Verbeterde bepaling van structuur van complexe moleculen in medicatie
Spectroscopie gebaseerd op ‘vibrationeel circulair dichroisme’ (VCD) maakt de praktische structuurbepaling van chirale moleculen in geneesmiddelen een stuk eenvoudiger.
Onderzoekers van de UvA wisten de VCD-techniek zodanig te verbeteren dat een enkele meting volstaat om de absolute configuratie te bepalen van meervoudig chirale moleculen, die vaak als werkzame stof voorkomen in geneesmiddelen. Een VCD meting biedt ook zicht op het niveau van verontreinigingen. Dat maakt de methode geschikt voor kwaliteitscontrole bij farmaceutische productie.
In een recente publicatie in het wetenschappelijke toptijdschrift Analytica Chimica Acta rapporteren hoogleraar Moleculaire Fotonica Wybren Jan Buma en collega’s samen met vier 2e-jaars studenten scheikunde een waar huzarenstukje. Ze presenteren de analyseresultaten van dydrogesteron, een veelgebruikt hormonaal medicijn bij menstruatieklachten, overgangsklachten en verminderde vruchtbaarheid.
Dydrogesteron
Dydrogesteron is één van de 64 ruimtelijke verschijningsvormen van een complex molecuul met zes zogenaamde chirale centra. Dit wil zeggen dat bij zes van de 21 koolstofatomen een andere rangschikking van de buuratomen een andere vorm van het molecuul tot gevolg heeft. De natuurlijke variant van het molecuul is het geslachtshormoon progesteron, dat door vrouwen in bepaalde fasen van de menstruatiecyclus en tijdens zwangerschap wordt aangemaakt. Dydrogesteron is de synthetische, farmacologische variant, die iets stijver en meer gebogen is en daardoor een meer specifieke interactie met de progesteronreceptor vertoont. Een andere variant is 6-dehydroprogesteron, een bekend bijproduct van de dydrogesteron-synthese met een sterk verminderde biologische activiteit.
Genetisch algoritme
Hoe biologisch verschillend ze ook zijn, in analytisch chemisch opzicht zijn al die varianten nauwelijks van elkaar te onderscheiden. Ze vertonen echter wel verschillende interacties met licht – men spreekt ook wel van optische isomeren. Door het gebruik van circulair gepolariseerd licht heeft vibrationeel circulair dichroisme (VCD) in principe het vermogen om onderscheid te maken tussen al die verschillende ruimtelijk varianten. “Maar”, zo zegt Buma, “bij complexe moleculen was de analyse van experimentele VCD spectra altijd erg lastig. Dat hebben wij nu sterk weten te verbeteren”.
Computermodellering
Buma’s promovendus Mark Koenis legt uit dat een experimenteel VCD-spectrum in feite een optelsom is van de spectrale bijdragen van alle moleculaire varianten die in het sample aanwezig zijn. “Om dat uiteen te rafelen roepen we de hulp in van computermodellering. We berekenen alle individuele spectra en analyseren vervolgens hoeveel elke individuele ruimtelijke variant bijdraagt aan het experimentele resultaat. Tot voor kort lukte dat alleen bij relatief eenvoudige moleculen met niet meer dan één à twee chirale centra.”
“Wij hebben dat nu naar een hoger niveau weten te tillen. We hanteren een nieuwe methode om de berekende signalen te vergelijken met de experimentele spectra, en maken daarbij gebruik van een genetisch algoritme, gebaseerd op evolutionaire principes. Het resultaat is dat de computermodellering nu veel nauwkeuriger aansluit bij het experimentele VCD-spectrum. Zodat je ook hele complexe moleculen kunt analyseren en precies kunt vaststellen welke variant in welke hoeveelheid aanwezig is. Dat hebben we nu aan dydrogesteron gedemonstreerd.”
Kwantitatieve bepaling
In Analytica Chimica Acta beschrijven Koenis, Buma en collega’s hoe ze aan de hand van een enkel experimenteel VCD-spectrum eenduidig dydrogesteron konden onderscheiden van alle andere mogelijke stereoisomeren. Bovendien bleek het mogelijk ook in kwantitatieve zin onderscheid te maken, zodat VCD nu is te gebruiken voor kwaliteitscontrole en het kwantificeren van verontreinigingen. Puur op basis van de computerondersteunde analyse, lukt dat alleen bij relatief hoge verontreinigingsniveaus. Maar bij het opsporen van een verontreiniging met een bekend VCD-spectrum, zoals bij 6-dehydroprogesteron als bijproduct in de synthese van dydrogesteron, kan VCD verontreinigingen rond 5% nog detecteren. Voor Buma is de conclusie duidelijk: “Er is potentie voor praktische toepassing van VCD. Niet alleen om de stereochemie van verbindingen te karakteriseren, maar ook voor kwantitatief analytisch gebruik.”
“Baanbrekend onderzoek”
Buma krijg bijval van dr. Edwin R. Kellenbach, principal scientist biochemistry bij Aspen in Oss, producent van werkzame stoffen in geneesmiddelen (de ‘Active Pharmaceutical Ingredients’), en een van de eersten in Nederland die VCD gebruikte voor de analyse van medicijnen (mirtazapine). Hij was niet bij het onderzoek betrokken maar is er enthousiast over: “Bij het ontwikkelen en produceren van geneesmiddelen is het essentieel de absolute configuratie van de moleculen te kennen. Om die met de huidige technieken te kunnen bepalen, moeten we een stof eerst in kristalvorm zien te krijgen. Dat is tijdrovend en soms niet eens mogelijk.”
“Het grote voordeel van VCD is dat het nu veel sneller kan; bovendien biedt VCD informatie over de driedimensionale structuur van moleculen in oplossing. Het Amsterdamse onderzoek is echt baanbrekend omdat het nu mogelijk is in één enkel experiment, zonder voorafgaande scheiding, de afzonderlijke componenten te identificeren en kwantificeren bij de vervaardiging van geneesmiddelen.”
Publicatie details
Mark A.J.Koenis, Eveline H.Tiekink, Davita M.E.van Raamsdonk, Nadav U. Joosten, Susanne A.Gooijer, Valentin P.Nicu, Lucas Visscher, and Wybren J.Buma: Analytical chemistry on many-center chiral compounds based on vibrational circular dichroism: Absolute configuration assignments and determination of contaminant levels. Analytica Chimica Acta, in press, published online 14 September 2019. DOI: 10.1016/j.aca.2019.09.021