Le ciclodestrine (CyD o CD) sono un tipo di destrine costituite da oligosaccaridi ciclici naturali formati da 6, 7 o 8 monomeri di D-(+)glucopiranosio uniti tra loro con un legame α,1-4 glucosidico e chiusi ad anello.
Le ciclodestrine sono efficienti agenti chelanti. Posseggono una struttura supramolecolare a gabbia, la stessa formata da criptandi, calixareni, ciclofani ed eteri corona. Questi composti promuovono reazioni chimiche che coinvolgono interazioni intermolecolari senza la formazione di legami covalenti tra le molecole che interagiscono. La maggior parte di queste reazioni è di tipo “host-guest” (ospite/ospitante).
Tra tutti gli host conosciuti, le ciclodestrine ricoprono un ruolo particolarmente importante, perché, data la loro capacità di formare complessi stabili, possono essere significativamente modificate le proprietà dei materiali a cui esse aderiscono. Come conseguenza alla loro capacità di complessarsi con facilità, le ciclodestrine sono frequentemente usate in molti prodotti industriali, tecnologici e analitici. Il loro effetto citotossico trascurabile le porta ad un largo impiego come vettori, ma anche come cosmetici, negli imballaggi, nell'insaporimento di cibi, nei processi di separazione, nella tutela dell'ambiente, nella fermentazione e nella catalisi.
Storia Conosciute anche come cicloamilosi, cliclomaltosi o destrine di Schardinger, si originano da una reazione intramolecolare di trans-glicosilazione, tramite degradazione dell'amido, da parte dell'enzima ciclodestrina-glucanotrasferasi (CGTasi).
Furono scoperte nel 1891, quando si ottenne una piccola quantità di materiale cristallino dalla digestione dell'amido da parte di un batterio, Bacilus amylobacter. Dopo poche settimane, in alcool, si ottenevano piccole quantità (circa 3 g/kg di amido) di un carboidrato, sotto forma di cristalli brillanti che avevano per formula un multiplo di (C6H10O3) · 3H2O.
Secondo altri, Antoine Villiers-Moriamé probabilmente ebbe contaminazioni nelle sue colture, e una contaminazione di Bacillus macerans produsse proprio le ciclodestrine. Villiers chiamò il suo prodotto cristallino "cellulosina".
Successivamente, nel 1903, Schardinger fu capace di isolare due prodotti cristallini: le destrine A e B, che erano caratterizzate dalla mancanza di "potere riducente". Purtroppo il ceppo batterico capace di formare questi prodotti dall'amido non le conservava.
Nel 1904 Franz Schardinger isolò un nuovo organismo, capace di sintetizzare acetone e alcol etilico da estratti vegetali contenenti amido e zucchero. Nel 1911 catalogò questo ceppo (Bacillus Macerans) capace di produrre una grande quantità di destrine cristalline dall'amido (25-30%). Schardinger chiamò i composti cristallini appunto "destrine cristallizzate". Solo nel 1935, ventiquattro anni dopo, le destrine vennero isolate. Furono sviluppati anche diversi schemi per il frazionamento e la ciclizzazione di destrine, costituendo appunto le ciclodestrine.
A quel tempo le strutture di questi composti erano ancora sconosciute, ma nel 1942 le strutture delle ciclodestrine furono determinate con la cristallografia a raggi X.
Nel 1946, a seguito di ulteriori esami ai raggi X, le ciclodestrine furono riconosciute come molecole in grado di formare complessi. La loro capacità di formare complessi di inclusione con diversi composti era alla base dell'interessamento generale.
Dalle strutture ai raggi X appariva che nelle ciclodestrine i gruppi ossidrilici secondari (sul C2 e C3) si trovavano sul lato più esteso dell'anello, mentre i gruppi ossidrilici primari (C6) erano sull'altro lato. Il C3 apolare, gli idrogeni sul C5 e l'ossigeno etereo, invece, erano posti all'interno della molecola.
Da quest'analisi risultava una molecola con un esterno idrofilo, che poteva quindi sciogliersi in acqua, e una cavità interna apolare, che conferiva invece un carattere idrofobo. Le ciclodestrine furono descritte come un "micro ambiente eterogeneo".
Caratteristiche chimico-fisiche
Le ciclodestrine hanno struttura cava a tronco di cono. In base al numero di monomeri (6, 7, o 8) sono dette alfa, beta o gamma ciclodestrine.
Le tre classi di ciclodestrine differiscono tra loro per grandezza dell'anello e dunque della cavità, pari a 5,70, 7,80 e 9,50 Å, e per la solubilità in acqua, pari a 18,5 g/l per la β, 145 g/l per l'α e 232 g/l per la γ. A temperatura ambiente si presentano come una polvere bianca cristallina inodore dal sapore debolmente dolce.
La struttura tridimensionale costringe i gruppi ossidrilici sui bordi esterni, mentre nella cavità sono presenti solo atomi di idrogeno e ponti ossigeno. Questo fa sì che la cavità centrale abbia natura idrofobica, mentre la parte esterna è idrofila: ciò si traduce nella possibilità per le ciclodestrine di ospitare molecole idrofobe all'interno della cavità e di essere solubili in acqua. Ne risulta anche l'abilità a indurre un incremento di solubilità delle sostanze idrofobe ospitate nella cavità in acqua. Quando una molecola di polarità e dimensioni opportune viene ospitata nella cavità della ciclodestrina si forma un cosiddetto complesso di inclusione di tipo supramolecolare.
Si ha così un rapporto tra le due molecole di ospite ed ospitante. Tra le tre ciclodestrine la più usata è la β, in quanto l'α risulta avere una cavità troppo piccola, la γ invece risulta avere costi di produzione troppo elevati. La β-ciclodestrina è meno idrosolubile rispetto alle altre due a causa dell'elevata tendenza con la quale forma dimeri insolubili, per questo sono state operate varie modifiche strutturali al fine di determinare un decremento della dimerizzazione e dunque un aumento della solubilità in acqua.
La formazione di un complesso di inclusione ospite/ospitante con ciclodestrina determina una variazione delle proprietà chimico-fisiche della sostanza inclusa: spesso infatti, come già detto, ne determina un notevole incremento della solubilità in acqua, ma anche un incremento delle intensità di fluorescenza, uno spostamento o un incremento delle bande di assorbimento.
Proprietà In base al tipo di ciclodestrina e al tipo di molecola ospite, le ciclodestrine cristallizzano in due tipi di strutture: le strutture a canale (channel structures) e le strutture a gabbia (cage structures). Da queste strutture si osserva che le ciclodestrine quando sono complessate adottano la struttura ciclica tipica, cioè quella in cui tutte le unità glucopiranosiche hanno conformazione a sedia. Inoltre, studi con maltoesosi lineari, che formano una doppia elica antiparallela, indicano che l'α-ciclodestrina è la forma in cui l'ingombro sterico dovuto alla ciclizzazione è minore, mentre la γ-ciclodestrina è quella con più tensione.
A partire da queste ciclodestrine naturali, sono stati sintetizzati molti derivati. Questi ultimi, generalmente, sono ottenuti da reazioni di amminazione, esterificazione o eterificazione di gruppi ossidrili (primari o secondari) delle ciclodestrine. A seconda dei sostituenti, la solubilità dei derivati è di solito diversa da quella delle ciclodestrine di partenza. Praticamente tutti i derivati presentano una mutazione, sostanziale o meno, della cavità idrofobica, e tramite questa modifica possono essere aumentate la solubilità e la stabilità alla luce o all'ossigeno, e può essere controllata l'attività chimica delle molecole ospiti.
Circa venti sostituenti diversi sono stati legati alla β-ciclodestrina in modo regioselettivo. La sintesi delle nuove ciclodestrine derivate richiede l'utilizzo di reagenti regioselettivi, oltre ad un'ottimizzazione delle condizioni di reazione e una buona separazione dei prodotti. La reazione più utilizzata è un attacco elettrofilo sui gruppi -OH, che comporta la formazione di eteri ed esteri mediante alogenuri alchilici, epossidi, derivati acilici, isocianati e derivati di acidi carbossilici. Sono anche state promosse reazioni che riguardano i legami C-OH, coinvolgendo un attacco nucleofilo da parte di composti come ioni azide, alogenuri, tioli, tiourea e ammine; ciò richiede l'attivazione dell'atomo di ossigeno da parte di un gruppo elettron-attrattore.
Data la loro capacità di legarsi, covalentemente o non, ad altre ciclodestrine e data la capacità di formare complessi di inclusione con molecole organiche, le ciclodestrine possono essere usate come unità per la costruzione di complessi supramolecolari. In questo modo possono essere costruiti composti come catenani, rotaxani o poli-rotaxani. Tali composti, che non possono essere preparati con nessun altro metodo, possono essere impiegati, ad esempio, per la separazione di complessi da miscele di enantiomeri.
Ogni anno, le ciclodestrine sono oggetto di quasi 1000 articoli di ricerca e documenti scientifici, un gran numero dei quali si occupa di farmaci o prodotti legati ai farmaci. Inoltre, sono state descritte numerose invenzioni che includono ciclodestrine (oltre 1000 brevetti negli ultimi 5 anni).
Per quanto riguarda le β-ciclodestrine sono già disponibili pubblicazioni, sia su US Pharmacopoeia/National Formulary (USP 23/NF18, 1995) che su European Pharmacopoeia (3rd ed., 1997). Dopo più di un secolo dalla loro scoperta, le ciclodestrine sono state rapidamente accettate come "nuovi eccipienti farmaceutici".
Considerazioni tossicologiche I profili di sicurezza delle tre più comuni ciclodestrine naturali e di alcuni dei loro derivati sono stati recentemente ridiscussi e rivisti. In generale, le ciclodestrine naturali ed i loro derivati idrofili sono in grado di permeare le membrane biologiche lipofile, come la cornea dell'occhio ad esempio, con una certa difficoltà. Anche le β-ciclodestrine metilate non permeano facilmente le membrane lipofile, sebbene interagiscano in modo nettamente migliore delle ciclodestrine idrofile.
Tutti gli studi di tossicità hanno dimostrato che le ciclodestrine somministrate per via orale sono praticamente non tossiche, a causa proprio del mancato assorbimento nel tratto gastrointestinale. Inoltre, una serie di valutazioni di sicurezza ha dimostrato che le γ-ciclodestrine, le 2-idrossipropil-β-ciclodestrine, le sulfobutil-eter-β-ciclodestrine, le β-ciclodestrine solfate e le β-ciclodestrine maltosilate sembrano essere sicure anche quando somministrate per via parenterale. Tuttavia, studi tossicologici hanno inoltre dimostrato che le α-ciclodestrine, le β-ciclodestrine e le β-ciclodestrine metilate non sono adatte alla somministrazione parenterale.
α-ciclodestrine Le caratteristiche principali sono le seguenti: risultano relativamente irritanti dopo iniezione intramuscolo; legano diversi lipidi; comportano irritazioni oculari; vengono assorbite dai ratti tra il 2 e il 3% dopo somministrazione orale; non vengono metabolizzate nel tratto intestinale superiore; sono attaccate dalla flora intestinale (cieco e colon).
L'escrezione dopo somministrazione orale nei ratti è avvenuta per il 60% sotto forma di CO2 (nessuna esalazione, dopo somministrazione orale nei ratti sani), per il 26-33% come metabolita nel sangue, e per il 7-14% come metabolita nelle feci e urine (escrete principalmente immodificate per via renale), dopo iniezioni intravenose con tempo di dimezzamento di 25 min nei topi.
LD50 orale nel ratto LD50 e.v. nel ratto tra
β-ciclodestrine Le caratteristiche principali sono le seguenti: risultano meno irritanti rispetto alle α-ciclodestrine dopo iniezione intramuscolo; legano il colesterolo; sono assorbite in quantità molto piccole nel tratto intestinale superiore, dopo somministrazione orale (1-2%); sono metabolizzate dai batteri nell'intestino cieco e nel colon. Attualmente sono le ciclodestrine più comuni nelle formulazioni farmaceutiche e quindi probabilmente quelle meglio studiate. Risultano essere quelle meno solubili, in quanto possiedono un numero dispari di unità. L'utilizzo ad alte dosi potrebbe essere dannoso e perciò non è consigliato; la fermentazione e la degradazione batterica nel colon possono portare alla produzione di gas e diarrea.