Técnicas de Caracterización Dispersión de rayos X en ángulo pequeño para aplicaciones farmacéuticas

Gerd Langenbucher

El autor describe el desarrollo de la dispersión de rayos X en ángulo pequeño y analiza sus ventajas en la caracterización de sistemas de entrega de fármacos y moléculas grandes.

La dispersión de rayos X en ángulo pequeño (SAXS) ofrece varias maneras de caracterizar los sistemas de entrega de fármacos y las moléculas grandes. La comprensión de la estructura de los sistemas de entrega de fármacos y de moléculas grandes en un nivel molecular es un paso crucial en el diseño de fármacos y así mismo en los sistemas de entrega de fármacos.
La técnica SAXS puede proveer un conocimiento profundo de las estructuras en el rango de 1-100 nm. El SAXS requiere poca o ninguna preparación de la muestra y le permite a los científicos correr experimentos en o cerca de condiciones in vivo.

Perspectiva histórica
Röntgen descubrió los rayos X en 1895. En 1912, Laue descubrió la difracción de rayos X mediante cristales (1). El trabajo de Guinier a finales de 1939 llevó a los principales fundamentos del SAXS (2). En los 40’s y los 50’s, Otto Kratky investigó la difracción de rayos X en ángulos pequeños como una técnica para el análisis estructural de macromoléculas. Él desarrolló el método SAXS como una poderosa herramienta para la investigación estructural, particularmente en el campo de los polímeros y la biología molecular (3). Considerado uno de los padres del SAXS, Kratky fundó el Instituto para Física Química en Graz, Austria, el cual se volvió un primer centro para esta técnica. El instituto llevó a muchos avances en el SAXS tales como el primer instrumento comercial para el SAXS.
Los primeros experimentos del SAXS tuvieron lugar en los laboratorios. En los 70’s, la disponibilidad de sincrotones y la radiación sincrotónica de alta intensidad ayudaron a llevar la técnica a la prominencia. En los años recientes, los avances técnicos de los instrumentos SAXS para laboratorio los hacen nuevamente atractivos.

Principios del SAXS
El SAXS es una forma de difracción de los rayos X que se enfoca en pequeños ángulos de dispersión. Las intensidades de dispersión en ángulos grandes (es decir, dispersión de rayos X en ángulo amplio) contienen información acerca de objetos pequeños tales como partículas, macromoléculas y micelas. La Figura 1 muestra esta relación inversa. Este artículo utilizará los términos “partículas,” “macromoléculas” y “micelas” de forma intercambiable.


Figura 1: La interferencia positiva de dos ondas esféricas de un par de electrones puede verse (izquierda) en ángulos más grandes si los electrones están cercanos unos de otros (p.ej., en una estructura cristalina) y (derecha) en ángulos más pequeños si la distancia es mayor (p.ej., en una macromolécula)

Aunque su nombre contiene la palabra “ángulo”, el vector de dispersión q es común para el SAXS. También conocido como momentum de transferencia, q refleja el proceso en el cual los fotones de los rayos X transfieren energía a los electrones con los cuales interactúan. La siguiente ecuación describe la relación de la longitud del vector de dispersión q y el ángulo de dispersión 2θ comúnmente utilizado en otros métodos de difracción de rayos X (4):

La intensidad medida I como una función del vector de dispersión q está dada en la siguiente ecuación:

La función de la distribución de la distancia par p(r) en la Ecuación 2 es la representación geométrica del objeto en el haz. La función p(r) mapea las distancias de todos los pares de electrones dentro de la partícula. La intensidad de dispersión I y la representación geométrica p(r) están relacionadas por la transformada de Fourier.
Sin embargo, la representación de un objeto tridimensional (3D) con una función de distribución unidimensional necesariamente omite algo de información. Convirtiendo p(r) en un objeto tridimensional se vuelve difícil y requiere restricciones adicionales por parte del científico tales como conexión y compactación.

Conceptos técnicos
Los principales retos técnicos del SAXS son separar el fuerte haz primario de rayos X de la débil información de dispersión cercana al haz primario de rayos X e incrementar la intensidad de los rayos X dispersos.
Los científicos han usado diferentes conceptos para lograr estos objetivos. Sin embargo, todos los instrumentos SAXS poseen una fuente de rayos X, una óptica concentradora con un sistema de colimación, un soporte para la muestra, un paro del haz y un detector (Figura 2).

Fuentes de rayos X
A la fecha, los ánodos de cobre, que producen radiación Cu-Kα, han sido el mejor compromiso entre la sensibilidad y la absorción. Las siguientes tres tecnologías están actualmente en uso:

• Fuentes de tubo sellado
• Fuentes de ánodo rotatorio
• Fuentes de microfoco

En las fuentes de tubo sellado, los electrones son acelerados hacia un ánodo fijo. Parte de la energía se emite como rayos X, pero la mayoría se convierte en calor. En las fuentes de tubo sellado, el ánodo está fijo, de manera que puede disiparse una cantidad limitada de energía antes de que se funda el cobre. Las fuentes de ánodo rotatorio exceden este límite y evitan el sobrecalentamiento local (5).
Los científicos consideran típicamente los costos de operación, el consumo de energía y la flexibilidad cuando seleccionan una fuente de rayos X. También deben determinar si la fuente coincidirá con otros componentes del sistema SAXS.