Submitted by Mario BC (mario@bc.ufrpe.br) on 2018-05-07T14:49:32Z No. of bitstreams: 1 Marcia Pereira da Silva.pdf: 2237731 bytes, checksum: 3657312065e791eb80c06c158fe00c6a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-07T14:49:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcia Pereira da Silva.pdf: 2237731 bytes, checksum: 3657312065e791eb80c06c158fe00c6a (MD5) Previous issue date: 2018-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Ion channels are integral proteins present in cell membranes, being fundamental components in a wide variety of physiological processes, e.g. propagation of the nervous impulse, muscular contraction, control of the cardiac excitability and cellular secretion. The ion channels shift between different states of conductance, sometimes allowing, sometimes interrupting the flow of ions between the cellular compartments. The mechanism of opening and closing ion channels has been modeled as a random process, however, some studies have shown that these transitions in some channels have memory, that is, long-term correlation. Gramicidin A (gA) is a pentadecapeptide produced by Bacillus brevis with the ability to form simple ion channels when inserted into lipid membranes. The structural simplicity, the ability to form channels and the ease of molecular manipulation of gA have made gramicidin a good model for studies of ion channels. There is a large amount of reports about gA channels, however, we did not find studies using mathematical methods of nonlinear dynamics in the analysis of the existence of memory in these channels. In this context we used the Detrended Fluctuation Analysis (DFA) and the Approximate Entropy (ApEn) in the investigation of the existence of memory and complexity in the kinetic process of the gA channels, respectively. The single-channel currents were recorded in real time through a microcomputer coupled to an A / D converter and a patch-clamp amplifier. All experiments were performed under the following experimental conditions: diphytanoyl phosphatidylcholine planar lipid bilayers in 1 M NaCl solution not buffered, initial pH of 6.3 ± 0.2; the transmembrane potential of 200 mV and a temperature of 25 ° C. The conductance of the gA channel was 15.5 ± 0.05 pS. The time constants, , for the gA channel for the open and closed state were 𝑓== 3.1866 ± 0.1752 s and 𝑎= 12.0743 ± 0.8658 s, respectivel. According to the number of events and percentage deletion of time series regions, different behaviors in kinetics of gA channels were observed: antipersistent correlation (𝛼𝐷𝐹𝐴 = 0.4 and 0.44), persistent correlation (𝛼𝐷𝐹𝐴 = 0.63) and presence of random behavior (𝛼𝐷𝐹𝐴 = 0.53 ± 0.2). However, it has been observed in most of the analyzed series that the kinetics of these channels tend to exhibit a random behavior. The results of the ApEn analyzes showed that the series that have random behavior presented greater complexity when compared to the series that have memory. The results obtained allow us to conclude that the kinetic process of the gA channel has high complexity and absence of memory, divergent behavior from those found in many structurally complex ion channels, such as some sodium and potassium channels, which have a deterministic behavior. / Os canais iônicos são proteínas integrais presentes nas membranas celulares, sendo componentes fundamentais em uma grande variedade de processos fisiológicos como propagação do impulso nervoso, contração muscular, controle da excitabilidade cardíaca e secreção celular. Os canais iônicos transitam entre diferentes estados de condutância, ora permitindo, ora interrompendo o fluxo de íons entre os compartimentos celulares. O mecanismo de abertura e fechamento dos canais iônicos tem sido modelado como um processo aleatório, no entanto, alguns trabalhos têm demostrado que essas transições em alguns canais apresentam memória, ou seja, correlação de longo alcance. A gramicidina A (gA) é um pentadecapeptídeo produzido pelo Bacillus brevis com a capacidade de formar canais iônicos simples quando inseridas em membranas lipídicas. A simplicidade estrutural, a capacidade de formar canais e a facilidade de manipulação molecular de gA tornaram a gramicidina um bom modelo para estudos dos canais iônicos. Sabe-se da grande quantidade de relatos sobre os canais de gramicidina, porém, não foi encontrado estudos com o emprego de métodos matemáticos de dinâmica não-linear na análise da existência de memória nesses canais. Nesse contexto empregamos a análise de flutuação destendenciada (DFA) e a entropia aproximada (ApEn) na investigação da existência de memória e complexidade no processo cinético dos canais de gA, respectivamente. As correntes iônicas unitárias foram registradas em tempo real através de um microcomputador acoplado a um conversor A/D e um amplificador de patch-clamp. Todos os experimentos foram realizados nas seguintes condições experimentais: bicamadas lipídicas planas de diftanoil-fosfatidilcolina, solução de NaCl 1 M não tamponada, pH de 6,3±0,2; potencial transmembrana de 200 mV e temperatura de 25°C. O valor da condutância do canal de gA foi de 15,5 ± 0.05 pS. As constantes de tempo para o canal de gA para o estado aberto e no estado fechado foram 𝑎= 3,1866 ± 0,1752 s e 𝑓=12,0743 ± 0,8658 s, respectivamente. Em função do número de eventos e do percentual de deleção de regiões das séries temporais observou-se diferentes comportamentos na cinética dos canais de gA: correlação antipersistente (𝛼𝐷𝐹𝐴=0,4 e 0,44), correlação persistente (𝛼𝐷𝐹𝐴=0,63) e presença de comportamento aleatório (𝛼𝐷𝐹𝐴=0,53±0,2). No entanto, foi observado na maioria das séries analisadas que a cinética desses canais tende a apresentar um comportamento aleatório. Os resultados das análises da ApEn mostraram que as séries que possuem comportamento aleatório apresentaram maior complexidade quando comparados as séries que apresentam memória. Os resultados obtidos permitem concluir que o processo cinético do canal de gA possui de elevada complexidade e ausência de memória, comportamento divergente daqueles encontrados em muitos canais iônicos estruturalmente complexos, como alguns canais de sódio e potássio, que possuem um comportamento determinístico.

O acesso à permeabilidade é uma etapa crucial na definição da via de administração de um fármaco, além de ser um dos parâmetros utilizados para a avaliação e seleção de moléculas durante as fases iniciais da pesquisa por novos fármacos. Diversos modelos in vitro têm sido descritos para a realização dos estudos de permeabilidade, mas ainda é evidente a carência de padronização de seus protocolos. O modelo de Permeabilidade em Membrana Artificial Paralela (PAMPA) é rápido e simples, podendo ser facilmente incorporado à rotina de um laboratório. Não obstante, tem apresentado excelente correlação com modelos in vitro quando na avaliação da permeabilidade de fármacos transportados pela via passiva transcelular. O principal objetivo deste trabalho foi investigar a influência das principais variáveis do método de PAMPA e seu impacto na permeabilidade de fármacos. Para tanto, foram selecionados 9 fármacos com características físico-químicas distintas, em função dos seguintes critérios: lipofilicidade (logP); Área de Superfície Polar (PSA); Volume Molecular (VM); pKa; Peso Molecular (PM); Número doadores de ligação de hidrogênio (HBD) e Sistema de Classificação Biofarmacêutica (SCB). Os fármacos selecionados foram listados quanto à sua permeabilidade em jejuno humano (Peff) e em cultura de células Caco-2, além de Fração de Absorção (FA%) em humanos. Para o estudo das variáveis da técnica de PAMPA, a ferramenta de Desenho de Experimentos (DOE) foi utilizada e as seguintes condições de ensaio foram exploradas: gradiente de pH do meio do compartimento doador, presença ou ausência de ácido glicocólico no meio do compartimento receptor, variação do tempo de incubação, presença ou ausência de agitação das placas durante a incubação e variação da composição lipídica da membrana artificial. A combinação fatorial completa das condições de ensaio a serem exploradas resultou em 96 experimentos, os quais foram executados em triplicata. Os resultados obtidos apontaram que as variações do pH do meio do compartimento doador, do tempo de incubação e da composição do meio do compartimento receptor foram as condições do ensaio de PAMPA que mais impactaram a permeabilidade dos fármacos. Os resultados obtidos nos 96 experimentos do DOE foram relacionados, a partir de regressão linear, com os parâmetros fisico-químicos e dados de permeabilidade dos fármacos do estudo. O experimento de DOE que apresentou melhor correlação com os dados de permeabilidade em jejuno humano para os fármacos contemplados neste estudo teve um R2=0,858. As condições de ensaio consideradas para este experimento foram: pH 4,5 no compartimento doador, incubação de 15 horas, ausência de agitação das placas, membrana composta por fosfatidilcolina 10% (p/v) e colesterol 0,5% (p/v) e presença de ácido glicocólico 0,5% (p/v) no compartimento receptor. Dentre as propriedades físico-químicas, o PM, PSA e VM foram propriedades comuns a grupos de fármacos cuja permeabilidade foi favorecida pelas mesmas condições de ensaio de PAMPA. Os maiores valores de permeabilidade em PAMPA foram obtidos para fármacos com Peff entre 1 e 2 *10-4 cm/s, permeabilidade em células Caco-2 entre 20 e 27 *10-6 cm/s, faixa de logP entre 0 e 3 além de PM abaixo de 300 Da e PSA abaixo de 90Å2. / The permeability access is a critical step when defining the route of administration of a drug, besides from being one of the parameters considered for selecting the best candidates during the initial stages of new molecules discovery. For this reason, there is a need to implement high capacity and low cost models, which have a high correlation with in vivo permeability. Several in vitro models have been described for the studies of permeability, but the lack of standardization of protocols is still evident. Parallel Artificial Membrane Permeability Assay (PAMPA) is fast and simple and can be easily incorporated into the routine of a laboratory. Nevertheless, it has shown excellent correlation with in vitro models when evaluating the permeability of drugs that are transported primarily by passive transcellular route. The aim of this project was to investigate the influence of key variables of PAMPA on the permeability of drugs. Therefore, nine drugs with different physicochemical characteristics were selected based on the following criteria: lipophilicity (logP), Polar Surface Area (PSA), Molecular Volume (MV), pKa, Molecular Weight (MW), number of Hydrogen Bond Donors (HBD) and Biopharmaceutical Classification System (BCS). In addition, the drugs were listed for their permeability in human jejunum, Caco-2 and Fraction of Absorption (FA%) in humans. Design of Experiments (DOE) was considered to plan the PAMPA experiments, and the following assay conditions were explored: pH gradient in the donor compartment, glycocholic acid presence or absence in the acceptor compartment, variations in the incubation time, presence or absence of plate agitation and variations in the lipid composition of the artificial membranes. Full factorial combination of the assay variables resulted in 96 experiments, which were performed in triplicate. The results showed that the pH of the donor compartment, the incubation time and acceptor compartment composition were the assay conditions which most impacted the PAMPA results of drugs. The 96 DOE experiments results were then correlated, by linear regression, with both the physic-chemical and permeability data of the selected drugs. The DOE experiment that showed the best correlation with the permeability in human jejunum (R2 = 0.858) for the drugs included in this study had the following test conditions: pH 4.0 in the donor compartment, incubation of 15 hours, without plate agitation, artificial membrane composed of phosphatidylcholine 10% (w/v) and cholesterol 0.5% (w/v) in dodecane and presence of glycocholic acid 0.5% (w/v) in the receptor compartment. Among the studied physicochemical properties, the molecular weight (MW), polar surface area (PSA) and molecular volume (VM) were the best drivers for determining PAMPA most suitable assay conditions. The highest PAMPA values were obtained for drugs with Peff between 1 and 2 *10-4 cm/s and Caco-2 permeability between 20 and 27 *10-6 cm/s, besides from logP between 0 and 3, MW below 300 Da and PSA below 90Å2.

O acesso à permeabilidade é uma etapa crucial na definição da via de administração de um fármaco, além de ser um dos parâmetros utilizados para a avaliação e seleção de moléculas durante as fases iniciais da pesquisa por novos fármacos. Diversos modelos in vitro têm sido descritos para a realização dos estudos de permeabilidade, mas ainda é evidente a carência de padronização de seus protocolos. O modelo de Permeabilidade em Membrana Artificial Paralela (PAMPA) é rápido e simples, podendo ser facilmente incorporado à rotina de um laboratório. Não obstante, tem apresentado excelente correlação com modelos in vitro quando na avaliação da permeabilidade de fármacos transportados pela via passiva transcelular. O principal objetivo deste trabalho foi investigar a influência das principais variáveis do método de PAMPA e seu impacto na permeabilidade de fármacos. Para tanto, foram selecionados 9 fármacos com características físico-químicas distintas, em função dos seguintes critérios: lipofilicidade (logP); Área de Superfície Polar (PSA); Volume Molecular (VM); pKa; Peso Molecular (PM); Número doadores de ligação de hidrogênio (HBD) e Sistema de Classificação Biofarmacêutica (SCB). Os fármacos selecionados foram listados quanto à sua permeabilidade em jejuno humano (Peff) e em cultura de células Caco-2, além de Fração de Absorção (FA%) em humanos. Para o estudo das variáveis da técnica de PAMPA, a ferramenta de Desenho de Experimentos (DOE) foi utilizada e as seguintes condições de ensaio foram exploradas: gradiente de pH do meio do compartimento doador, presença ou ausência de ácido glicocólico no meio do compartimento receptor, variação do tempo de incubação, presença ou ausência de agitação das placas durante a incubação e variação da composição lipídica da membrana artificial. A combinação fatorial completa das condições de ensaio a serem exploradas resultou em 96 experimentos, os quais foram executados em triplicata. Os resultados obtidos apontaram que as variações do pH do meio do compartimento doador, do tempo de incubação e da composição do meio do compartimento receptor foram as condições do ensaio de PAMPA que mais impactaram a permeabilidade dos fármacos. Os resultados obtidos nos 96 experimentos do DOE foram relacionados, a partir de regressão linear, com os parâmetros fisico-químicos e dados de permeabilidade dos fármacos do estudo. O experimento de DOE que apresentou melhor correlação com os dados de permeabilidade em jejuno humano para os fármacos contemplados neste estudo teve um R2=0,858. As condições de ensaio consideradas para este experimento foram: pH 4,5 no compartimento doador, incubação de 15 horas, ausência de agitação das placas, membrana composta por fosfatidilcolina 10% (p/v) e colesterol 0,5% (p/v) e presença de ácido glicocólico 0,5% (p/v) no compartimento receptor. Dentre as propriedades físico-químicas, o PM, PSA e VM foram propriedades comuns a grupos de fármacos cuja permeabilidade foi favorecida pelas mesmas condições de ensaio de PAMPA. Os maiores valores de permeabilidade em PAMPA foram obtidos para fármacos com Peff entre 1 e 2 *10-4 cm/s, permeabilidade em células Caco-2 entre 20 e 27 *10-6 cm/s, faixa de logP entre 0 e 3 além de PM abaixo de 300 Da e PSA abaixo de 90Å2. / The permeability access is a critical step when defining the route of administration of a drug, besides from being one of the parameters considered for selecting the best candidates during the initial stages of new molecules discovery. For this reason, there is a need to implement high capacity and low cost models, which have a high correlation with in vivo permeability. Several in vitro models have been described for the studies of permeability, but the lack of standardization of protocols is still evident. Parallel Artificial Membrane Permeability Assay (PAMPA) is fast and simple and can be easily incorporated into the routine of a laboratory. Nevertheless, it has shown excellent correlation with in vitro models when evaluating the permeability of drugs that are transported primarily by passive transcellular route. The aim of this project was to investigate the influence of key variables of PAMPA on the permeability of drugs. Therefore, nine drugs with different physicochemical characteristics were selected based on the following criteria: lipophilicity (logP), Polar Surface Area (PSA), Molecular Volume (MV), pKa, Molecular Weight (MW), number of Hydrogen Bond Donors (HBD) and Biopharmaceutical Classification System (BCS). In addition, the drugs were listed for their permeability in human jejunum, Caco-2 and Fraction of Absorption (FA%) in humans. Design of Experiments (DOE) was considered to plan the PAMPA experiments, and the following assay conditions were explored: pH gradient in the donor compartment, glycocholic acid presence or absence in the acceptor compartment, variations in the incubation time, presence or absence of plate agitation and variations in the lipid composition of the artificial membranes. Full factorial combination of the assay variables resulted in 96 experiments, which were performed in triplicate. The results showed that the pH of the donor compartment, the incubation time and acceptor compartment composition were the assay conditions which most impacted the PAMPA results of drugs. The 96 DOE experiments results were then correlated, by linear regression, with both the physic-chemical and permeability data of the selected drugs. The DOE experiment that showed the best correlation with the permeability in human jejunum (R2 = 0.858) for the drugs included in this study had the following test conditions: pH 4.0 in the donor compartment, incubation of 15 hours, without plate agitation, artificial membrane composed of phosphatidylcholine 10% (w/v) and cholesterol 0.5% (w/v) in dodecane and presence of glycocholic acid 0.5% (w/v) in the receptor compartment. Among the studied physicochemical properties, the molecular weight (MW), polar surface area (PSA) and molecular volume (VM) were the best drivers for determining PAMPA most suitable assay conditions. The highest PAMPA values were obtained for drugs with Peff between 1 and 2 *10-4 cm/s and Caco-2 permeability between 20 and 27 *10-6 cm/s, besides from logP between 0 and 3, MW below 300 Da and PSA below 90Å2.