Разделение рацематов: проблема безопасности лекарств решена. Дважды!

Дешевое и надежное разделение и производство рацемических смесей на заданные энантиомеры – без преувеличения мечта фармпроизводителей, стремящихся повысить безопасность и эффективность своих продуктов. Однако, как и в случае с другими премиями, в частности, по литературе или премии мира, справедливость решения комитета можно оспаривать: похоже, что это не однозначно наиболее перспективный современный метод разделения рацематов. Так, еще в прошлом году гонконгские физики разработали особое наноустройство, способное управлять хиральностью лекарственных молекул, тем самым устраняя их потенциальные побочные эффекты, которые могут возникнуть, когда люди принимают лекарства, содержащие «неправильные изомеры». Впрочем, об этом ниже, ведь победителей не судят!

Способы разделения рацематов: 20 лет между идеей и воплощением

Катализаторы в фармпромышленности незаменимы: они помогают управлять при разработке лекарств сложными каскадами химических реакций, разрушая или соединяя молекулы. Всего пару десятилетий назад ученым были известны только два типа катализаторов: металлы и ферменты. Металлические катализаторы более доступны, но легко разрушаются влагой. Ферменты, которые лучше себя проявили в асимметричном катализе, тоже весьма нестабильны и к тому же неэкологичны.

Поэтому еще в 1990-х годах два исследователя независимо друг от друга загорелись одной и той же идеей – найти более простой способ производства молекул. Свои эксперименты ученые проводили автономно, но их успехи на одном поприще практически синхронизировались. Их работа привела к открытию третьего катализатора, основанного на малых органических молекулах, и, собственно, самого метода асимметричного органокатализа, обещающего быть более быстрым, более эффективным и «экологически чистым».

Так пара лауреатов – директор Института Макса Планка по исследованию угля Дэвид Макмиллан и профессор Принстонского университета Бенджамин Лист получили Нобелевскую премию спустя два десятилетия после открытия нового способа построения молекул. Приз в размере 10 миллионов шведских крон (около 1,35 миллиона долларов США) они разделят на двоих.

Доктор Вай Чен, президент Американского химического общества, заявил, что открытие Макмиллана и Листа равно «волшебной палочке» для химиков. Считается, что оно поможет легко и просто решить проблему контроля хиральности молекул – разделения рацематов, десятилетиями досаждавшую разработчикам лекарств, врачам и пациентам.

Рацематы, энантиомеры и проблема синтеза фармацевтических субстанций

Химические соединения (молекулы) имеют две пространственные конфигурации или хиральные версии, которые являются зеркальным отображением друг друга, по сути, антиподами. Так, при одной и той же молекулярной формуле, соединение может существовать в двух стереоверсиях, отличающихся между собой расположением составляющих их атомов в пространстве. Эти две зеркальные версии молекул, которые характеризуются левосторонними и правосторонними конфигурациями, можно сравнить с руками человека.

Обязательное условие оптической активности молекулы – наличие в ее структуре асимметричного (хирального) центра. Его роль чаще всего выполняет атом углерода, реже – азота или серы.

С обозначениями пространственных антиподов химики немного перемудрили. Согласно одной, более «продвинутой» номенклатуре изомеры (энантиомеры) обозначаются буквами

• R (rectus – «правильный»/«правый», вращающийся по часовой стрелке),
• S (sinister – «превратный»/«левый», вращающийся против часовой стрелки).

К счастью, для обозначения оптических изомеров аминокислот все еще используют более привычные и понятные D/L:

• правовращающий D (dextro – «правый»)
• левовращающий L (на латыни laevo – «левый»).

Впрочем, настоящая проблема не в выборе букв или символов, а в том, что молекулы с «левой» и «правой» хиральностью могут проявлять совершенно разные биохимические эффекты. На самом деле, изменение пространственного расположения одних и тех же групп атомов в молекуле биологически активного вещества может иметь столь же разрушительные последствия, как и изменение химической природы этой молекулы.

Таким образом, химические свойства энантиомеров идентичны, но их биологическая активность в значительной степени варьирует – по способу транспортирования, скорости метаболизма, распределению в тканях и выведению из организма. Поэтому нередко одна изоформа способна решить определенные проблемы без «побочек», а вторая – дополнительно запустить нежелательные эффекты. Это можно проиллюстрировать на множественных примерах и рацематов, и «очищенных» энантиомеров.

Примеры рацематов и хирально «чистых» молекул

Пожалуй, «самый классический» пример токсичности рацемата – это громкая история с талидомидом. Увы, далеко не сразу после выхода этого препарата на рынок в 1957 году выяснилось, что он оказывает тератогенный эффект – за долгие годы беспечного использования этого средства «от токсикоза» родилось почти 12 тысяч детей с врожденными пороками. И еще позже удалось установить причину токсичности талидомида – только в 1980-х выяснилось, что с тератогенным эффектом была связана только D-форма лекарственной молекулы, тогда как сам препарат выпускался в виде рацемата.

Еще один пример рацемата: бета-адреноблокатор анаприлин. Его L-энантиомер с терапевтической точки зрения в сто раз мощнее по сравнению с правым. А вот у блокатора кальциевых каналов верапамила оба энантиомера с фармакотерапевтической точки зрения эквивалентны, но его правосторонняя форма не так резко снижает ЧСС и артериальное давление. Еще один блокатор кальциевых каналов – амлодипин – более эффективен в левовращающейся версии, хотя и производится как рацемат. А вот потенциально опасные антибактериальные препараты левомицетин и левофлоксацин сегодня выпускаются только в виде L-энантиомеров.

А вот в природе все однородно. Например, в состав пептидов и белков, входят только левовращающие аминокислоты (L-форма), а сложные углеводы и нуклеозиды (мономеры ДНК и РНК) включают лишь правовращающие сахара (D-изомеры). Другими словами, природные соединения «хирально чисты», и именно такая чистота лежит в основе всех естественных биохимических процессов, где требуется узнавание одних молекул другими: синтеза ДНК, ферментативного расщепления, иммунных реакций и т.д. Отсюда можно сделать вывод: если природе свойственна избирательность в отношении стереоизомерии, значит, и лекарства на основе органических молекул, тоже должны быть «хирально чистыми». Таким образом, задача фармакохимиков – синтезировать только одну зеркальную версию вещества, лишь один «правильный» энантиомер. И для этого нужен идеальный контроль хиральности молекул, который на порядки повысил бы безопасность лекарств.

Современные методы разделения рацематов

Идеальная селекция энантиомеров долгое время была для фармтехнологов – да и не только для них – чем-то наподобие священного Грааля.

Изучением оптической асимметрии молекул занимался еще Луи Пастер – и именно он показал, что различия в оптической активности кристаллов винной кислоты определяются присутствием двух асимметричных форм.

Однако даже сегодня более половины фармпрепаратов состоят из равных количеств левосторонних и правосторонних изомеров, то есть представляют собой ту самую нежеланную рацемическую смесь.

Для производства одноэнантиомерных лекарств химики в большинстве случаев используют белковые молекулы, называемые хиральными лигандами, помогающие контролировать стереооднородность лекарственных соединений в лаборатории или в производстве. Этот процесс называется асимметричным синтезом, или асимметричным катализом. Асимметричный катализ – не единственный, но самый распространенный способ получить молекулы с заданной пространственной структурой. И, наконец, его усовершенствовали.

Отсев энантиомеров: аминокислоты вместо ферментов

Как правило, молекулы имеют чрезвычайно малый размер, поэтому чрезвычайно сложно выборочно производить только одну из двух ее стереоверсий с использованием «макромасштабного» контроля молекулярной хиральности – то есть масштабной шкалы, которую можно увидеть невооруженным глазом и которой можно управлять вручную.

Существующие на сегодня технологии производства одноэнантиомерных лекарств при помощи асимметричного катализа требуют проведения сложных процедур, подчастую дорогостоящих и небезопасных экологически. Здесь нельзя обойтись без использования ферментов (т.н. хиральных лигандов) в традиционном методе асимметричного синтеза, а это сопряжено с затратами и загрязнением окружающей среды.

Ферменты, задействованные в асимметричном катализе при производстве лекарственных соединений, лучше справляются с задачей разделения энантиомеров, чем металлы, и почти всегда образуют только заданную стереоверсию нужной молекулы. Но работают они медленно, а стоят дорого.

При этом для конструирования молекул технологам не нужен весь фермент (а мы помним, что это белки, то есть ряд аминокислотных последовательностей) целиком: за необходимые для синтеза функции отвечает только определенная последовательность аминокислот или даже одна-единственная аминокислота.

Так что Лист, изначально совершенствующий метод асимметричного катализа металлами, начал работать в другом направлении. И он преуспел в экспериментах с пролином (примечательно, что эта аминокислота уже использовалась в качестве катализатора в начале 1970-х годов).

Макмиллан опубликовал свою работу незадолго до Листа, в 2000 году, использовав в ней авторский термин «органокатализ».

Органокатализ, использующий вместо ферментов молекулы меньшего размера, оказался не только в 7 000 раз более быстрым, чем асимметричный синтез, но и более устойчивым и чистым с экологической точки зрения.

Впрочем, работа нобелевских лауреатов – не единственный подход, позволяющий решить проблему разделения рацематов. Есть также другой, не предусматривающий образования рацемической смеси априори.

Разделение рацемических смесей: изящный метод физиков

На самом деле, новый метод, позволяющий производить чистые фармпрепараты, лишенные побочных эффектов, предложили еще в прошлом году физики из Гонконгского баптистского университета (HKBU).

Согласно прошлогодней публикации в международном научном журнале Nature Chemistry инновация специалистов HKBU

• поможет избавиться от неблагоприятных, иногда фатальных, побочных эффектов многих фармпрепаратов,
• откроет путь к массовому производству доступных фармпрепаратов, которые производятся масштабируемым образом из материалов, пригодных для вторичной переработки.

Для управлению молекулярной хиральностью посредством макроуровневого контроля исследовательская группа из HKBU предложила абсолютно новый подход – он опосредуется манипуляциями с металлическими наноспиралями и солнечным светом.

Устройство в форме спиральной пружины, сконструированное этой командой, имеет размер в одну тысячную диаметра человеческого волоса. Как и все гениальное, оно работает просто: при химической реакции, индуцированной ультрафиолетом, направление вращения наноспирали определяет хиральность молекулы. Таким образом, можно синтезировать заданные энантиомеры без необходимости дальнейшего «копания» в рацемической смеси.

Новый подход в манипулировании молекулярной хиральностью с помощью макроскопической инженерии не только позволяет более удобно синтезировать заданные энантиомеры – молекулы только с лево- или правосторонностью. Благодаря его применению также снижается экологическая нагрузка: в отличие от ферментов-лигандов, металлические наноспирали можно использовать для получения одноэнантиомерных молекул повторно.