Jan Kobierski
Zastosowanie parametru krytycznego upakowania fizjologicznie aktywnych związków w modelach biologicznych
2022-07-15
Związki amfifilowe, dzięki swojej budowie oraz szczególnym własnościom wody, mogą agregować i tworzyć struktury o różnych właściwościach fizykochemicznych. Proces ten umożliwia m.in. tworzenie dwuwarstw lipidowych, stanowiących szkielet błon biologicznych, których właściwości zapewniają prawidłowy przebieg procesów życiowych. Inne struktury powstające na drodze samoorganizacji to liposomy i struktury trójwymiarowe, które coraz częściej są stosowane jako systemy dostarczania leków, zwłaszcza słabo rozpuszczalnych w wodzie. Samoorganizacja i tworzenie stabilnych struktur spowodowane jest dwoma przeciwstawnymi zjawiskami: oddziaływaniem hydrofobowym i hydrofilowym. Te oddziaływania międzycząsteczkowe związków amfifilowych w środowisku wodnym determinują optymalną powierzchnię przypadającą na cząsteczkę i całą jej trójwymiarową strukturę, którą można opisać kolejnymi charakterystycznymi wielkościami: objętością i krytyczną długością części hydrofobowej. Wygodnym i często używanym parametrem, który zawiera informacje o powyższych wielkościach, jest parametr krytycznego upakowania (ang. critical packing parameter, CPP). Czynniki fizjologiczne (temperatura, pH i aktywność enzymów trawiennych) wpływają na związki amfifilowe, co znajduje odzwierciedlenie w zmianie wartości parametru CPP i przejściach fazowych tworzonych struktur. Znając CPP związku i wiedząc jak się zmienia w środowisku fizjologicznym, można przewidzieć przebieg samoorganizacji cząsteczek w organizmie. W pracy przedstawiono wartości literaturowe CPP związków amfifilowych obecnych w błonach biologicznych, podawanych jako leki i stosowanych jako systemy dostarczania leków, a także informacje o zmianach tych wartości podczas procesów fizjologicznych. Prezentowane badania opisują zmiany strukturalne zachodzące podczas procesów trawiennych, aktywności przeciwdrobnoustrojowej, a także procesów patologicznych. Opisano metody wyznaczania wartości CPP, zarówno eksperymentalne, jak i teoretyczne, pokazując, że parametr ten jest wygodnym narzędziem, który można wykorzystać w procesie projektowania leków lub systemów ich dostarczania, jak również w ocenie skutków ubocznych stosowania leków i innych biologicznie aktywnych związków podawanych do organizmu.
Słowa kluczowe: parametr krytycznego upakowania, CPP, samoporządkowanie lipidów, biolipidy.
© Farm Pol, 2022, 78(5): 249–262
Application of the critical packing parameter of physiologically active compounds in biological models
Amphiphilic compounds in an aqueous environment can aggregate and form structures with different physicochemical properties. This process enables, inter alia, the formation of lipid bilayers, which constitute the skeleton of cell membranes, but also intracellular membrane structures, the properties of which ensure the proper course of life processes. Other self-assembly structures are vesicles and three-dimensional structures, which in recent years have been used as drug delivery systems, especially for drugs poorly soluble in water. Self-assembling and formation of stable structures are caused by two opposing phenomena: hydrophobic and hydrophilic interaction. These intermolecular interactions of amphiphiles in the water environment determine the optimal area of the molecule at the interface surface and the entire three-dimensional structure of this molecule, which can be described by successive characteristic quantities: the volume of the hydrocarbon chain and the maximum effective length of this chain. A convenient and frequently used parameter, which contains information about the above values, is the critical packing parameter (CPP). Physiological factors (temperature, pH, and digestive enzymes activity) affect amphiphilic compounds, which is reflected in the change of the CPP parameter value and the structures formed by these molecules. Knowing the CPP of a compound and how it changes in the physiological environment, the course of the self-organization of the compound in the organism can be predicted. This review presents the literature values of CPP of amphiphilic compounds present in biological membranes, administered as drugs, and used as drug delivery systems, as well as the changes in the value of this parameter during physiological processes. The presented articles report on structural changes occurring during the digestive processes, antimicrobial activity, and also pathological processes. The described methods for determining the CPP value, both experimental and theoretical, show that this parameter is a convenient tool that can be used in the process of designing drugs or drug delivery systems, as well as in assessing the side effects of drugs and other biologically active compounds administered to the organism.
Keywords: CPP, critical packing parameter, lipid self-assembly, biolipids.
© Farm Pol, 2022, 78(5): 249–262