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Potencial Redox y energías de solvatación en clusters [Re6(μ3-Q8)X6]3-:
Síntesis, luminiscencia y su uso potencial como un agente antitumoral y
biomarcador.
Nombre: Macarena Rojas Poblete
Director de Tesis: Dr. Ramiro Arratia-Pérez.
El cáncer es una de las principales causas de muerte a nivel mundial. En Chile, el mayor porcentaje de
las muertes por cáncer son de estómago, vesícula biliar, seguido de pulmón y glándula mamaria, entre
muchos otros. Actualmente, el diagnóstico de cáncer se basa en los síntomas que presenta el paciente.
La realización de estudios por imágenes como la tomografía computarizada, las imágenes por
resonancia magnética y los estudios por ecografía, solo pueden confirmar la presencia de tumores pero
no confirmar si estos son cancerosos. La manera de confirmar la presencia de células cancerosas es
mediante una biopsia, donde el tejido o el líquido obtenido es analizado mediante un protocolo de
confirmación, lo cual demanda un largo tiempo de espera hasta obtener el resultado. Investigaciones en
el marco de detección de células de cáncer mediante imágenes fluorescentes ha aumentado en los
últimos años, siendo algunos compuestos de Renio una opción para su empleo, aprovechando las
propiedades luminiscentes que poseen estos. En este marco, existen dos tipos de compuestos de
especial interés: Complejos organometálicos de Renio y clusters basados en metales de transición
coordinados a calcógenos (elementos del grupo VIA de la tabla periódica).
Ambos tipos de compuestos han sido estudiados en nuestro grupo de investigación, por ser Chile uno
de los mayores productores de Renio a nivel mundial, y por haber obtenido resultados muy
prometedores en cuanto a la detección y ataque de células cancerígenas a nivel de laboratorio con
varios de estos compuestos sintetizados (Figura 1).
Ligandos
Perifericos o
T
i
l
Ión Renio, Re+3
Ligando -3
Calcogenuro
Figura 1. Modelo molecular para el cluster [Re6(μ3-Q8)X6]4− .
Debido a las propiedades luminiscentes de este tipo de compuestos y la citotoxicidad en células
cancerígenas, hacen de estos cluster unos excelentes candidatos para ser utilizados como agentes de
contraste en medicina(Figura 2). Investigadores como Ramírez-Tagle et. al. en colaboración con el
grupo del Dr. Ramiro Arratia-Pérez evaluaron por primera vez algunas propiedades biológicas de
clúster selenuro de hexa-iodo Renio (III), [Re6Se8I6]3-, el cual fue probado en células tumorgénicas
HepG2, células endoteliales (EA) y células endoteliales primarias no tumorales (HUVEC) revelando
una mayor citotoxicidad para HepG2 y un nivel muy bajo para HUVEC, lo que demuestra la
selectividad hacia células cancerígenas . Además, se estudiaron computacionalmente complejos de este
tipo explicando sus propiedades electrónicas, sintetizándolos y evaluando la obtención de imágenes
fluorescentes en líneas celulares de cáncer SKOV-3.
Figura 2. Imagenes fluorescentes en la detección de líneas celulares de cáncer empleando como
marcador el clúster Re6Se8I63- . Las imágenes muestran una fase de control con células sanas (
A-D), las células cancerosas (E-H) y las imagenes de ambas (I-L) a diferentes tiempos, con una
concentración de clúster de 90 mM.
Los compuestos calcogenuros de hexarenio (III) han sido muy estudiados en los últimos años, por
poseer una serie de propiedades tanto fisicoquímicas como biológicas, las cuales se han investigado en
estado sólido y en disolución. En esta línea, se estudió el clúster [n-Bu4N]3[Re6Se8I6], al cual se le
realizaron una serie de ensayos para analizar su potencial uso como agente antitumoral y biomarcador1.
Los resultados de tales análisis arrojaron un efecto citotóxico selectivo, ya que la mayor citotoxicidad
la presentaron células afectadas con cáncer (HepG2) y la menor actividad citotóxica fue detectada en
las células llamadas HUVEC (células epiteliales del cordón umbilical humano), lo cual hace predecir
que el mecanismo de muerte celular presentado es la apoptosis (muerte celular programada).
Esto, complementado con las propiedades luminiscentes presentada por el clúster de Re(III) y su
capacidad para internarse en el núcleo celular, lo hacen un posible agente en el diagnóstico de cáncer,
localizando tumores malignos, además de ser un buen candidato para el tratamiento de estos.
En este proyecto de tesis doctoral, se realizará la síntesis del clúster [n-Bu4N]3[Re6Se8I6], al cual se le
cambiará el contra-ion tetrabutilamonio (n-Bu4N+) por Sodio y Magnesio, además de explorar la
sustitución del ligando terminal X por otros con características-donores, -aceptores con el objetivo
de aumentar la solubilidad del clúster en medios acuosos3.
Luego de obtenidos los nuevos compuestos de Re (III), se caracterizarán y estudiarán sus propiedades
luminiscentes y la captación celular. Para los ensayos de captación celular se utilizará la línea celular
MCF-7, que corresponde a cáncer de mama y la línea celular MCF-10A, que corresponde a células
humanas epiteliales no tumorigénicos.
Por otro lado, se realizará un estudio computacional de la estructura electrónica y propiedades
fisicoquímicas de compuestos clúster de Renio (III) del tipo [Re6(μ3-Q8)X6]3- en distintos disolventes,
donde Q es un calcógeno y X un elemento del grupo VIIA. El modelamiento computacional se
realizará empleando la Teoría del Funcional de Densidad (DFT) y el modelo de solvatación implícita
COSMO como primera aproximación, empleando los recursos computacionales del Doctorado en
Fisico Química molecular. El modelo COSMO es un modelo de medio continuo para la interacción
electrostática de una molécula en un disolvente. Así, las propiedades del disolvente se reducen a un
tamaño asumido como una esfera rígida de las moléculas de este, utilizado para determinar hasta qué
punto el disolvente puede penetrar en la región ocupada por la molécula en estudio. Esto es importante
para determinar la superficie molecular efectiva y la superficie accesible al disolvente. En el modelo
COSMO, las cargas son escaladas por un factor f que se define como:
f (ε )=
1− ε
ε+k
Donde, es la constante dieléctrica del medio disolvente y se toma normalmente como k= 0,5, pero
dependerá de la forma de la cavidad y de la distribución de las cargas en el soluto. Para solutos neutros
el mejor resultado de acuerdo a datos experimentales es obtenido para k= 0,5, mientras que para
moléculas cargadas es preferible utilizar k= 0.
A estos clusters se les calcularán tanto la energía de solvatación, como los potenciales redox, además de
los correspondientes valores de pKa y con estos datos se construirá un ciclo termodinámico para los
potenciales de oxidación y reducción para un electrón, de acuerdo al esquema 1:
Esquema 1. Ciclo termodinámico para potenciales de oxidación (izquierda) y reducción (derecha)
para un electrón en solución.
Cuando el cambio en la energía libreG0 en solución ha sido calculada, el potencial redox E° puede ser
obtenido como:
E0 = −
ΔG
nF
0
donde F corresponde a la constante de Faraday que es igual a 23,061 kcal mol-1V-1.
Teniendo los valores de los cambios de energía libre G0, se pueden calcular las constantes Kx según
la siguiente ecuación:
K x =e ΔG
0
(sol )/ RT
Para éste tipo de cluster, es importante estudiar también la energía libre de solvatación iónica, ya que
asumiendo un equilibrio en el proceso de perdida de uno o mas ligandos del núcleo de Re(III), se
puede establecer la constante de equilibrio Kx y las energías libres de solvatación como se muestra en
el siguiente esquema2.
Esquema 2. Ciclo de energía libre para calcular valores de Kx, en fase gas y
solución de clusters del tipo [Re6Q8]2+.
Además, el valor de pKa puede relacionarse con G0 a través de las siguientes ecuaciones:
K a =e ΔG
0
(sol )/ RT
pKa=− log (e
ΔG 0 (sol )/ RT
)
En nuestra investigación, dirigida por el Dr. Ramiro Arratia-Pérez, se han logrado avances tanto en el
área de síntesis de cluster de Re(III) como en el estudio computacional.
Un avance en la investigación teórico-experimental ha sido el reemplazo del contraión de
tetrabutilamonio (n-Bu4N+) por Sodio. Para ello, se utilizó como fuente de Sodio una sal llamada
hexafluorofosfato de Sodio (NaPF6), describiéndose a continuación:
[n-Bu4N]3[Re6Se8I6] + 3NaPF6
Na3[Re6Se8I6] +
3[n-Bu4N]PF6
Para la reacción se utilizó como disolvente acetonitrilo (CH3CN) seco, en ambiente de gas nitrógeno
(N2). Al clúster se le realizaron análisis de espectroscopia infraroja FTIR, Difracción de Rayos X y
análisis elemental, comprobando la estructura propuesta del clúster de Na3[Re6Se8I6], siendo además
soluble en agua, que es una característica muy importante que se busca en los objetivos de la
investigación.
En cuanto a los resultados de los estudios computacionales, se realizaron los cálculos para clúster de
Renio (III) del tipo [Re6(μ3-Q8)X6]3- variando la estructira con diferentes calcógenos Q y ligandos
X, tanto en fase gaseosa como en diferentes disolventes, empleando para ello la Teoría del Funcional de
Densidad (DFT) y el modelo de solvatación implícita COSMO, como se había mencionado
anteriormente. Con los resultados obtenidos se han podido determinar también los Potenciales Redox
(Potencial electroquímico), obteniendo valores cercanos a los resultados experimentales, lo que
contribuye al estudio de este tipo de clúster y su posterior evaluación en lineas celulares de cáncer. Es
importante destacar que la pronta detección de células cancerígenas en un paciente le ayudará a un
diagnóstico temprano, acortando la brecha entre éste y el tratamiento de la enfermedad.
REFERENCIAS
1 R. Ramírez-Tagle et al, The paramagnetic and luminescent [Re6Se8I6]3- cluster. Its potential use as an
antitumoral and biomarker agent, New J. Chem., 2012, 36, 927‒932.
2 C. Cramer, Essentials of computational chemistry, Theories and models, 2nd edition, Ed. Wiley, (2004).
3 W.Rabanal-León, J.Murillo-López, D. Páez-Hernández, and R. Arratia-Pérez, Understanding the Influence
of Terminal Ligands on the Electronic Structure and Bonding Nature in [Re6(μ3‐Q8)]2+ Clusters, J . Phys.