Preparation and characterization of hybrid nanosphers containing lipase for chiral drug biotransformation

Abstract

Le Lipasi sono adatte a catalizzare reazioni di esterificazioni in solventi organici, mostrando elevata enantioselettività rispetto a quella mostrata nelle reazioni di idrolisi. Rispetto al grande quantitativo di Lipasi descritte in letteratura, solo gli enzimi derivanti da poche specie hanno dimostrato di avere una adeguata stabilità e capacità di biosintesi che hanno permesso di utilizzarle in reazioni organiche e, quindi, la loro applicazione come enzimi di interesse industriale. Grazie a tali proprietà, le Lipasi sono stati ampiamente utilizzate per la produzione di composti enantiomericamente puri, nella risoluzione di alcool racemici e acidi organici. Vi è una tendenza sempre più in crescita verso l'uso di farmaci in forma di enantiomeri otticamente puri perché hanno target più specifici e hanno meno effetti collaterali rispetto alle miscele racemiche. Tra 1800 farmaci attualmente disponibili, circa la metà sono miscele chirali. Solitamente l'attività terapeutica di un farmaco viene mostrata solo da uni solo degli enantiomeri. In questo senso, l'attività farmacologica dei profeni, che costituiscono un importante gruppo di farmaci anti-infiammatori non steroidei (FANS) utilizzati nel trattamento di artrite e di malattie correlate, viene mostrata dal rispettivo (S) -enantiomero, che mostra un'attività 100 volte maggiore rispetto al suo antipode. Pertanto sforzi importanti per sintetizzare enantiomeri puri dei profeni sono attualmente in corso. Ibuprofene, è un acido carbossilico racemico, di cui ciascun enantiomero mostra un comportamento fisiologicamente diverso, essendo l'enantiomero (S) la forma che presenta una proprietà anti-infiammatoria. Negli ultimi anni, le lipasi sono stati utilizzati per la risoluzione chirale di (R,S)-Ibuprofene tramite esterificazione enantioselettiva, principalmente diretta in mezzi organici, per l'ottenimento del rispettivo estere racemico. Tra le diverse lipasi, la Lipasi da Rhizomucor miehei è in grado di catalizzare reazioni di est In particolare, in questo lavoro, la lipasi da Rhizomucor miehei è stato immobilizzato in nanosfere ibridi contenenti un nucleo liposomiale, in cui l'enzima è confinato. La fase organica (liposomi + lipasi) è stata protetta da una matrice di silice inorganica, creando cosi una struttura nanoparticellare (biocatalizzatori eterogenei). L'influenza di importanti fattori sperimentali nella procedura di sintesi dei biocatalizzatori ibridi sono stati studiati: il rapporto in peso tra la quantità di silice e di liposoma utilizzate, e il tempo di miscelazione tra liposoma e lipasi. Tutti i campioni sono stati caratterizzati mediante note ed avanzate tecniche analitiche, al fine di mettere a punto una procedura si sintesi ottimale per l'ottenimento di un biocatalizzatore eterogeneo morfologicamente omogeneo in cui lipasi è perfettamente immobilizzata all'interno della fase liposomiale, a sua volta perfettamente ricoperta dal guscio di silice inorganica. La procedura ottimizzata è stata utilizzata per la preparazione di due tipologie di nanosfere ibride, in cui il guscio di siliceinorganica è stato sintetizzato con e senza l'utilizzo del surfattante (Hexadecylamine). I catalizzatori eterogenei ottimizzati sono stati successivamente utilizzati come catalizzatori, nel processo di esterificazione enantioselettiva dell' Ibuprofene racemico, allo scopo di valutarne la prestazione catalitica. In particolare, è stata studiata l'influenza di diversi parametri sulla performance catalitica dei biocatalizzatori eterogenei ottimizzati:  natura del solvente (un solvente polare: isoottano; solvente polare: dimetilformammide);  tipologia di alcool (alcool primario con differente lunghezza della catena : metanolo; 1 -propanol; 1-butanolo);  temperatura di reazione (27, 37, 50 e 80 ° C). La migliore prestazione catalitica per il biocatalizzatore eterogeneo, è stato mostrato a 37 ° C, utilizzando isoottano come solvente e 1-propanolo come alcool (valore di rendimento estere compreso tra 78 e 93%). Inoltre, è stata osservata una forte iper-attivazione dell'enzima immobilizzato, rispetto alla forma libera: nelle stesse condizioni di reazione la resa in estere della Lipasi Libers risulta essere solo del 25%. Inoltre, il riutilizzo (numero di turnover (TON) e numero di turnover di frequenza (TOF)) e la stabilità dei biocatalizzatori eterogenei sono stati determinati per una potenziale applicazione industriale. La stabilità dei biocatalizzatori ottimizzati sintetizzati è molto elevata: fino a 9 cicli di reazione con un numero TOF 16 volte più alto di quella della lipasi libera.