En esta Tesis exploramos las propiedades de entidades moleculares basadas en - ciclodextrinas y calix[4]arenos para formar sistemas autoensamblados y sus aplicaciones en la liberación dirigida de fármacos y material génico. Se han puesto a punto diferentes estrategias para dotar a los sistemas de propiedades de auto-organización en agua y para encapsular moléculas bioactivas (fármacos o genes), vectorizarlos hacia receptores celulares específicos y permitir la liberación gradual de la carga. Se han empleado métodos de funcionalización selectivos y eficientes para sintetizar macromoléculas bien definidas y llevar a cabo estudios de relación estructura-actividad. Se han llevado a cabo estudios fisicoquímicos, para establecer los mecanismos de acción de los sistemas estudiados, y ensayos biológicos con el objetivo de seleccionar los mejores candidatos para cada aplicación. El éxito en la administración de agentes terapéuticos se basa en el desarrollo de sistemas de liberación de principios activos capaces de mejorar la biodisponibilidad de fármacos insolubles o biodegradables y evitar efectos secundarios mediante transporte dirigido. Las ciclodextrinas (CDs) son oligosacáridos cíclicos que tienen la propiedad de complejar moléculas hidrofóbicas en la cavidad y solubilizarlas en medio acuoso, lo que ha sido extensamente empleado en la industria farmacéutica. El diseño basado en la formación de complejos de inclusión presenta dos limitaciones: sólo las moléculas adapatadas al tamaño de la cavidad pueden ser encapsuladas, y la estequiometría está limitada a una relación huésped-anfitrión 1:1. Además, las CDs nativas no son transportadores ideales ya que carecen de propiedades de vectorización hacia receptores biológicos. El desarollo de nanoestructuras funcionales con capacidad de autoensamblarse en condiciones diluídas en agua o medio acuoso tamponado representa una alternativa importante para la construcció de sistemas de liberación de fármacos más versátiles. La estrategia implica la creación de nuevas nanocavidades hidrofóbicas que tienen la posibilidad de encapsular una mayor cantidad de moléculas sin limitaciones de tamaño. Los derivados de calixa[4]arenos (CA4) y de -ciclodextrina (CD) son plataformas privilegiadas para esta finalidad debido a su capacidad de formar superestructuras huésped-anfitrión. Así mismo, tienen la posibilidad de ser funcionalizadas para promover su pre-organización controlada a través de interacciones no covalentes. Por ello, hemos desarrollado una síntesis muy eficiente para preparar heterodímeros anfifílicos neutros de CA4-CD que son capaces de auto-organizarse en agua para dar nanopartículas. Estas nanopartículas presentan un núcleo interno formado por unidades hidrofóbicas de CA4 y una capa externa constituida por unidades hidrofílicas de CDs. Los fragmentos de CA4 promueven el empaquetamiento compacto de cadenas grasas instaladas en la cara inferior del macrociclo en conformación de cono, proporcionando una matriz lipídica donde pueden ser encapsuladas las moléculas hidrofóbicas del fármaco. Por otra parte, las unidades de CD de la superficie de la nanopartícula permite la solubilización del sistema en agua así como la incorporación de ligandos mediante la formación de complejos de inclusión. La capacidad de estos sistemas para encapsular y dar lugar a una liberación controlada de diazepam y docetaxel, así como de ser post-modificados supramolecularmente con glicoligandos derivados de adamantano que reconocen al receptor de manosa de macrófagos humanos, ilustra el potencial que tienen estos nuevos sistemas en nanomedicina. Para optimizar las propiedades de bio-reconocimiento de los glicoligandos empleados en la liberación dirigida de fármacos, se ha llevado a cabo un estudio sobre las bases moleculares del efecto multivalente observado en las interacciones carbohidratolectinas. Para ello, se han preparado una serie de multigalactósidos con valencias entre una y siete, y con diferentes longitudes de espaciador. La afinidad de unión a lectinas de los multímeros, evaluada mediante ensayos ELLA (Enzyme-linked Lectin Assay) usando la lectina de cacahuete PNA (Peanut Agglutinin), fue dependiente de la longitud del espaciador. El efecto multivalente observado en los galactósidos con los espaciadores más largos fue explicado por su capacidad para entrecruzar la lectina PNA, determinado mediante experimentos ELLA tipo “sándwich” y ensayos de dispersión dinámica de la luz (DLS). EL mayor efecto multivalente mostrado por los galactósidos de espaciadores más cortos fue estudiado por microscopía de fuerza atómica (AFM), que demostró que el responsable de este comportamiento es un mecanismo de unión y captura de los ligandos en los sitios activos de la lectina. La terapia génica es una estrategia prometedora para el tratamiento de una amplia gama de enfermedades. El objetivo terapéutico es introducir ADN en una célula para expresar o suprimir la expresión de una proteína deseada. Sin embargo, el ADN libre tiene una baja permeabilidad de la membrana e inestabilidad metabólica, por lo que se requiere el desarrollo de vectores de genes capaces de compactar y proteger el material génico es imprescindible. A pesar de las propiedades superiores que presentan los sistemas transfección de vectores virales, los problemas de bioseguridad asociados han llevado al desarrollo de vectores no virales. La mayoría de los vectores sintéticos recogidos en la literatura se basan en sistemas poliméricos cuya naturaleza dispersa representa una desventaja importante para los estudios y aplicaciones fundamentales. Como alternativa, hemos desarrollado moléculas monodispersas capaces de autoensamblarse para complejar, condensar y proteger el ADN y la liberarlo en las células. Se han desarrollado métodos de funcionalización selectiva para preparar vectores sintéticos con anfifilicidad facial, que tienen dominios policatiónicos capaces de dar múltiples interacciones con los grupos fosfato de los nucleótidos y grupos funcionales hidrófobos que les proporcionan propiedades de autoensamblado para la condensación y la liberación controlada de material génico. Con estos fines hemos utilizado las plataformas de ciclodextrinas y de calix[4]arenos. Se ha diseñado una primera generación de sistemas de suministro de genes no virales auto-ensamblados mediante la instalación de un grupo xilileno en la cara secundaria de CDs policatiónicas. Los derivados CDs xililenadas son capaces de autoensamblarse en agua para producir dímeros donde las interacciones hidrofóbicas son las fuerzas impulsoras. Se han empleado técnicas de fluorescencia, mecánica molecular y dinámica molecular para estudiar la formación de complejos de metil 2- naftalencarboxilato (2MN), una sonda fluorescente, con ciclodextrinas neutras xililenadas que tienen también la capacidad de dimerizar. La influencia del motivo de xilileno se evaluó mediante la comparación de los datos de 2MN complejación por derivados xililenados con los obtenidos por sus homólogos no xililenados. Este estudio preliminar se llevó a cabo para entender mejor las bases moleculares de los procesos de formación de complejos de derivados de CD xililenadas con otros huéspedes, como fármacos o material génico, cuando están implicados procesos de asociación que compiten con los equilibrios de complejación. Cuando se incorporó el fragmento de xilileno en ciclodextrinas policatiónicas, el anillo aromático fue capaz de promover un proceso de dimerización supramolecular dependiente del pH, tal y como demostraron los experimentos de fluorescencia, RMN y dicroísmo circular. La capacidad de los dímeros de condensar ADN de manera reversible para formar nanocomplejos fue observada por microscopía de transmisión electrónica (TEM). Tal estrategia de preorganización facilita el auto-ensamblaje de los dímeros en presencia de ADN para formar complejos a un pH neutro. La acidificación desestabiliza los dímeros y, en consecuencia, el conjunto supramolecular de CD-ADN. El carácter dinámico y reversible de las interacciones en juego permite tanto la condensación como la liberación del material génico en la célula. La mayor mayor eficiencia de transfección en células COS-7 exhibida por los derivados xililenados en comparación con sus homólogos permetilados, sugieren que la liberación de ADN en el citoplasma podría ser favorecido por el aumento de la acidez en los endosomas. Una segunda estrategia para proporcionar ciclodextrinas con capacidad de autoensamblaje se basa en el diseño de sistemas ternarios consistentes en complejos de inclusion, con estequiometría 2:1, de derivados de bis-adamantano y de cisteaminil-CD. La alta afinidad del fragmento de adamantano por la cavidad de CD permite el anclaje supramolecular a dos unidades CD policatiónicas, con lo que no es necesaria la funcionalización de la cara secundaria de la CD con cadennas lipofílicas para promover la auto-asociación, lo que simplifica el número de etapas sintéticas. La termodinámica de los complejos se ha estudiado mediante RMN, valoración por calorimetría isotérmica (ITC) y cálculos computacionales. Los sistemas supramoleculares complejan el ADN del plásmido (pADN) para dar nanopartículas esféricas y homogéneas que protegen el ADN de la degradación por nucleasas. La transfección de células COS-7 y HepG2 confirmó la superioridad de los complejos ternarios respecto la CD policatiónica no anfifílica. Su capacidad de liberación de genes fue superior incluso que la del vector policatiónico polietilenimina (PEI), y los niveles de toxicidad fueron despreciables. Se preparó una tercera generación de vectores sintéticos auto-ensamblados mediante la instalación, sobre plataformas de CD y CA4, de dominios catiónicos y lipófilos separados Esto permitió el acceso a derivados anfifílicos policatiónicos capaces de auto-organizarse en presencia de ácidos nucleicos para dar nanocondensados en el que el material génico está completamente protegido del medio. Los grupos catiónicos interactúan con los nucleótidos mientras que las cadenas lipófilas ayudan a la compactación a través de interacciones hidrófobas. Imágenes de microscopía de transmisión electrónica (TEM) revelaron una estructura consistente con un ordenamiento en el que se alternan las cadenas de ADN y bicapas anfifílicas de CD o CA4. En ambas series se confirmó la capacidad para formar nanocomplejos mediante microscopía AFM. La aplicación de metodologías de funcionalización química selectiva permite conservar la homogeneidad a nivel molecular, lo que ofrece oportunidades sin precedentes para los estudios de relación estructura-actividad. La incorporación de motivos de arginina se ha encontrado particularmente beneficioso en la serie de calix[4]arenos, mientras que una combinación de grupos amina y tiourea fue la mejor combinación para derivados de CD. Los estudios de transfección in vitro en las líneas celulares de primate COS-7 y de rabdomiosarcoma humano, RD-4, permitió la identificación de candidateo óptimos para terapia génica. Por último, se ha diseñado una cuarta generación de vectores sintéticos basados en la estructura de surfactantes gemelos. Se han preparados dímeros policatiónicos anfifílicos de calix[4]areno covalentemente unidos por un espaciador. Se espera que estos compuestos presenten una mayor capacidad de transfección respecto a sus unidades de monómero correspondiente, como resultado de un efecto quelato y una disminución de la concentración bio-activa debido a una concentración crítica micelar más pequeña que los monómeros constituyentes. Las metodologías de funcionalización selectivas utilizadas en la preparación de estos nuevos dímeros pueden ser extendidas para preparar surfactantes gemelos con el fin de optimizar las propiedades de transfección de los derivados monoméricos. El objetivo central de esta Tesis es el diseño y preparación de macromoléculas basadas en ciclodextrinas y calixarenos, con estructuras homogéneas y bien definidas, capaces de auto-ensamblarse para generar nanosistemas que funcionen como transportadores de fármacos y ácidos nucleicos. En concreto, esta Tesis se ha centrado en el desarrollo de los siguientes objetivos: - Estudio de las propiedades de dimerización y complejación de derivados de ciclodextrinas funcionalizados en su cara secundaria con sustituyentes aromáticos y su potencial en el diseño de vectores de genes sensibles a pH. - Evaluación de la estrategia de preorganización supramolecular de ciclodextrinas policatiónicas para la complejación de ácidos nucleicos. - Estudio comparativo de las propiedades como transportadores de genes de ciclodextrinas y calixarenos policatiónicos anfifílicos. - Síntesis de calixarenos policatiónicos anfifílicos tipo gemini. - Preparación de nanoesferas y nanocápsulas autoensambladas a partir de heterodímeros ciclodextrina─calixareno monodispersos. Análisis de la estrategia de postfuncionalización supramolecular para la incorporación de ligandos biorreconocibles y evaluación de su capacidad como transportadores de fármacos. - Estudios de interacción multivalente carbohidrato-lectina.