Elektrochemiczne różnice między wenlafaksyną a deswenlafaksyną

Czy struktura chemiczna wenlafaksyny wpływa na jej właściwości redoks?

Wenlafaksyna (VEN) i jej główny metabolit deswenlafaksyna (DES) należą do inhibitorów wychwytu zwrotnego serotoniny i noradrenaliny (SNRI), stanowiąc istotne narzędzie w terapii depresji. Pomimo podobnej skuteczności neurofarmakologicznej, ich zdolność do ochrony komórek przed uszkodzeniem może być determinowana przez działanie antyoksydacyjne związane z peroksydacją lipidów. Badacze z Brazylii postawili hipotezę, że różnice strukturalne między VEN a DES – głównie obecność grupy metylowej – mogą wpływać na ich profil redoks i mechanizm utleniania.

Zespół przeprowadził kompleksową analizę łączącą techniki elektrochemiczne (woltamperometrię cykliczną CV, różnicową pulsową DPV i kwadratową falową SWV) z obliczeniami kwantowo-chemicznymi na poziomie teorii funkcjonału gęstości (DFT) i czasowo-zależnej DFT (TD-DFT). Celem było nie tylko wyjaśnienie mechanizmu utleniania obu leków, ale także zidentyfikowanie kluczowych parametrów molekularnych odpowiedzialnych za ich właściwości redoks. Publikacja ukazała się w czasopiśmie ACS Omega.

Jak badano właściwości elektrochemiczne wenlafaksyny i deswenlafaksyny?

Pomiary elektrochemiczne wykonano w trójkrotnych seriach przy temperaturze 25 ±1°C, wykorzystując układ trójeletrodowy: elektrodę węglową (CPE) jako roboczą, drut platynowy jako pomocniczą oraz Ag/AgCl/KCl (nasycony) jako odniesienia. Eksperymenty przeprowadzono w 5,0 mL komórce z buforem octanowym (ABS) lub fosforanowym (PBS) o stężeniu 0,1 M, w zakresie pH od 3 do 9. W technice DPV zastosowano amplitudę impulsu 50 mV, szerokość impulsu 0,2 s i szybkość skanowania 25 mV/s. W SWV użyto amplitudy 50 mV, częstotliwości 25 Hz i przyrostu potencjału 2 mV. Woltamperometrię cykliczną przeprowadzono przy szybkościach skanowania od 25 do 500 mV/s w zakresie 0-1,1 V.

Obliczenia struktury elektronowej podzielono na trzy etapy. Pierwszy obejmował optymalizację geometrii molekularnej i analizę drgań na poziomie DFT z użyciem zestawu bazowego def2-TZVP i funkcjonału wymiany-korelacji M06-2x. Drugi etap wykorzystywał TD-DFT do określenia długości fal przejść elektronowych i sił oscylatora. W trzecim etapie, za pomocą pakietu ORCA, zbadano spontaniczność procesu demetylacji, stosując funkcjonał wB97X-D3 z zestawem bazowym def2-TZVP i modelem solwatacji SMD. Wszystkie obliczenia uwzględniały formy neutralne, protonowane oraz produkty utlenienia obu cząsteczek.

Jakie różnice w profilu redoks ujawniły pomiary woltamperometryczne?

Analiza woltamperometryczna wykazała wyraźne różnice w zachowaniu elektrochemicznym VEN i DES w zależności od pH. Dla DES zaobserwowano pik anodowy przy Ep₁a = 0,66 V, podczas gdy dla VEN wartość ta wyniosła 0,81 V. Ta różnica 0,15 V wskazuje, że obecność grupy metylowej w VEN utrudnia proces utlenienia poprzez przestrzenne zaburzenie grupy hydroksylowej. Zależność potencjału utleniania od pH była liniowa dla obu związków (współczynnik korelacji 0,98), z nachyleniem około 60 mV, co sugeruje stosunek 1:1 między transferem elektronów a protonów.

Intensywność prądów szczytowych również była silnie zależna od pH. DES wykazywała najwyższy sygnał analityczny przy pH 7,0 (neutralnym), podczas gdy dla VEN maksimum obserwowano przy pH 9,0 (zasadowym). To zjawisko potwierdza niższą zależność VEN od protonów, zgodną z metylacją grupy hydroksylowej. W obu przypadkach zanotowano znaczną redukcję prądu szczytowego w środowisku kwaśnym. Brak pików katodowych w CV i SWV wskazuje na nieodwracalny charakter utlenienia obu leków.

Eksperymenty z różnymi szybkościami skanowania (25-500 mV/s) potwierdziły dyfuzyjny charakter procesów utleniania – intensywność sygnału była liniowo zależna od pierwiastka kwadratowego szybkości skanowania. Krzywe kalibracyjne wykazały liniową odpowiedź w zakresie 0,05-0,4 mM dla obu związków, z współczynnikami korelacji 0,93 (DES) i 0,95 (VEN). DES wykazywała silniejsze właściwości adsorpcyjne, co objawiało się znacznym spadkiem sygnału w drugim skanie – prawdopodobnie na skutek elektropolimeryzacji niestabilnego pośredniego fenoksylu.

Co ujawniły obliczenia kwantowo-chemiczne o mechanizmie utlenienia?

Analiza orbitali molekularnych wykazała, że różnica energetyczna między HOMO a LUMO (przerwa HOMO-LUMO) jest niemal stała dla wszystkich badanych form molekularnych, wahając się od 7,71 do 7,91 eV. Formy protonowane charakteryzowały się nieco mniejszą przerwą energetyczną. Najistotniejszą różnicę zaobserwowano dla produktu utlenienia – 6,15 eV. Rozkład przestrzenny HOMO i LUMO dla wszystkich badanych form lokalizował się w pierścieniu aromatycznym, co wskazuje ten region jako główne miejsce reakcji redoks.

Porównanie poziomów energetycznych HOMO między VEN a DES ujawniło różnicę około 0,12 eV dla form nieprotonowanych i 0,22 eV dla protonowanych. Ta różnica wyjaśnia obserwowane przesunięcie potencjału utleniania w eksperymentach elektrochemicznych. Niższa energia jonizacji VEN (7,756 eV) w porównaniu do DES (8,182 eV) wskazuje na większą łatwość oddania elektronu, co jest zgodne z bardziej anodowym potencjałem utleniania obserwowanym eksperymentalnie.

Obliczenia energii swobodnej Gibbsa dla reakcji leków z wodą lub jonami hydroksylowymi ujawniły istotne różnice między fazą gazową a środowiskiem rozpuszczalnikowym. W fazie gazowej interakcje z jonami OH⁻ były energetycznie korzystne (ΔGgaz = -32,92 kcal/mol dla DES, -36,73 kcal/mol dla VEN), podczas gdy w rozpuszczalniku sytuacja się odwracała (ΔGroztwór = +189,13 kcal/mol dla DES, +187,20 kcal/mol dla VEN). To zjawisko potwierdza, że w warunkach fizjologicznych (pH 7) dominuje reakcja z cząsteczkami wody, co wyjaśnia optymalne wyniki przy pH neutralnym.

Jaki mechanizm utleniania zaproponowano dla wenlafaksyny?

Na podstawie obliczeń DFT zaproponowano szczegółowy mechanizm utlenienia. Dla DES proces rozpoczyna się od transferu elektronu z orbitalu HOMO lub HOMO-1 zlokalizowanego w pierścieniu aromatycznym, co prowadzi do powstania karbokationu. W przypadku VEN mechanizm jest bardziej złożony i może przebiegać dwoma alternatywnymi ścieżkami. Pierwsza obejmuje utlenienie i eliminację protonu (H⁺), a następnie eliminację grupy metylowej (CH₃⁺). Druga ścieżka rozpoczyna się od eliminacji CH₃⁺, po której następuje utlenienie i eliminacja H⁺.

Porównanie energetyczne obu ścieżek dla VEN wykazało, że mechanizm rozpoczynający się od eliminacji protonu jest energetycznie korzystniejszy – całkowita różnica energii wynosi 0,8727 hartree w porównaniu do 0,9659 hartree dla ścieżki z początkową eliminacją grupy metylowej. W obu przypadkach obecność cząsteczki wody ułatwia proces demetylacji, co jest zgodne z obserwowaną zależnością od pH.

„Proces utleniania prowadzi do powstania karbokationu w pierścieniu aromatycznym, po którym następuje etap demetylacji” – piszą autorzy badania, podkreślając kluczową rolę pośredniego karbokationu w mechanizmie reakcji. Analiza TD-DFT wykazała, że pierwsze trzy przejścia elektronowe występują w zakresie UV, z najwyższymi intensywnościami w regionie UVB. Dla form neutralnych DES i VEN przejście HOMO → LUMO+1 wykazuje najwyższą absorpcję, podczas gdy dla form zjonizowanych dominuje przejście HOMO → LUMO+2.

Co mówią deskryptory elektronowe o reaktywności obu leków?

Obliczone deskryptory elektronowe dostarczają głębszego wglądu w względną stabilność i profil reaktywności badanych związków. Potencjał chemiczny (μ), który odzwierciedla tendencję układu do utraty gęstości elektronowej, jest mniej ujemny dla VEN (-2,869 eV) niż dla DES (-3,260 eV). To potwierdza większą termodynamiczną tendencję VEN do działania jako donor elektronów, mimo barier kinetycznych związanych z obecnością grupy metylowej.

Twardość globalna (η), związana z odpornością na zmiany w rozkładzie elektronów, jest nieznacznie niższa dla VEN (4,888 eV) w porównaniu do DES (4,922 eV). Niższa twardość oznacza większą polaryzowalność i w konsekwencji wyższą reaktywność wewnętrzną. Produkt utlenienia wykazuje jeszcze niższą twardość globalną (4,016 eV), odzwierciedlając jego wyraźny charakter elektrofilowy.

Indeks elektrofilowości (ω) produktu utlenienia (2,664 eV) jest znacząco wyższy niż prekursorów (VEN: 0,841 eV; DES: 1,079 eV). Ten drastyczny wzrost potwierdza, że utlenienie generuje wysoce elektrofilowy gatunek chemiczny, który może łatwo ulegać atakom nukleofilowym, takim jak proponowana hydratacja, lub uczestniczyć w reakcjach elektropolimeryzacji – co wyjaśnia zanik sygnału analitycznego w drugim skanie woltamperometrycznym dla DES.

Jakie wnioski płyną z tego badania dla chemii leków przeciwdepresyjnych?

Kompleksowa analiza elektrochemiczna i kwantowo-chemiczna ujawniła fundamentalne różnice w zachowaniu redoks wenlafaksyny i deswenlafaksyny, wynikające z subtelnych różnic strukturalnych. Obecność grupy metylowej w VEN powoduje przesunięcie potencjału utleniania o 0,15 V w kierunku bardziej anodowym oraz zmienia zależność od pH – maksymalną intensywność sygnału obserwuje się w środowisku zasadowym (pH 9,0) zamiast neutralnym (pH 7,0) jak w przypadku DES. Obliczenia DFT potwierdziły, że różnice te wynikają ze zmian w energii orbitali molekularnych oraz stabilizacji pośredniego karbokationu przez grupę metylową.

Zaproponowany mechanizm utlenienia, zweryfikowany obliczeniami energii swobodnej Gibbsa, wskazuje na kluczową rolę pierścienia aromatycznego jako miejsca inicjacji procesu redoks. Dla VEN wykazano, że demetylacja następuje po etapie utlenienia i jest ułatwiana przez obecność cząsteczek wody, co wyjaśnia obserwowaną zależność od pH. Nieodwracalny charakter procesu utlenienia oraz tendencja do elektropolimeryzacji (szczególnie dla DES) mają istotne znaczenie dla stabilności tych leków w warunkach biologicznych.

Badanie dostarcza cennych informacji o związku między strukturą chemiczną a właściwościami redoks leków przeciwdepresyjnych. Połączenie technik elektrochemicznych z chemią obliczeniową okazało się skutecznym podejściem do wyjaśniania mechanizmów redoks złożonych cząsteczek. Wyniki mogą przyczynić się do projektowania nowych leków o zoptymalizowanych właściwościach antyoksydacyjnych i poprawionej stabilności metabolicznej. Dalsze badania powinny skupić się na kinetyce procesów redoks w warunkach biologicznych oraz translacji tych odkryć do praktyki klinicznej.