The use of infrared spectroscopy for following drug-membrane interactions: Probing Paclitaxel (taxol)-cell phospholipid surface recognition

• Erhan Süleymanoglu ^[1]
  1. [1] Gazi University

     Gazi University

     Turquía

     
• Localización: Revista Electrónica de Biomedicina, ISSN-e 1697-090X, Nº. 3 (Septiembre-Diciembre), 2009, págs. 19-35
• Idioma: inglés
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    En las dos últimas décadas, de entre varios nuevos agentes quimioterapéuticos, el taxol (paclitaxel) ha desempeñado un papel crucial en el tratamiento de varias neoplasias, entre las que se incluyen tumores de ovario, mama, pulmón, cabeza y cuello, esófago, así como el sarcoma de Kaposi. A pesar de su bien documentado mecanismo de acción, causante de la detención del ciclo celular y apoptosis tras la estabilización de los microtúbulos, quedan aun detalles pendientes de aclarar. Las alteraciones de la composición lipídica de las membranas de las células neoplásicas, en comparación con las células normales, son bien conocidas. Además hay mecanismos de resistencia a los medicamentos, que limitan notablemente la eficacia de la quimioterapia antineoplásica, debidos a proteínas de membrana, tales como la Multidrug Resistance-1 (MDR-1) o la Pglicoproteína (Pgp).

    Por otra parte, regímenes de quimioterapia recientes utilizan citostáticos que indicen apoptosis durante la cual, se producen cambios estructurales en la dinámica celular que caracterizan la fase de muerte celular que conduce a la formación de cuerpos apoptóticos unidos a membrana. Por tanto, la membrana celulare representa un atractivo campo de la investigación celular en la carcinogénesis y terapia antineplásica. Además del ADN, la membrana plasmática es considerada como el objetivo más importante de muchos fármacos citostáticos. Sin embargo, su papel en la muerte celular inducida por la quimioterapia no está bien conocida. Por eso es interesante estudiar las interacciones moleculares de los citostáticos en un entorno fosfolipídico. El objetivo son los aspectos biológicos celulares y biotecnológicos.

    Para aclarar los mecanismos precisos de las interacciones de taxol con lípidos, se logró un mejor entendimiento de sus dianas farmacológicas. Por otra parte, la mejor comprensión de tales interacciones de drogas y lípidos fomentará el diseño de nuevos medicamentos basados en la interacción de lípidos y citostáticos con mejor biodisponibilidad y disminución de toxicidad secundaria. Los enfoques analíticos empleados actualmente para el seguimiento de las interacciones de drogas y células y de fármacos y membrana son limitados, bien por la necesidad de personal con experiencia, bien por la necesidad de instrumentos sofisticados o por dificultades metodológicas. Por tanto, debe ser estimulado el desarrollo de nuevos procedimientos experimentales que utilicen técnicas complementarias, más fáciles de aplicar. La espectroscopia vibracional ha sido considerada como una técnica adecuada para el estudio de los complejos de drogas y fosfolípidos.

    Presentamos el resultado de la utilización de espectroscopía de infrarrojos (IR) para determinar las transiciones dinámicas estructurales del complejo binario de taxol y fosfolípidos a partir del reconocimiento de moléculas individuales implicadas. El espectro de componentes no ligados se comparó con el de los complejos binarios farmaco-lipidicos. Los datos obtenidos de los grupos carbonilo, fosfato, colina y CH fueron empleados para las deducciones de reconocimiento de perfiles farmaco-lipídicos.

    Los efectos observados se consideran como frecuencias de vibración de metilación asimétrica y simétrica, dehiscencia de bandas y amplificación de enlaces carbonilo. Se discute la posible estructura de la formación de los complejos taxol y lípidos y su importancia en términos de su potencial para ser utilizado como una mejora de la biodisponibilidad del fármaco.

  • English

    Over the past two decades, of the several new chemotherapeutic agents, taxol (Paclitaxel) has played a crucial role in the treatment of various malignancies, including those of the ovary, breast, lung, head and neck, esophagus, as well as Kaposi's sarcoma. Despite its well documented mechanisms of action causing cell cycle arrest and apoptosis following microtubule stabilization, further details still remain to be clarified. Alterations of lipid membrane composition of cancer cells as compared with normal cells are well established. In addition, the mechanisms of drug resistance, which severely limit the effectiveness of cancer chemotherapy are undertaken by membrane located proteins such as multidrug resistance (MDR-1) or P-glycoprotein (Pgp).

    On the other hand, recent chemotherapeutic regimens employ anticancer drug induced apoptosis, during which dynamic structural changes occur in cellular dynamics characterizing cell death phase leading to fragmentation into membrane-bound apoptotic bodies. Thus, cell membranes represent an attractive research field in cellular carcinogenesis and cancer therapy.

    Besides DNA, plasma membrane is considered as the most important target for many antineoplastic drugs. However, its role in chemotherapy-induced cell death is not well understood. Hence, it is interesting to study the molecular interactions of the anticancer drugs in phospholipid environment. Both cell biological and biotechnological aspects are aimed.

    By further clarifying the precise mechanisms of taxol-lipid interactions, better understanding of its pharmacological targets can be obtained. Moreover, gaining further insights on such drug-lipid interactions would encourage the design of novel lipid based antitumor drug formulations with improved bioavailability properties and decreased toxic side effects. The currently employed analytical approaches to follow drug-cell or drug-membrane interactions are limited by either the requirement of experienced personnel, sophisticated instruments or methodological difficulties. Therefore, developing novel experimental procedures using complementary, easier to apply, user-friendly techniques is to be emphasized.

    Vibrational spectroscopy has been regarded as a suitable technique for studying drug-phospholipid complex formations. Here we report the use of infrared (IR) spectroscopy to determine dynamic structural transitions of Taxol-phospholipid binary complex upon recognition of individual molecules engaged. Spectra of unbound components were compared with those of druglipid binary mixtures. Data obtained for carbonyl, phosphate, choline and CH groups are used for deductions of drug-lipid recognition profiles. The observed effects are considered as asymmetric and symmetric methylene stretching frequencies, splitting of its scissoring band and broadening of carbonyl stretching mode. The possible structure of the taxol-lipid complex formation and its significance in terms of its further potential to be used as an improved drug delivery formulation is also discussed.