Поділ рацематів: проблему безпеки ліків вирішено. Двічі!

Дешеві та надійні поділ і виробництво рацемічних сумішей на задані енантіомери – без перебільшення мрія фармвиробників, які прагнуть підвищити безпечність і ефективність своїх продуктів. Однак, як і у випадку з іншими преміями, зокрема, з літератури чи премії миру, справедливість рішення комітету можна оскаржувати: схоже, що це не однозначно найперспективніший сучасний метод поділу рацематів. Так, іще минулого року гонконгські фізики розробили особливий нанопристрій, здатний управляти хіральністю лікарських молекул, тим самим усуваючи їхні потенційні побічні ефекти, які можуть виникнути, коли люди вживають ліки, що містять «неправильні ізомери». Втім, про це нижче, адже переможців не судять!

Способи поділу рацематів: 20 років між ідеєю і втіленням

Каталізатори у фармпромисловості незамінні: вони допомагають під час розробки ліків керувати складними каскадами хімічних реакцій, руйнуючи або поєднуючи молекули. Всього кілька десятиліть тому вчені знали лише про два типи каталізаторів: метали і ферменти. Металеві каталізатори доступніші, але легко руйнуються вологою. Ферменти, які краще себе проявили в асиметричному каталізі, теж вельми нестабільні й до того ж неекологічні.

Тому ще в 1990-х роках два дослідники незалежно один від одного загорілися однією й тією самою ідеєю – знайти простіший спосіб виробництва молекул. Свої експерименти вчені проводили автономно, але їхні успіхи на одному терені практично синхронізувалися. Їхня робота сприяла відкриттю третього каталізатора, заснованого на малих органічних молекулах, і, власне, самого методу асиметричного органокаталізу, який обіцяє бути швидшим, ефективнішим і «екологічно чистим».

Так, пара лауреатів – директор Інституту Макса Планка з дослідження вугілля Девід Макміллан і професор Прінстонського університету Бенджамін Ліст отримали Нобелівську премію через два десятиліття після відкриття нового способу побудови молекул. Приз у розмірі 10 мільйонів шведських крон (близько 1,35 мільйона доларів США) вони розділять на двох.

Доктор Вай Чен, президент Американського хімічного товариства, заявив, що відкриття Макміллана і Ліста – все одно що «чарівна паличка» для хіміків. Вважають, що воно допоможе легко і просто вирішити проблему контролю хіральності молекул – поділу рацематів, що десятиліттями докучає розробникам ліків, лікарям і пацієнтам.

Рацемати, енантіомери і проблема синтезу фармацевтичних субстанцій

Хімічні сполуки (молекули) мають дві просторові конфігурації, або хіральні версії, які є дзеркальним відображенням одна одної, по суті, антиподами. Так, за однієї й тієї самої молекулярної формули сполука може існувати у двох стереоверсіях, що відрізняються між собою розташуванням атомів, які входять до їхнього складу, у просторі. Ці дві дзеркальні версії молекул, які характеризуються лівобічними і правобічними конфігураціями, можна порівняти з руками людини.

Обовʼязкова умова оптичної активності молекули – наявність у її структурі асиметричного (хірального) центру. Його роль найчастіше виконує атом вуглецю, рідше – азоту або сірки.

З позначеннями просторових антиподів хіміки трохи перемудрили. Згідно з однією, більш «просунутою» номенклатурою ізомери (енантіомери) позначають літерами

• R (rectus – «правильний»/«правий», що обертається за годинниковою стрілкою),
• S (sinister – «непостійний»/«лівий», що обертається проти годинникової стрілки).

На щастя, для позначення оптичних ізомерів амінокислот усе ще користуються більш звичними та зрозумілими D/L:

• правообертальні D (dextro – «правий»),
• лівообертальний L (з лат. laevo – «лівий»).

Втім, справжня проблема полягає не у виборі літер чи символом, а в тому, що молекули з «лівою» і «правою» хіральністю можуть проявляти абсолютно різні біохімічні ефекти. Насправді, зміна просторового розташування одних і тих самих груп атомів у молекулі біологічно активної речовини може мати настільки ж руйнівні наслідки, як і зміна хімічної природи цієї молекули.

Таким чином, хімічні властивості енантіомерів ідентичні, але їхня біологічна активність значною мірою варіює – за способом транспортування, швидкістю метаболізму, розподілом у тканинах і виведенням з організму. Тому нерідко одна ізоформа здатна вирішити певні проблеми без «побочок», а друга – додатково запустити небажані ефекти. Це можна проілюструвати на численних прикладах і рацематів, і «очищених» енантіомерів.

Приклади рацематів і хірально «чистих» молекул

Мабуть, «найбільш класичний» приклад токсичності рацемату – це гучна історія з талідомідом. На жаль, не одразу після виходу цього препарату на ринок в 1957 році зʼясувалося, що він справляє тератогенний ефект – за довгі роки безтурботного використання цього засобу «від токсикозу» народилося майже 12 тисяч дітей із вродженими вадами. І ще пізніше вдалося встановити причину токсичності талідоміду – тільки в 1980-х зʼясувалося, що із тератогенним ефектом була повʼязана тільки D-форма лікарської молекули, тоді як сам препарат випускали у вигляді рацемату.

Ще один приклад рацемату: бета-адреноблокатор анаприлін. Його L-енантіомер з терапевтичної точки зору у сто разів потужніший порівняно з правим. А ось у блокатора кальцієвих каналів верапамілу обидва енантіомери з фармакотерапевтичної точки зору еквівалентні, але його правобічна форма не так різко зменшує частоту серцевих скорочень і артеріальний тиск. Ще один блокатор кальцієвих каналів – амлодипін – ефективніший у лівообертальній версії, хоча і виробляється як рацемат. А потенційно небезпечні антибактеріальні препарати левоміцетин і левофлоксацин сьогодні випускають тільки у вигляді L-енантіомерів.

А ось у природі все однорідне. Наприклад, до складу пептидів і білків входять тільки лівообертальні амінокислоти (L-форма), а складні вуглеводи і нуклеозиди (мономери ДНК і РНК) включають лише правообертальні цукри (D-ізомери). Інакше кажучи, природні сполуки «хірально чисті», і саме така чистота лежить в основі всіх природних біохімічних процесів, де потрібне впізнавання одних молекул іншими: синтезу ДНК, ферментативного розщеплення, імунних реакцій та ін. Отже, можна зробити висновок: якщо природі властива вибірковість щодо стереоізомерії, то і ліки на основі органічних молекул теж повинні бути «хірально чистими». Таким чином, завдання фармакохіміків – синтезувати тільки одну дзеркальну версію речовини, лише один «правильний» енантіомер. І для цього потрібен ідеальний контроль хіральності молекул, який у багато разів підвищив би безпечність ліків.

Сучасні методи поділу рацематів

Ідеальна селекція енантіомерів довгий час була для фармтехнологів – та й не лише для них – чимось на взірець священного Грааля.

Вивченням оптичної асиметрії молекул займався ще Луї Пастер – і саме він показав, що відмінності в оптичній активності кристалів винної кислоти визначаються наявністю двох асиметричних форм.

Однак навіть сьогодні більше половини фармпрепаратів складається з рівних кількостей ліво- і правобічних ізомерів, тобто являють собою ту саму небажану рацемічну суміш.

Для виробництва одноенантіомерних ліків хіміки в більшості випадків використовують білкові молекули, які називають хіральними лігандами і які допомагають контролювати стереооднорідність лікарських сполук у лабораторії або виробництві. Цей процес має назву асиметричного синтезу, або асиметричного каталізу. Асиметричний каталіз – не єдиний, але найпоширеніший спосіб отримати молекули із заданою просторовою структурою. І нарешті його вдосконалили.

Відсів енантіомерів: амінокислоти замість ферментів

Як правило, молекули мають надзвичайно малий розмір, тому дуже складно вибірково виробляти тільки одну із двох їхніх стереоверсій з використанням «макромасштабного» контролю молекулярної хіральності – тобто масштабної шкали, яку можна побачити неозброєним оком і якою можна керувати вручну.

Наявні на сьогодні технології виробництва одноенантіомерних ліків за допомогою асиметричного каталізу потребують проведення складних процедур, зазвичай дороговартісних і небезпечних екологічно. Тут не можна обійтися без використання ферментів (так званих хіральних лігандів) у традиційному методі асиметричного синтезу, а це повʼязано з витратами і забрудненням навколишнього середовища.

Ферменти, залучені в асиметричний каталіз під час виробництва лікарських сполук, краще справляються із завданням поділу енантіомерів, ніж метали, і майже завжди утворюють тільки задану стереоверсію потрібної молекули. Але працюють вони повільно, а коштують дорого.

При цьому для конструювання молекул технологам не потрібен весь фермент (а ми памʼятаємо, що це білки, тобто ряд амінокислотних послідовностей) цілком: за необхідні для синтезу функції відповідає тільки певна послідовність амінокислот або навіть одна-єдина амінокислота.

Тож Ліст, від початку удосконалюючи метод асиметричного каталізу металами, почав працювати в іншому напрямку. І він досяг успіху в експериментах з проліном (показово, що цю амінокислоту вже використовували як каталізатор на початку 1970-х років).

Макміллан опублікував свою роботу незадовго до Ліста, у 2000 році, використавши в ній авторський термін «органокаталіз».

Органокаталіз, що використовує замість ферментів молекули меншого розміру, виявився не тільки у 7000 разів швидшим, ніж асиметричний синтез, а й стійкішим і чистішим з екологічної точки зору.

Втім, робота нобелівських лауреатів – не єдиний підхід, що дає змогу вирішити проблему поділу рацематів. Є й інший, який не передбачає утворення рацемічної суміші апріорі.

Поділ рацемічних сумішей: витончений метод фізиків

Насправді, новий метод, що дає змогу виробляти чисті фармпрепарати, позбавлені побічних ефектів, запропонували ще в минулому році фізики з Гонконгського баптистського університету (HKBU).

Згідно з торішньою публікацією в міжнародному науковому журналі Nature Chemistry інновація фахівців HKBU

• допоможе позбутися несприятливих, іноді фатальних, побічних ефектів багатьох фармпрепаратів,
• відкриє шлях до масового виробництва доступних фармпрепаратів, які виробляються масштабувальним способом із матеріалів, придатних для вторинної переробки.

Для управління молекулярною хіральністю за допомогою макрорівневого контролю дослідницька група з HKBU запропонувала абсолютно новий підхід – він опосередковується маніпуляціями з металевими наноспіралями і сонячним світлом.

Пристрій у формі спіральної пружини, сконструйований цією командою, має розмір однієї тисячної діаметра людської волосини. Як і все геніальне, він працює просто: у разі хімічної реакції, індукованої ультрафіолетом, напрямок обертання наноспіралі визначає хіральність молекули. Таким чином, можна синтезувати задані енантіомери без подальшого «копирсання» в рацемічній суміші.

Новий підхід у маніпулюванні молекулярною хіральністю за допомогою макроскопічної інженерії не лише сприяє зручнішому синтезуванню заданих енантіомерів – молекули тільки з ліво- або правобічністю. Завдяки його використанню також знижується екологічне навантаження: на відміну від ферментів-лігандів, стійкі металеві наноспіралі можна застосовувати для отримання одноенантіомерних молекул повторно.