Μελέτη της δομής και διεργασιών διάχυσης σε νανοδομημένα υλικά με τεχνικές μοριακής προσομοίωσης

Abstract

The present thesis focused on the use of advanced molecular simulation techniques for the theoretical study of structural characteristics of different nanostructured systems as well as dynamic processes in which they are involved. Such methods enable studies in the atomistic scale (taking into account the interactions of particles) and the estimation of microscopic and macroscopic characteristics of the system under examination with high numerical accuracy and reliability. Nevertheless, atomistic-scale studies are quite challenging and have thus lead to the development of new techniques that can address the uniqueness of each system. One of the main goals of the current thesis has been to demonstrate the importance of molecular simulations (both simple and advanced techniques and their combinations), as an effective methodology for the study of materials and processes.The systems studied varied from nanoporous carriers of active substances to biological membranes (lipid bilayers) also based on their relevance for highly important dynamic processes such as drug delivery. Lipid bilayers are the main component of many organs of a living organism (cellular membranes, skin etc.) and they play an important role as a barrier that regulates mass transfer mechanisms. On the other hand, nanoporous materials (silica- or carbon- based, metal-organic frameworks etc.) are gaining increased attention nowadays as effective matrices for hosting medicinal ingredients. It has been indeed shown that they can carry a great amount of active agents but also regulate the release of drug molecules. The latter renders those materials ideal to be used as controlled drug delivery systems. In this context, the current thesis used molecular simulation techniques to study different subsystems that may be relevant in a transdermal drug delivery process, i.e. an active agent carrier and a lipid bilayer membrane as an analogue of the outermost layer of skin. The structure and conformation of the lipid bilayer was studied alongside the diffusion and penetration of a drug substance (ibuprofen) through it. A second case study focused on the investigation of the release of ibuprofen from a well studied nanoporous matrice, such as MCM-41 nanospheres. All systems were simulated by appropriately adopting both simple and advanced molecular simulation techniques. The core of molecular simulations is the way the interactions (inter / intra molecular) are modelled. A decisive phase of the current work, was the choice of the proper interactions of each system. In the case of lipid bilayers, a comparative study of five forcefields (specialized for biological molecules) was performed using molecular dynamics. It was seen that CHARMM has the best performance and as such it was used for the main part of the simulations. Afterwards, the correlation between the lipids initial arrangement and the structural and dynamic properties of the finally formed bilayers was systematically studied. The vast majority of molecular simulations of lipids systems reported so far, begin with the construction of a fixed initial molecular bilayer arrangement (pre-constructed), which may result to a meta-stable thermodynamic state. However, in the present work, we also examined the effect of using as initial configuration, a self-assembled bilayer which is produced, with molecular dynamics, from a random initial distribution of lipids in an aqueous environment. The latter was created using the MARTINI Coarse Grained forcefield (assuming that interaction centers are groups of heavy atoms) followed by back-mapping to atomistic description using the CHARMM forcefield. It was found that the pre-constructed and the self-assembled bilayers have in general comparable structural properties. Nevertheless they exhibit certain differences with respect to the packing and conformation of the aliphatic lipid chains, leading to a different energy barrier that a drug molecule, such as ibuprofen, must overcome in order to move along the bilayer normal. These results show that the choice of the initial lipids setup for molecular dynamics simulations of a lipid bilayer may have significant impact on a part of the simulation outcome.Aiming to address the part of a transdermal delivery process, where a drug substance is released from a nanoporous matrix , the system of MCM-41 / ibuprofen was studied. The porous material MCM-41 in the form of nanospheres has been shown to be a great candidate as drug carrier and its performance is often being used as benchmark for the discovery of new nanoporous materials that may be suitable matrices for the encapsulation of active agents. In the current thesis, the drug/matrix interactions were modelled with the CHARMM forcefield and advanced molecular dynamics techniques (Umbrella Sampling) were implemented. Two phases of the whole process were simulated, i.e. the storage of the active agent inside the porous material (represented by pores filled with ibuprofen) and the release of the drug molecules in an aqueous environment. The results indicated a correlation of the diffusion coefficient with the concentration of the drug as well as with the environment inside the pore. Moreover, it was shown that the water molecules form stronger hydrogen bonds with the -OH of the pore wall surface , than ibuprofen. As such, water acts competitively and `pushes' the molecules of ibuprofen outside the pore.In the case of nanoporous carriers of drug substances, the interaction of the drug molecules with the surface of the pore, plays a key role both for the encapsulation mechanism and the release of the active agent. A common structural characteristic of porous materials is the so-called BET area value, which is calculated from the analysis of nitrogen adsorption/desorption data at 77K. In the case of microporous matrices, such as MOFs which are currently getting much attention study as drug nanocarriers, the low reproducibility of experimental calculations, is a major problem in estimating the specific surface. In the current work, we addressed the latter by developing a novel computational method for defining and measuring the surface area inside the individual pores. The method was validated by comparing with a virtual sorption experiment (GCMC) and calculating the BET surface for a series of MOF crystals. The forcefields UFF and PEA were used for the crystal structure and gas accordingly. The developed method has 15% deviation from GCMC results but it's 10 times faster for each pressure point (one Monte Carlo simulation) of the sorption isotherm curve, hence, it can be used as a fast and reliable tool for the characterization of porous materials.

Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στη θεωρητική μελέτη δομικών χαρακτηριστικών και διεργασιών διάχυσης, σε μια σειρά από νανοδομημένα συστήματα με τεχνικές μοριακής προσομοίωσης. Η χρήση αυτών των προηγμένων υπολογιστικών τεχνικών βοηθά στη λεπτομερή περιγραφή των αντίστοιχων δομών σε μικροσκοπικό επίπεδο (λαμβάνοντας υπόψιν τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των ατόμων που τις αποτελούν) αλλά και στην εκτίμηση με υψηλό βαθμό αξιοπιστίας και ακρίβειας των μικροσκοπικών και μακροσκοπικών ιδιοτήτων τους. Η ατομιστική προσέγγιση των συστημάτων ενέχει όμως σημαντικές προκλήσεις που οδηγούν στην ανάγκη ανάπτυξης νέων τεχνικών, κατάλληλα προσαρμοσμένων στις ιδιαιτερότητες του κάθε συστήματος. Ένας από τους κύριους στόχους της παρούσας εργασίας είναι η ανάδειξη της ιδιαίτερης δυναμικής που παρουσιάζει ο συνδυασμός διαφορετικών τεχνικών μοριακής προσομοίωσης, με έμφαση στη μοριακή δυναμική, ως μία αποτελεσματική μεθοδολογία όχι μόνο για τη μελέτη αλλά και τη βελτίωση υλικών και διεργασιών. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η δομή διαφορετικών συστημάτων, από νανοπορώδεις φορείς ουσιών/ροφητές έως βιολογικές μεμβράνες (λιπιδιακές διπλοστοιβάδες) αλλά και διερευνήθηκε η συμπεριφορά τους σε σημαντικές διεργασίες (π.χ. φαρμακευτικού αλλά και γενικότερου βιομηχανικού ενδιαφέροντος) στις οποίες συμμετέχουν. Οι λιπιδιακές διπλοστοιβάδες είναι το κύριο συστατικό πολλών οργάνων/οργανιδίων του οργανισμού (κυτταρικών μεμβρανών, στοιβάδων του δέρματος κλπ.) και θεωρούνται υπεύθυνες για τη ρύθμιση των αντίστοιχων διεργασιών μεταφοράς μάζας ουσιών. Από την άλλη πλευρά, τα νανοπορώδη υλικά (πυριτίας, μεταλλο-οργανικά πλέγματα κλπ.) αποκτούν ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον ως η βάση νέων φαρμακοτεχνικών μορφών καθώς έχει αποδειχθεί ότι επιτρέπουν την εγκλεισμό επαρκών ποσοτήτων δραστικών ουσιών αλλά και συμβάλλουν στον έλεγχο του ρυθμού χορήγησής τους. Στο πλαίσιο αυτό η παρούσα εργασία εστίασε κατ' αρχήν στην εφαρμογή της μοριακής προσομοίωσης για τη μελέτη διεργασιών και επιμέρους συστημάτων που σχετίζονται άμεσα με την τεχνολογία διαδερμικής χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών. Αφενός μελετήθηκε η δομή λιπιδιακής φάσης, αντιπροσωπευτικής της κερατίνης στοιβάδας (εξωτερική στοιβάδα) του δέρματος, καθώς και η διάχυση/διαπερατότητα πρότυπης φαρμακευτικής ουσίας (ιμπουπροφένη) σε αυτή αλλά και σε νανοπορώδεις μήτρες π.χ. τύπου MCM-41, οι οποίες μελετούνται ευρέως τα τελευταία χρόνια για το σκοπό αυτό. Τα επιμέρους αυτά συστήματα προσομοιώθηκαν στον υπολογιστή (με τη χρήση κατάλληλων παραδοχών) συνδυάζοντας απλές και προηγμένες τεχνικές μοριακής προσομοίωσης. Στη μοριακή προσομοίωση, ο τρόπος που εισάγεται στον υπολογιστή η “φυσική” του συστήματος, είναι η μοντελοποίηση του συνόλου των αλληλεπιδράσεων που το χαρακτηρίζουν. Μία από τις σημαντικότερες φάσεις της παρούσας εργασίας ήταν η επιλογή της ορθής μοντελοποίησης του συγκεκριμένου τύπου των λιπιδίων που μελετήθηκαν. Μετά από συγκριτική μελέτη, με Μοριακή Δυναμική, πέντε δυναμικών αλληλεπίδρασης (εξειδικευμένων σε βιολογικά μόρια), επελέγη το δυναμικό CHARMM για τη συνέχεια της μελέτης, λόγω της καλύτερης επίδοσής του. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ακρίβεια της αναπαράστασης της δομής διπλοστοιβάδας που σχηματίζουν τα λιπίδια παρουσίας νερού. Η a-priori τοποθέτηση των λιπιδίων σε διαμόρφωση διπλοστοιβάδας (η οποία επιλέγεται ως αρχική κατάσταση στην πλειοψηφία των σχετικών εργασιών της βιβλιογραφίας) μπορεί να οδηγήσει σε μετασταθή κατάσταση ισορροπίας για το μελετούμενο σύστημα. Προκειμένου να ελεγχθεί το ενδεχόμενο αυτό, επιδιώχθηκε η δημιουργία δομής διπλοστοιβάδας ξεκινώντας τις προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής από τυχαίες χωρικές κατανομές των λιπιδίων και νερού, με χρήση δυναμικών “αδρών κόκκων” (MARTINI), όπου άτομα ομαδοποιούνται σε μεγάλα κέντρα αλληλεπίδρασης, επιτυγχάνοντας έτσι την μελέτη μεγαλύτερου συστήματος από άποψη κλίμακας μήκους και χρόνου. Επειδή η συγκεκριμένη μοντελοποίηση δεν είναι λεπτομερής, προκειμένου να μελετηθούν οι δομές που προέκυψαν, έγινε “χαρτογράφηση” των κέντρων αλληλεπίδρασης προς τα πίσω σε πλήρη ατομιστική περιγραφή. Η μελέτη των δομών που προέκυψαν με την μεθοδολογία αυτή έδειξε μικρές δομικές διαφορές σε σχέση με τις δομές που προκύπτουν από a-priori τοποθέτηση των λιπιδίων σε διαμόρφωση διπλοστοιβάδας, οι οποίες είναι δυνατό να επηρεάσουν τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Επιπλέον, στις παραπάνω δομές υπολογίστηκε με προχωρημένες τεχνικές μοριακής προσομοίωσης (Δειγματοληψία Κάλυψης - Umbrella Sampling), η αντίσταση διείσδυσης στη μεμβράνη του μορίου της ιμπουπροφένης, ενός φαρμακευτικού μορίου που έχει ενδιαφέρον και για διαδερμική εφαρμογή. Αν και οι δομικές διαφορές μεταξύ των αρχικών διαμορφώσεων των διπλοστοιβάδων ήταν μικρές, βρέθηκε να επιδρούν σημαντικά στην διαπερατότητα της μεμβράνης, με την δομή που αυτο-οργανώθηκε να προβάλει την μικρότερη αντίσταση, και να είναι ανεξάρτητη από το είδος των λιπιδίων που απαρτίζουν την μεμβράνη. Η διαφορετική συμπεριφορά των συστημάτων, αναδεικνύει το πρόβλημα της αναπαράστασης της δομής σε υπολογιστικές μελέτες. Παράλληλα μελετήθηκε το σύστημα MCM-41 / ιμπουπροφένης. Το MCM-41 μελετάται εκτενέστατα τα τελευταία χρόνια ως υποψήφιος φορέας δραστικών ουσιών και χρησιμοποιείται ως βάση σύγκρισης για την ανάπτυξη νέων φορέων. Η μελέτη του συστήματος έγινε με απλές και προχωρημένες τεχνικές μοριακής προσομοίωσης (Δειγματοληψία Κάλυψης - Umbrella Sampling) και σ' αυτή την περίπτωση, με χρήση του δυναμικού αλληλεπίδρασης CHARMM. Το σύστημα προσομοιώθηκε για την κατάσταση αποθήκευσης και μεταφοράς (κορεσμένος πόρος με ιμπουπροφένη) και αποδέσμευσης σε υδατικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα έδειξαν εξάρτηση του συντελεστή μοριακής διάχυσης τόσο με την συγκέντρωση της ουσίας μέσα στον πόρο, όσο και με το περιβάλλον. Επιπλέον, προέκυψαν σημαντικά στοιχεία για τον μηχανισμό εκρόφησης της ιμπουπροφένης σε υδατικό περιβάλλον, καθώς τα μόρια του νερού φαίνεται να λειτουργούν ανταγωνιστικά ως προς τη δημιουργία δεσμών υδρογόνου με τις ομάδες -OH του τοιχώματος του πόρου σε σχέση με την ιμπουπροφένη.Στην περίπτωση των νανοπορωδών φορέων δραστικών ουσιών, η αλληλεπίδραση των ατόμων της επιφάνειας του στερεού με τα μόρια της ουσίας επηρεάζουν τον μηχανισμό τόσο του εγκλεισμού όσο και της αποδέσμευσης του φαρμάκου. Το βασικό δομικό χαρακτηριστικό, μεταξύ άλλων, των φορέων αυτών είναι η τιμή της επιφάνειας ΒΕΤ, η οποία προκύπτει από δεδομένα ρόφησης/εκρόφησης αζώτου στους 77K. Ειδικά στην κλίμακα μικροπορωδών υλικών, όπως τα MOFs, τα οποία επίσης εξετάζονται τα τελευταία χρόνια ως νανοφορείς φαρμάκων (και ιμπουπροφένης), η χαμηλή επαναληψιμότητα των πειραματικών μετρήσεων της ειδικής επιφάνειας αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα. Για τον όσο το δυνατό ακριβέστερο χαρακτηρισμό των νανοπορωδών δομών που μελετήθηκαν (και ο οποίος προαπαιτείται για την προσομοίωση διεργασιών) στα πλαίσια της εργασίας αναπτύχθηκε επίσης μία νέα υπολογιστική μεθοδολογία, η οποία επιτρέπει τον εύκολο και γρήγορο υπολογισμό της εσωτερικής επιφάνειας του στερεού βάσει των αλληλεπιδράσεων αζώτου με τα μόρια του στερεού. Η αξιολόγηση της μεθοδολογίας έγινε με υπολογισμό της επιφάνειας σε μια σειρά από MOFs με την μεθοδολογία που αναπτύχθηκε και με εκτέλεση υπολογιστικού πειράματος ρόφησης (Grand Canonical Monte Carlo (GCMC)) και υπολογισμό της επιφάνειας ΒΕΤ. Τα δυναμικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα UFF, PEA για το στερεό και το άζωτο αντίστοιχα. Η μεθοδολογία είχε μέση απόκλιση 15% και ήταν ταχύτερη κατά 10 φορές για κάθε σημείο πίεσης (μία προσομοίωση GCMC), κι έτσι μπορεί να χαρακτηριστεί ικανό υπολογιστικό εργαλείο χαρακτηρισμού πορωδών υλικών.