velikost textu

Ceramides and Dimethylamino Acid Derivatives as Skin Barrier Modulators

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Ceramides and Dimethylamino Acid Derivatives as Skin Barrier Modulators
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Jakub Novotný
Školitel:
Doc. PharmDr. Kateřina Vávrová, Ph.D.
Oponenti:
prof. Ing. Miloš Sedlák, DrSc.
Doc.RNDr. Pavel Doležal, CSc.
Id práce:
80612
Fakulta:
Farmaceutická fakulta v Hradci Králové (FaF)
Pracoviště:
Katedra organické a bioorganické chemie (16-16120)
Program studia:
Organická chemie (P1402)
Obor studia:
Bioorganická chemie (DB)
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
11. 12. 2009
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Čeština
Abstrakt:
Souhrn Tato práce si klade za cíl přispět k porozumění chování kožních ceramidů a akcelerantů transdermální penetrace založených na esterech dimethylaminokyselin. Zabývá se také vztahem mezi strukturou a účinkem těchto látek. První dvě kapitoly poskytují teoretický základ pro pochopení složení a funkce stratum corneum, která představuje hlavní bariéru pro průnik léčiv a dalších exogenních látek do organismu, a principů transdermálního podání léčiv. Experimentální práce je prezentována ve formě samostatných publikací v kapitolách tři až pět. Kapitola 1 se zabývá transdermálním podáním léčiv, poukazuje na jeho výhody a limitace. Hlavní pozornost je věnována akcelerantům transdermální penetrace – látkám, které umožňují dočasně snížit bariérové vlastnosti kůže a zajistit dostatečné koncentrace léčivé látky nutné pro lokální či systémový účinek. Akceleranty jsou zde popsány s hlavním důrazem na vlastnosti, chemickou strukturu a mechanismus účinku. Druhá kapitola přináší informace o specifickém složení lipidické matrix stratum corneum. Ceramidy, komplexní skupina lipidů, tvoří hlavní část této intercelulární bariéry pro průnik látek do organismu. Se sníženými hladinami ceramidů jsou spjata závažná kožní onemocnění jako psoriáza či atopická dermatitida. Aplikací ceramidů či jejich analogů může být výrazně zlepšen pacientův stav. Vzhledem k tomu, že nemohou být získány v čisté formě z přírodních zdrojů, jsou zdrojem zájmu syntetických chemiků již od roku 1950. Kapitola 2 popisuje syntézy sfingosinu, publikované od roku 1998 do roku 2008, a syntetické přístupy pro přípravu unikátních kožních ceramidů. Jsou zde diskutovány strukturální požadavky, nutné pro tvorbu kompetentní kožní bariéry, včetně délky acylového řetězce ceramidu, trans dvojné vazby, acyl α-hydroxylu, stereochemie a konformace. Kapitola 3 se zaměřuje na syntézu, hodnocení akcelerační aktivity, biodegradability a reversibility účinku série esterů N,N-dimethylaminokyselin. Diskutovány jsou vlivy chirality, délky řetězce aminokyselinové části a polyfluorinace alkoholové části společně s interakcí akcelerant – léčivo na účinek akcelerantu. Nebyly zjištěny žádné rozdíly v účinnosti mezi (R), (S) a racemickým dodecyl 2- (dimethylamino)propanoátem (DDAIP). Substituce uhlovodíkového řetězce za polyfluorovaný měla za následek úplnou ztrátu aktivity. Náhrada rozvětveného spojovacího řetězce mezi aminoskupinou a esterovou funkcí lineárním způsobila výrazné zlepšení penetrační aktivity s optimem u 4-6C derivátů. Dodecyl 6-(dimethylamino)hexanoát (DDAK) byl účinnější než klinicky používaný akcelerant DDAIP pro theofylin (urychlovací poměr DDAK a DDAIP byl 17,3, respektive 5,9), hydrokortizon (43,2 a 11,5) a adefovir (13,6 a 2,8), zatímco DDAIP byl lepší akcelerant pro indomethacin (8,7 a 22,8). DDAK byl relativně rychle metabolizován prasečí esterázou a vykazoval nízkou akutní toxicitu. Elektrický odpor kůže se po časově omezené aplikaci DDAK vrátil na hodnoty shodné s kontrolním vzorkem. Tyto výsledky naznačují, že akcelerant DDAK je, vzhledem k jeho spektru a intenzitě účinku, slibný kandidát pro další výzkum. Jak již bylo zmíněno, ceramidy stratum corneum jsou hlavní determinanty bariérové funkce kůže. Přestože je značná pozornost věnována výzkumu jejich fyziologické a patologické role, nejsou dnes dostupné žádné informace o vztazích mezi strukturou a účinkem na funkci kožní bariéry. Studie popsaná v kapitole 4 se zaměřuje na syntézu krátkých ceramidových analogů s polární hlavou identickou s kožním ceramidem NS, délkou sfingosinové části 12C a délkou acylu od 2C do 12C. Jejich efekt na kožní permeabilitu byl 9 hodnocen s využitím prasečí kůže a dvou modelových léčiv, theofylinu a indometacinu, a srovnán s přirozeným ceramidem NS. Délka acylového řetězce zásadně změnila vliv ceramidového analogu na funkci kožní bariéry. Ceramidy s krátkým acylovým řetězcem o délce mezi 4-8C zvýšily permeabilitu kůže pro obě léčiva až 10,8x s maximálním účinkem pro 6C acyl. Žádný vzrůst v permeabilitě nebyl zaznamenán při použití analogů s 2C a 12C acylem a u ceramidu NS. Vztahy mezi délkou acylového řetězce ceramidu a jeho schopností rozrušit kožní bariéru vykazují značnou podobnost s chováním krátkých ceramidů ve sfingomyelin-fosfolipidových membránách. Krátké analogy se tedy vždy nechovají jako přirozené ceramidy a jejich experimentální využití musí být opodstatněné. Předpokládá se, že exogenně podané ceramidy mohou procházet přes stratum corneum a vstupovat do živých epidermálních vrstev, ve kterých dochází k jejich vychytávání a metabolizaci v keratinocytech. Tato hypotéza je založena na studii, ve které autoři použili fluorescenčně značený krátký ceramid NBD-C6-Cer. Jak je popsáno v kapitole 4, krátké ceramidy a zvláště C6 derivát se nechovají jako identické kožní sfingolipidy s dlouhým řetězcem a spíše snižují bariérové vlastnosti kůže. Kapitola 5 je zaměřená na srovnání penetrace C6, C12 a C24 fluorescenčně značených ceramidů a pseudoceramidu 14S24 do živé lidské epidermis. Fluorescenční lipidy byly syntetizovány ze sfingosinu či esteru L-serinu a omega-NBD-značených kyselin. Kyselina 24-NBD-lignocerová byla syntetizována z dodekan-1,12-diolu. Značený ceramid byl aplikován ve dvou koncentracích na živou lidskou kůži po dvě, respektive po dvanáct hodin. Pouze krátký NBD-C6-ceramid pronikl do živé epidermis. Penetrace NBD-C12-ceramidu a obou NBD-C24-lipidů byla omezena na svrchní vrstvy stratum corneum jak u nepoškozené kůže, tak i u kůže podrobené částečné extrakci lipidů acetonem. Tyto výsledky potvrzují, že chování exogenních ceramidů závisí na délce acylového řetězce; přirozený fluorescenčně značený ceramid s dlouhým řetězcem a jeho analoga zůstávají lokalizována ve stratum corneum a nepronikají do živé epidermis.
Abstract v angličtině:
Summary The purpose of this work is to contribute to the understanding of the structure-activity relationships and behavior of the skin ceramides and transdermal penetration enhancers based on dimethylamino acid esters. First two chapters provide a theoretical background for understanding the main principles of transdermal drug delivery as well as composition and function of stratum corneum barrier. The experimental work is presented in the form of individual publications in chapters three to five. The first chapter describes transport routes through the human skin and gives an overview of enhancers of transdermal permeation with main accent on their chemical structure, mechanism of action, interaction with stratum corneum components and advantages and drawbacks of their use. The second chapter brings more detailed information on the specific content and composition of stratum corneum. The main attention is paid to the ceramides - a complex group of lipids that play a crucial role as cell signaling molecules and skin barrier constituents. In the skin, these sphingolipids form a major part of the stratum corneum intercellular lipid matrix, which is the barrier for penetration of most compounds. The development of such a protective layer was a critical step in the evolution of life on a dry land. Moreover, prominent skin diseases such as psoriasis and atopic dermatitis are associated with diminished ceramide levels and may be effectively improved by exogenous ceramides or their analogues. Since ceramides are not obtained from natural sources in pure form, they are of synthetic interest since 1950's. In this chapter, we describe sphingosine syntheses from 1998 until 2008, and the synthetic approaches to the unique epidermal ceramides, including the 6-hydroxysphingosine-based ones, the alpha- and omega-hydroxy forms and the omega-acyloxy species. Moreover, the structural requirements of ceramides for a competent skin barrier are discussed, including acyl chain length, trans double bond, acyl alpha-hydroxyl, stereochemistry, omega-linoleyloxy species and ceramide conformation. Chapter 3 focuses on the synthesis, evaluation of transdermal permeation-enhancing potency, biodegradability and reversibility of action of series of N,N-dimethylamino acid esters. Effects of chirality, linking chain length and polyfluorination together with the enhancer-drug interaction are discussed. No differences in activity were found between (R), (S) and racemic dodecyl 2- (dimethylamino)propanoate (DDAIP). Substitution of hydrocarbon tail by fluorocarbon one resulted in loss of activity. Replacement of branched linking chain between nitrogen and ester of DDAIP by linear one markedly improved penetration-enhancing activity with optimum in 4-6C acid derivatives. Dodecyl 6-(dimethylamino)hexanoate (DDAK) was more potent than clinically used skin absorption enhancer DDAIP for theophylline (enhancement ratio of DDAK and DDAIP was 17.3 and 5.9, respectively), hydrocortisone (43.2 and 11.5) and adefovir (13.6 and 2.8), while DDAIP was better enhancer for indomethacin (8.7 and 22.8). DDAK was rapidly metabolized by porcine esterase, and displayed low acute toxicity. Electrical resistance of DDAK-treated skin barrier promptly recovered to control values, showing the reversibility of action of the enhancer. These results suggest that DDAK, a highly effective biodegradable transdermal permeation enhancer for a broad spectrum of drugs, is a promising candidate for future research. 7 As mentioned above, stratum corneum ceramides are major determinants of skin barrier function. Although their physiological and pathological role has been widely investigated, to date no structure- activity relationships have been established. Study described in chapter 4 concentrates on the synthesis of a series of short-chain ceramide analogues with polar head structure identical to ceramide NS, sphingosine length of 12 carbons and acyl chain length from 2 to 12 carbons. Their effect on skin permeability is evaluated using porcine skin and two model drugs, theophylline and indomethacin, and compared to that of a physiological ceramide NS. The results showed that ceramide chain length was crucial for their barrier properties. Ceramides with 4-8C acyl chain were able to increase skin permeability for both drugs up to 10.8 times with maximum effect at 6C acyl. No increase in permeability was found for ceramide analogues with 2C and 12C acyl and ceramide NS. The same relationships were obtained for skin concentrations of the model drugs. The relationship between ceramide acyl chain length and its ability to perturb skin barrier showed striking similarity to the behavior of short-chain ceramides in sphingomyelin/phospholipid membranes and confirmed that short-chain ceramides do not act as natural ceramides and their use as experimental tools should be cautious. Topical skin lipid supplementation may provide opportunities for controlling ceramide deficiency in diseases such as atopic dermatitis or psoriasis. However, the exact mechanisms by which exogenous ceramides correct the barrier abnormalities are not known. Although exogenous short-chain NBD- labeled C6-ceramide was shown to rapidly traverse stratum corneum (SC) and to be uptaken and metabolized by viable epidermal layers, no such evidence is available for long-chain ceramides. Thus, the study described in chapter 5 aims at comparing skin penetration of fluorescent NBD- labeled C6, C12, and C24- ceramide and pseudo ceramide 14S24. Fluorescent lipids were synthesized from sphingosine or L-serine ester and omega-NBD-labeled hydroxysuccinimide- activated acids. 24-NBD-lignoceric acid was prepared from dodecan-1,12-diol using lithium tetrachlorocuprate coupling. NBD- ceramide at two concentrations, either alone or in equimolar mixture with cholesterol and lignoceric acid, were applied on viable human skin for 2 and 12 h, respectively. Only short-chain NBD-C6- ceramide reached viable epidermis; NBD-C12- ceramide and both NBD-C24 lipids penetrated solely into several upper SC layers of both intact and acetone- treated skin. These results show that the skin penetration of exogenous ceramide is chain length- dependent and that exogenous long-chain NBD-labeled ceramide and their analogues do not enter viable epidermis. This supports our hypothesis that short-chain ceramide cannot be used as general long-chain ceramide mimics.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Jakub Novotný 2.26 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Jakub Novotný 262 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Jakub Novotný 81 kB
Stáhnout Posudek vedoucího Doc. PharmDr. Kateřina Vávrová, Ph.D. 125 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Ing. Miloš Sedlák, DrSc. 672 kB
Stáhnout Posudek oponenta Doc.RNDr. Pavel Doležal, CSc. 747 kB