost v důsledku tvorby vodíkových vazeb s vodou.
Po celém světě probíhá výzkum využití dendrimerů při doručování léčiv a cílově specifických nosičů.
Příkladem dendrimeru s farmaceutickým využitím je polyethoxyethylglycinamidový (PEE-G) dendrimer. Tento dendrimer má vysokou HPLC čistotu, je stabilní, rozpustný ve vodě a vykazuje nízkou toxicitu.
Distribuce léčiv náhled|Struktura G-5 PAMAMového dendrimeru s navázanými molekulami barviva a DNA
Byly vyvinuty postupy pro doručování přírodních látek pomocí polymerních nosičů. Dendrimery se zkoumají pro možné uzavření hydrofobních sloučenin a jejich doručování do buněk. Vlastnosti dendrimerů, jako jsou monodisperzita, rozpustnost ve vodě, schopnost obalení molekul a velké množství navázatelných funkčních skupin a makromolekul z nich činí vhodné kandidáty na doručování léčiv.
Vliv chemických modifikací dendrimeru Dendrimery jsou dobře využitelnými nosiči pro léčiva díky širokému spektru chemických modifikací, které mohou zlepšit jejich využitelnost in vivo a umožňují cílené doručení léčiva na konkrétní místo.
Navázání léčiva na dendrimer lze dosáhnout třemi způsoby (1) kovalentním nebo konjugačním připojením na vnější povrch za vzniku dendrimerového proléčiva, (2) iontovou koordinací na nabité vnější funkční skupiny a (3) micelovitým obalením jeho molekuly.
U proléčivové struktury může být vazba léčiva na dendrimer, v závislosti na požadované kinetice, přímá nebo skrz jinou skupinu. Tato skupina by měla být citlivá na pH, odštěpitelná pomocí enzymu, nebo obsahovat disulfidový můstek. Velké množství použitelných skupin zajišťuje rozsáhlé možnosti úpravy vlastností, i připojení další molekuly. Hlavními parametry jsou (1) mechanismus uvolnění po příchodu na cílové místo, ať už v buňce nebo orgánové soustavě, (2) prostorové vlastnosti systému léčivo-dendrimer, které mají zabránit lipofilním molekulám ve skládání do dendrimeru, a (3) rozložitelnost propojující skupiny a následné změny v molekule léčiva.
Častou látkou sloužící k pozměnění povrchového náboje a doby cirkulace dendrimerů je polyethylenglykol (PEG). Povrchový náboj má vliv na interakce dendrimerů s biologickými systémy, například dendrimery upravené na aminových koncích interagují s buněčnými membránami skrze aniontové náboje. Některé studie in vivo ukázaly, že polykationtové dendrimery jsou v důsledku zvýšení propustnosti membrán cytotoxické, což lze omezit PEGylacemi aminových skupin, vedoucími k nižší cytotoxicitě a omezení hemolýzy.
V dalších studiích bylo zjištěno, že PEGylace dendrimerů zpomaluje uvolňování léčiv, prodlužuje cirkulační časy in vivo a snižuje toxicitu.
K úpravě biodistribuce dendrimerů a umožnění jejich zacílení na jednotlivé orgány lze použít mnoho různých funkčních skupin; například folátové receptory mají v nádorových buňkách příliš vysokou míru exprese a jsou tak potenciálními cíli lokalizovaného doručování chemoterapeutik. Konjugací kyseliny listové na PAMAMové dendrimery dochází ke zlepšení cílenosti a k omezení toxických účinků mimo cílové buňky za současného zachování účinků.
Zaměřování dendrimerů na cílové buňky pomocí protilátek se také ukázalo jako slibné pro zacílené doručování léčivých látek. Vzhledem k tomu, že jsou EGF receptory v mozkových nádorech často přeexpresované, tak se jedná o vhodné cíle místně specifických léků. Dodávka boru do nádorových buněk je důležitá pro účinnost léčby záchyty neutronů, která vyžaduje vysokou koncentraci boru v nádorových a nízkou koncentraci ve zdravých buňkách. Borovaný dendrimer konjugovaný s monoklonální protilátkou cílící na EGF u krys umožnil k účinné distribuci boru do nádorů.
Použití nanočástic dendrimerů s peptidy bylo úspěšné při cílené destrukci HCT-116 buněk karcinomu tlustého střeva. Cílené peptidy lze použít k dosažení místní či buněčné specifity; tyto peptidy vykazují lepší specificitu při spojení s dendrimery. Příkladem může být gemcitabin-YIGSR-CMCht/PAMAM, druh dendrimerové nanočástice, který cíleně ničí tyto nádorové buňky, čehož se dosahuje selektivními interakcemi dendrimeru s lamininovými receptory. Peptidové dendrimery by mohly být využity k přesné distribuci léčiv do nádorových buněk.
Mechanismus příjmu dendrimerů buňkami lze rovněž upravovat pomocí cílených chemických modifikací. Nezměněný PAMAM-G4 dendrimer vstupuje do aktivovaných mikroglií endocytózou v kapalné fázi. Modifikacemi PAMAM-G4 dendrimerů manózou je možné změnit mechanismus internalizace na manózovým receptorem (CD206) řízenou endocytózu. Navázání manózy u králíků mění biodistribuci ve zbytku těla.
Farmakokinetika a farmakodynamika