Interação do Antibiótico Rifampicina com Membranas Lipídicas - Caracterização Experimental e Simulações de Dinâmica Molecular

Abstract

A interação de uma molécula com o organismo tem por base as suas características físico-químicas. Foi assim que Lipinski desenvolveu um conjunto de regras que permite prever uma das mais importantes características de uma molécula candidata a fármaco, a sua absorção. Todas aquelas que não sejam abrangidas por este conjunto de regras é previsível que apresentem uma baixa eficiência de absorção, e consequentemente não serão bons candidatos a desenvolvimento de novas moléculas com atividade biológica. Existem, ainda assim, diversas moléculas que não respeitam as regras de Lipinski e são prontamente absorvidas pelo organismo. É com esta exceção em mente que são estudadas as espécies aniónicas e zwitteriónica da molécula Rifampicina, princípio ativo de um antibiótico de largo espetro que, mesmo sendo uma molécula altamente complexa e com elevado peso molecular, é absorvida pelo organismo humano e os seus efeitos são vantajosos para o combate de infeções como, por exemplo, a tuberculose.Para a elucidação do mecanismo de absorção da Rifampicina foram efetuados estudos utilizando a técnica de Dinâmica Molecular, o que fornece informação sobre as suas interações intramoleculares e as estabelecidas com uma bicamada de POPC. Foram realizados dois tipos de simulação, onde as moléculas foram inicialmente colocadas no centro da bicamada ou no meio aquoso. Ambos os sistemas foram deixados sem qualquer restrição e as corridas foram estendidas até a um máximo de 2 μs. Em adição a este tipo de simulações também foram realizadas outro tipo de simulações para o cálculo dos perfis de energia livre, através de umbrella sampling. A caracterização computacional permitiu definir que a interação da RIF com uma bicamada lipídica, como seria de esperar dada a sua complexidade, ocorre através de diversas formas. De facto, a maioria das moléculas inseridas em todos os sistemas apresenta um comportamento distinto. Ainda assim, a orientação especifica paralela à normal da bicamada que o grupo piperazina adota, em função do grau de internalização na bicamada, é transversal à maioria dos sistemas. Foi também caracterizada a interação entre a Rifampicina e alguns grupos de referência do POPC, onde foi possível distinguir a interação particular com o grupo fosfato, mais bem definida quanto maior o grau de protonação da piperazina.O cálculo de perfis de energia livre das moléculas tem a si associado a constante perturbação da bicamada devido ao método de pulling usado ara a obtenção de configurações para o sampling . Quantitativamente os valores são bastante dispares do contexto experimental, mas comparativamente entre si é possível distinguir a forma aniónica com maior constante de partição para a bicamada e menor barreira energética de translocação. Experimentalmente, foi caracterizada a permeação através de membranas de lipossomas, de uma pequena molécula fluorescente, 6-carboxifluoresceína, na presença de diversas concentrações de Rifampicina. Os resultados obtidos indicam que a interação do antibiótico com a membrana compromete as propriedades da membrana como barreira, conduzindo a um aumento na velocidade de permeação de 6-carboxifluoresceína. A perturbação da membrana, e consequente aumento da permeabilidade de 6-carboxifluoresceína, é tanto maior quanto mais elevada a concentração de Rifampicina.

A molecule's interaction with the organism is based on its physicochemical characteristics. That's how Lipinski developed a set of rules that predict one of the most important characteristics of a drug candidate molecule, its absorption. All those that do not obey this set of rules are expected to have a low absorption efficiency, and consequently will not be good candidates for the development of new molecules with biological activity. There are, even so, several molecules that do not respect Lipinski's rules and are readily absorbed by the body. It is with this exception in mind that the anionic and zwitterionic species of the Rifampicin molecule were studied. Rifampicin is the active principle of a broad-spectrum antibiotic that, despite being a highly complex molecule with a high molecular weight, is absorbed by the human body and its effects are beneficial for combating infections such as tuberculosis.To elucidate the mechanism of absorption of Rifampicin, studies were carried out using the Molecular Dynamics technique, which provides information about its intramolecular interactions and those established with a POPC bilayer. Two types of simulation were performed, where the molecules were initially placed in the center of the bilayer or in the aqueous medium. Both systems were left unrestricted, and runs were extended to a maximum of 2 μs. In addition to this type of simulation, another type of simulation was also carried out to calculate the free energy profiles, through umbrella sampling.Computational characterization allowed us to define that the interaction of RIF with a lipid bilayer, as expected given its complexity, occurs in several ways. In fact, most molecules inserted in all systems show a different behaviour. Even so, the specific orientation parallel to the normal bilayer that the piperazine group adopts, depending on the degree of internalization in the bilayer, is common to most systems. The interaction between Rifampicin and some POPC reference groups was also characterized, where it was possible to distinguish the particular interaction with the phosphate group, better defined for higher degrees of piperazine protonation.The calculation of free energy profiles of molecules is associated with constant perturbation of the bilayer due to the pulling method used to obtain sampling configurations. Quantitatively the values are quite different from the experimental context, but compared to each other it is possible to distinguish the anionic form with the highest partition constant for the bilayer and the lowest energy translocation barrier.Experimentally, the permeation through liposome membranes of a small fluorescent molecule, 6-carboxyfluorescein, in the presence of different concentrations of Rifampicin was characterized. The results obtained indicate that the interaction of the antibiotic with the membrane compromises the properties of the membrane as a barrier, leading to an increase in the permeation rate of 6-carboxyfluorescein. The membrane disturbance, and consequent increase in the permeability of 6-carboxyfluorescein, is greater the higher the concentration of Rifampicin.