Hybrid block and graft copolymers made from macrolactones and α-amino acids for applications as drug delivery nanosystems

Abstract

Naturally produced peptides or proteins can be regarded as highly refined polymers. When synthetic polymers are married to proteins or peptides, the resulting bioconjugates can synergistically combine the properties of the individual components and overcome their separate limitations. This Thesis is focused on the study of hybrid copolymers based on polypeptides and polymacrolactones. Block and graft copolymers have been synthesized by making use of the ring opening polymerization method (ROP) mainly and extensively characterized including both their chemical structure and their structure in the solid state. The self-assembly properties of the new copolymers have been preliminary examined regarding their potential application as nanocarriers for pharmaceutical compounds. This Thesis initially reports the ROP of w-pentadecalactone (PDL) using different amino-ended initiators and assisted by either organic or enzymatic catalysts. This method was then extended for the ROP of PDL using bisamino-ended poly(ethylene glycol) (PEG) for the preparation of poly(w-pentadecalactone)-b-poly(ethylene glycol)-b-poly(wpentadecalactone) [PPDLx-PEG-PPDLx] triblock copolymers. These amphiphilic ABA-type copolymers were able to selfassemble in water to form nanoparticles with diameters between 100 and 200 nm. Hybrid copolymers of poly(ester-peptide) or poly(ether-ester-peptide) type exhibiting different architectures (e.g. diblock, triblock, graft or triblock/grafted) respectively, were then synthesized using as building blocks: poly(w-pentadecalactone), poly(globalide) (PGl), PEG as well as polypeptides derived from the L-glutamic acid (Glu), L-lysine (Lys), L-alanine (Ala) and L-phenylalanine (Phe) a-amino acids. The hybrid copolymers were synthesized through several stages depending on the desired architecture. The first stage in the preparation of these copolymers was the synthesis of macroinitiators from PDL or PGl containing either an amino group at the end of the chain or multiple amine groups along their polymeric chain. In the second stage, such macroinitiators were used to trigger the polymerization of the a-amino acid N-carboxyanhyrides (NCA) with the COOH group of L-glutamic acid and NH2 of L-lysine duly protected as g-benzyl-L-glutamate (BLG) and eNcarbobenzoxy-L-lysine (ZLL) respectively. Some copolymers containing BLG or ZLL units were treated with acids to render copolymers bearing the amino acids residues with their COOH or NH2 functionalities in the free form. All of the synthesized copolymers were fully characterized through GPC and NMR spectroscopy. The thermal properties were studied by TGA and DSC techniques. The conformation adopted by the peptide-based copolymers in the solid-state was assessed by FTIR, and their crystalline structure was examined by X-ray diffraction using synchrotron radiation in most cases. The conformation in aqueous solution of water-soluble copolymers containing Glu or Lys residues in the free form was explored by circular dichroism. The self-assembly behavior in aqueous medium of all the amphiphilic copolymers was investigated with the purpose of obtaining nanoparticles with the appropriated diameters required for their application as biomedical nanocarriers. The nanoparticles were duly characterized by light scattering and SEM and TEM microscopies. Block and graft copolymers were able to load doxorubicin and release it under pH control. Copolymers containing L-lysine were shown to be able of condensing DNA. The potential of these copolymers as DDS of anticancer drugs and vectors for transfection have been evidenced.

Los polipéptidos o proteínas obtenidos de manera natural son considerados como polímeros altamente refinados. Cuando los polímeros sintéticos se unen a proteínas o polipéptidos, los sistemas bioconjugados que se obtienen pueden sinérgicamente combinar las propiedades de sus componentes individuales y mejorar las propias limitaciones que tienen por separado. La proteína o el elemento polipeptídico puede impartir propiedades bifuncionales al bioconjugado, mientras que el polímero sintético puede mejorar la estabilidad proteica, la solubilidad y la biocompatibilidad. Esta tesis está enfocada en el estudio de copolímeros híbridos basados en polipeptidos y polimacrolactonas. Copolímeros tipo bloque e injerto fueron sintetizados utilizando principalmente la polimerización por apertura de anillo y extensamente caracterizados tanto su estructura química, como su estructura en estado sólido. Las propiedades de auto-agregación de los nuevos copolímeros han sido anteriomente examinadas respecto a su potencial aplicación como nanotransportadores de compuestos farmacéuticos. Esta Tesis inicialmente reporta la homopolimerización de w-pentadecalactona (PDL) usando diferentes iniciadores aminoterminados mediante el uso de catalizadores tanto orgánicos como enzimáticos. Este se extiende a la ROP de PDL usando poli(etilén glicol) bisamino-terminado (PEG) para la preparar copolímeros tribloque poli(w-pentadecalactona)-b-poli(etilén glicol)-b-poli(w-pentadecalactona) [PPDLx-PEG-PPDLx]. Estos copolímeros de tipo ABA fueron capaces de auto-agregarse en agua para formar nanopartículas con diámetros entre 100 y 200 nm. Por otra parte, sistemas híbridos de tipo poli(éster-péptido) o poli(éter-éster-péptido) que presentan distintas arquitecturas (por ejemplo dibloque, tribloque, injerto, o tribloque-injertado) respectivamente, se sintetizaron utilizando como bloques de construcción derivados de macrolactonas (w-pentadecalactona), globalida) y a-amino ácidos (ácido L-glutámico (Glu), Llisina (Lys), L-alanina (Ala) y L-fenilalanina (Phe) así como poli(etien glicol) telequélico. Los copolímeros híbridos fueron sintetizados en varias etapas dependiendo de cuál fuese la arquitectura deseada. La primera etapa fue la preparación de los macroiniciadores a partir de PDL o PGl conteniendo en su estructura ya sea un grupo amino en el extremo de la cadena, o múltiples grupos aminos a lo largo de la cadena polimérica. En la segunda etapa, los macroiniciadores fueron utilizados en la polimerización de a-amino ácidos N-carboxianhídridos (NCA), con los grupos COOH del ácido L-glutámico y el grupo NH2 de la L-lisina apropiadamente protegidos como g-bencil-L-glutamato (BLG) y eN-carbobenzoxi-L-lisina (ZLL) respectivamente. Para los copolímeros que contienen bloques peptídicos de BLG o ZLL, las funcionalidades COOH o NH2 fueron regeneradas bajo condiciones ácidas, para producir así los copolímeros conteniendo el amino ácido en su forma libre. Todos los copolímeros sintetizados fueron completamente caracterizados mediante GPC y espectroscopia de RMN. Las propiedades térmicas fueron estudiadas por las técnicas de TGA y DSC. La conformación adoptada por los copolímeros en el estado sólido fue estudiada por FTIR, y su estructura cristalina fue analizada mediante difracción de rayos X usando radiación sincrotrón en la mayoría de los casos. La conformación en solución acuosa de los copolímeros solubles en agua, que contienen residuos de Glu o Lys, fue analizada por dicroísmo circular. Se estudió el comportamiento de todos los copolímeros para auto-agregarse en agua obteniéndose partículas con diámetros del orden nanométrico, como se demostró por DLS así como también por SEM y TEM, las cuales son apropiadas para ser aplicadas en biomedicina. Las nanopartículas de copolímeros dibloque y de injerto conteniendo ácido L-glutámico fueron capaces de incorporar doxorubicina y efectuar su liberación bajo control por medio del pH. Por otro lado, los copolímeros dibloque y de injerto con bloques conteniendo L-lisina mostraron la habilidad de condensar el ADN, demostrando así su potencial uso como vectores en transfección.