Una ciclodextrina (a veces llamada cicloamilosa ) es una molécula de jaula o jaula molecular de origen natural que permite encapsular varias moléculas. Las ciclodextrinas se encuentran hoy en día en un gran número de productos agroalimentarios y farmacéuticos y, por lo tanto, son objeto de mucha investigación científica.
Una ciclodextrina es un oligómero cíclico ( oligosacárido ) compuesto de glucopiranosa de n miembros C 6 H 10 O 5enlazado en α- (1,4), de ahí la fórmula bruta (C 6 H 10 O 5 ) n. Para ciclodextrinas típicas, los valores de n son 6, 7 u 8. Pero otras ciclodextrinas tienen valores más altos de n, del orden de 10 a 30 o incluso más. Las más grandes de estas moléculas se denominan "ciclodextrinas gigantes" y pierden las propiedades de las jaulas de moléculas. Como ocurre en el idioma inglés, parece razonable reservar el término cicloamilosas para aquellas ciclodextrinas que tienden a acercarse a la amiloidosis . Este oligómero de cadena abierta tiene un gran número de eslabones de cadena C 6 H 10 O 5. Observamos la analogía estructural entre: por un lado las tres ciclodextrinas típicas y amilosa, y por otro lado los tres cicloalcanos (CH 2 ) ncon n = 6, 7 u 8 y polietileno (CH 2 ) n con n muy grande.
Una primera ciclodextrina fue aislada y cristalizada en 1891 por Antoine Villiers-Moriamé como un subproducto muy menor de la degradación del almidón por la bacteria Bacillus amylobacter . La composición química que midió es de hecho la de una ciclodextrina, pero la solubilidad medida en agua (13 g / L a 15ºC) era demasiado baja para permitirle deducir la masa molar de la misma mediante crioscopia . Esta solubilidad se corresponde bien con la de la β-ciclodextrina. A principios de la década de 1900, Schradinger aisló la bacteria Bacillus macerans que degrada el almidón al proporcionar ciclodextrinas con un rendimiento del 25-30% y cristaliza α y β-ciclodextrinas. Más adelante mostraremos que otras bacterias (por ejemplo, el bacilo alcaloofílico ) hacen lo mismo. Las ciclodextrinas todavía se producen hoy en día principalmente por degradación enzimática de amilosa (fracción lineal de almidón).
Se utilizan o estudian principalmente tres familias α-, β- y γ-ciclodextrinas formadas respectivamente por 6, 7 y 8 miembros C 6 H 10 O 5.
| α-ciclodextrina | β-ciclodextrina | γ-ciclodextrina | |
|---|---|---|---|
| número CAS | |||
| Fórmula bruta | C 36 H 60 O 30 | C 42 H 70 O 35 | C 48 H 80 O 40 |
| Masa molar (g / mol) | 972,8 | 1135.0 | 1297.1 |
| Temperatura de transición del vidrio | 292 ° C ± 2 ° C . | ||
| Diámetro en nm de la cavidad de 0,79 nm de longitud | 0,47 hasta 0,53 | 0,60 hasta 0,65 | 0,75 hasta 0,83 |
| Solubilidad en agua a 25 ° C (g / L) | 145 | 18,5 | 232 |
Se pueden obtener muchos derivados a partir de ciclodextrinas naturales: los grupos hidroxilo de las unidades de glucopiranosa se pueden aminar, esterificar o eterificar. La síntesis de estos derivados suele tener como objetivo la obtención de una buena solubilidad . Entre los más estudiados se encuentran los derivados de la β-ciclodextrina (βCD, natural, inglés nativo ): hidroxipropil-β-ciclodextrina (HPCD) y β-ciclodextrina metilada al azar (Rameβ-CD).
En general, las ciclodextrinas y sus derivados hidrófilos se consideran prácticamente no tóxicos cuando se administran por vía oral. De hecho, estas moléculas apenas se difunden a través de las membranas biológicas y no se absorben durante el tránsito intestinal ( LD50 oral, rata 18.800 mg / kg para β-ciclodextrina, según MSDS ). Así, en un informe de 1995, basado en el de 1993, la OMS (Comité Mixto FAO / OMS de Expertos, 1993, 1995), dio una Ingesta Diaria Aceptable de 5 mg por kg de masa corporal para βCD, basada en una dosis sin efecto dañino. ( NOEL ) del 1,25% en la dieta de los perros (factor de seguridad 200). La FDA (Food and Drugs Agency) autoriza su uso como aditivo alimentario hasta un 0,5 a 2% según el producto. Por tanto, el BCD se utiliza en la industria alimentaria como aditivo alimentario (E459).
Estas moléculas pueden considerarse ecocompatibles y se degradan en el medio natural. Sin embargo, la ciclodextrina natural se degrada más fácilmente que las ciclodextrinas modificadas: 82% de biodegradación de BCD en 28 días, pero solo 9% para HPCD y 9% para MCD.
Las ciclodextrinas tienen una estructura de cono truncado, delimitando una cavidad en su centro. Esta cavidad presenta un ambiente de carbono apolar y bastante hidrofóbico (esqueleto de carbono y oxígeno en un enlace de éter), capaz de acomodar moléculas poco solubles en agua, mientras que el exterior del toro tiene muchos grupos hidroxilo, lo que conduce a una buena solubilidad (pero muy variable según sobre los derivados) de ciclodextrinas en medio acuoso. Se observará que la β-CD natural es casi diez veces menos soluble que la α-CD y la γ-CD naturales: de hecho, todas las ciclodextrinas tienen un cinturón de enlaces de hidrógeno fuera del toro. Resulta que este "cinturón" es mucho más rígido en β-CD, lo que explica la dificultad de esta molécula para formar enlaces de hidrógeno con el agua y por tanto su menor solubilidad en medio acuoso. Gracias a esta cavidad apolar, las ciclodextrinas pueden formar complejos de inclusión en medio acuoso con una amplia variedad de moléculas huésped hidrófobas. Se pueden encapsular una o más moléculas en una, dos o tres ciclodextrinas.
La formación del complejo supone una buena correspondencia entre el tamaño de la molécula huésped y el de la ciclodextrina (el huésped). “Se produce de forma no covalente dentro de la cavidad gracias a enlaces de hidrógeno o interacciones electrónicas de Van der Waals” . El interior de la cavidad proporciona un microambiente lipofílico en el que se pueden colocar moléculas apolares . La principal fuerza que provoca la formación de estos complejos es la estabilización energética del sistema mediante la sustitución en la cavidad de moléculas de agua de alta entalpía por moléculas hidrófobas que crean asociaciones apolar-apolares. Estas moléculas invitadas se encuentran en equilibrio dinámico entre su estado libre y complejado. El resultado de esta complejación es la solubilización de moléculas hidrófobas muy insolubles en la fase acuosa. Por tanto, las ciclodextrinas son capaces de formar complejos en un medio acuoso y, por tanto, de disolver los compuestos hidrófobos (la polaridad de la cavidad es comparable a la de una solución acuosa de etanol ). Las ciclodextrinas también son capaces de crear complejos de diferentes estequiometrías dependiendo del tipo de molécula invitada: varias CD pueden complejar la misma molécula o varias moléculas pueden complejarse por la misma CD. Es habitual señalar (i: j) la estequiometría del complejo, donde j indica el número de CD implicadas ei el número de moléculas complejadas. Tenga en cuenta que las variaciones alrededor de estas estequiometrías son muy grandes, siendo los complejos más comunes (1: 1), (2: 1) y (1: 2), ¡pero existen complejos (3: 4) o incluso (5: 4)!
Caso especial de dímeros de ciclodextrinaRecientemente se ha publicado que algunos dímeros de ciclodextrina pueden sufrir una extraña deformación en el agua. De hecho, la unidad de glucopiranosa que lleva el grupo "enlazador" puede girar 360 °, lo que permite la formación de un complejo de inclusión entre la ciclodextrina y el grupo hidrófobo.
Las ciclodextrinas se utilizan comúnmente como excipientes para la formulación en productos farmacéuticos. En particular, permiten transformar compuestos líquidos en sólidos (polvos, comprimidos) por precipitación de los complejos de inclusión. Muchos fármacos están compuestos por moléculas hidrófobas, lo que imposibilita su uso en una solución inyectable y puede plantear problemas de absorción oral durante la digestión. La complejación de los principios activos permite controlar mejor su paso por el sistema sanguíneo o la progresividad de su difusión. Otra aplicación es el tratamiento por vía sublingual. La complejación de principios activos fotosensibles o muy reactivos permite a menudo protegerlos o estabilizarlos.
También se pueden utilizar en prótesis internas para liberar un fármaco de forma prolongada: así, un laboratorio del CNRS ( UMET de la Universidad de Lille I ) ha logrado utilizar ciclodextrinas en stents activos fabricados con una aleación de Cobalto - Cromo (CoCr) cubierto. con un polímero a base de ciclodextrinas hidrófilas, biocompatibles y biodegradables que desempeñan el papel de reservorio de fármacos lipófilos y permiten la liberación sostenida de fármacos antiproliferativos; La polidopamina (PDA), un biopolímero que es un poderoso adhesivo (utilizado por los moldes ) se aplicó en una capa fina sobre la parte metálica del dispositivo (CoCr) permitiendo luego que se genere un fuerte anclaje de un polímero de ciclodextrina " in situ " a partir de metilado ciclodextrinas y ácido cítrico como agente reticulante durante una reacción de policondensación. La seguridad y durabilidad del uso de stents activos podría mejorarse así reduciendo el riesgo de trombosis, que hasta ahora persistía a largo plazo.
El mismo "pegamento" ( bioinspirado por el pegamento biológico que produce el biso de los mejillones para adherirse a su soporte) podría permitir la utilización, en el interior de un órgano u organismo, de nanopartículas magnéticas asociadas a un antibiótico biocida eficaz pero tóxico ( nanoplata por ejemplo ) pero recuperable (mediante imán) tras dejarlo actuar unas horas.
La industria alimentaria ha utilizado comúnmente (y durante más de 20 años en Japón) ciclodextrinas como potenciador del sabor al permitir la fácil adición de compuestos de sabor o para fijar moléculas que son demasiado volátiles y, por ejemplo, prolongan la duración del sabor de la goma de mascar . También se utilizan, por el contrario, para eliminar determinadas moléculas indeseables, en particular para reducir los niveles de colesteroles o de compuestos amargos en platos cocinados. Las ciclodextrinas también se utilizan para estabilizar emulsiones como mayonesa o incluso margarinas .
Las ciclodextrinas se utilizan cada vez más en química analítica , en particular en HPLC (cromatografía líquida de alta resolución ), como injerto sobre la fase estacionaria (sílice en general). El uso de ciclodextrina permite cambiar la afinidad de los compuestos a analizar por la fase estacionaria y, por tanto, modificar su tiempo de retención. Las ciclodextrinas también permiten la separación de enantiómeros en virtud de sus propiedades selectoras quirales .
Una propiedad notable de las ciclodextrinas es que al formar complejos con ciertas moléculas fotosensibles, mejoran su capacidad para responder a la excitación ( particularmente la fluorimetría ).
Las ciclodextrinas tienen características interesantes para su uso en la remediación de suelos :
Este uso potencial es objeto de investigación, con dos vías principales exploradas: biorremediación y extracción. El primer enfoque se ha estudiado desde la década de 1980 , mientras que el segundo surgió en la década de 1990 .
Extracción de oro del mineral crudo (o su recuperación en dispositivos electrónicos desechados), sin riesgo de contaminación ambiental Este proceso fue descubierto por Zhichang Liu del equipo de James Fraser Stoddart y autor principal de un estudio publicado en 2013 en la revista Nature Communications . Mezcló el contenido de dos tubos de ensayo: uno contenía α-ciclodextrina, el otro una solución que contenía oro , y así obtuvo diminutas agujas en la mezcla, formada por un ensamblaje de unos 4000 nanocables de iones de oro, sostenidos por átomos, agua y ciclodextrina, que separa este oro de otros metales preciosos presentes en el mineral, como el paladio o el platino .
“La eliminación del cianuro de la industria del oro es de suma importancia para el medio ambiente. Reemplazamos estas temidas sustancias con un material barato y biológicamente inofensivo derivado del almidón . "