11. října 2021 Lucie Růžičková

Chirální spektroskopie

Otevřená věda je projekt Akademie věd ČR, jenž středoškolákům umožňuje absolvovat roční odbornou stáž pod vedením vědce z libovolného výzkumného ústavu AV po celé České republice. V minulém roce jsem se v rámci tohoto programu zapojila do projektu „Chirální spektroskopie jako účinný nástroj pro analýzu léčiv“ pod vedením Ing. Jakuba Kaminského Ph.D. z Ústavu organické chemie a biochemie (ÚOCHB). Ambiciózní projekt probíhající ve spolupráci s Vysokou školou chemicko-technologickou, Fyzikálním ústavem Akademie věd, výzkumným centrem The Parc a farmaceutickou firmou Zentiva si klade za cíl vyvinout a zdokonalit nové postupy analýzy pevných látek (zejména léčiv) pomocí chiroptických spektroskopických metod, zejména pak vibračního cirkulárního dichroismu (VCD). Pevnofázovému VCD jsem se začala věnovat v rámci stáže v roce 2020 a na vývoji metody pro charakterizaci léčiv spolupracuji dodnes. Více informací o projektu a výzkumu chiroptické spektroskopie na ÚOCHB naleznete například na http://www.knowtheworld.org/people/kaminsky/

Proč zkoumáme pevnofázové struktury léků pomocí chiroptické spektroskopie?

V současnosti je většina léků na trhu vyráběna v pevnofázové podobě (ať už krystalické či amorfní). Farmaceutické a biotechnologické firmy podrobují své produkty detailní analýze, aby byla zajištěna stálá kvalita daného léku, včetně jeho formy. Pevnofázová forma (tedy uspořádání jednotlivých atomů v tuhém stavu) přímo ovlivňuje farmakokinetické a farmakodynamické vlastnosti léčiv. Dosud nejpoužívanější strukturní pevnofázové techniky, jako rentgenová krystalografie a nukleární magnetická rezonance, jsou relativně nákladné a časově náročné. Nestrukturní techniky (kalorimetrie, gravimetrická analýza aj.) naopak nepodají přímou informaci o konkrétní struktuře vzorku. V projektu jsme vyvíjeli a optimalizovali analýzu pevných vzorků pomocí chiroptické spektroskopie, která má potenciál vyřešit oba zmíněné problémy. V mém případě se jednalo hlavně o metodu VCD, která má potenciál být nejen levnější, ale také rychlejší a uživatelsky přívětivější analytickou metodou poskytující detailní informace o struktuře pevnofázového vzorku.

Jak výzkum provádíme?

Většina léčiv jsou chirální látky, což znamená, že mohou stáčet rovinu lineárně polarizovaného světla, a to buď doleva či doprava v závislosti na jejich prostorovém uspořádání. VCD ovšem využívá tzv. cirkulární polarizace infračerveného světla, jehož absorpci detekuje. Cirkulárně polarizované světlo si lze představit jako levo- či pravotočivou šroubovici, která interaguje se vzorkem, a ten část světla absorbuje. Analýzou prošlého záření pak dostaneme spektrum specifické pro danou látku a prostorovou strukturu. VCD umožňuje nejen rozlišit zrcadlové formy té samé látky (například L- a D- formu aminokyseliny či sacharidu, tzv. enantiomery), ale také konkrétní uspořádání krystalové mřížky. Vzorky (např. léčiva), která obsahují tu samou aktivní látku, ale mají jiné uspořádání krystalové mřížky, se nazývají polymorfy a mohou mít jiné farmakokinetické vlastnosti, například rozpustnost, což ovlivňuje jejich biodostupnost a účinnost v organismu.

Ve spolupráci s Ing. Adamem Sklenářem (VŠCHT) jsem se podílela na optimalizaci experimentálního postupu měření pevnofázových VCD spekter na modelových aminokyselinách, hydroxykyselinách (jejich enantiomerech, polymorfech a tzv. kokrystalech). Jednoduchý experimentální protokol byl pak úspěšně použit k rozlišení třech polymorfů antivirotika sofobuviru. Současně jsme pomocí námi vyvinutých počítačových simulací potvrdili spolehlivost experimentálního postupu, a čistě na základě srovnání výpočtů s experimentem jsme byli schopni určit neznámou krystalovou formu kyseliny L-jablečné.

Co výzkumem sledujeme a jaké jsou plány do budoucna

Na základě našich výsledků jsme ukázali, že pevnofázová VCD je ideální metodou nejen k rozlišení enantiomerů přírodních látek (a tudíž ke kvalitativní analýze např. v procesu jejich výroby), ale také k rozlišení různých pevných forem léčiv. Námi vyvinutý experimentální protokol VCD spektroskopie představuje velmi citlivou, účinnou a zároveň levnou, a za určitých podmínek rychlou metodu analýzy látek v pevné fázi. Metoda pevnofázového VCD má obrovský potenciál rozšířit portfolio analytických metod zejména menších farmaceutických firem, pro něž představuje například rentgenová krystalografie výraznou investici. Ačkoliv námi vyvinuté teoretické výpočty stále vykazují určitou míru nepřesnosti, ukazuje se, že mohou být účinným nástrojem při identifikaci složitějších chirálních struktur, např. kokrystalů, konglomerátů či kryptoracemátů, jež nacházejí čím dál větší uplatnění v současném farmaceutickém průmyslu. Věříme, že kombinovaným přístupem experimentální metody a ab initio výpočtů posuneme vývoj a aplikovatelnost pevnofázového VCD do farmaceutické praxe.

Zpět na hlavní stránku

Probíhá ověření zadaných údajů. Nezavírejte, prosím okno prohlížeče a vyčkejte na dokončení.