NMR krystalografie aktivních farmaceutických substancí

Název projektu: NMR krystalografie aktivních farmaceutických substancí pro průmyslové aplikace
Program: NPV II – ZDRAVÝ A KVALITNÍ ŽIVOT
Kod projektu: 2B08021
Doba řešení projektu: 2008-2011
Řešitelská pracoviště: ÚMCH AV ČR, VŠCHT Praha
Řešitel a spoluředitel: Ing. Jiří Brus PhD a prof. RNDr. Bohumil Kratochvíl, DSc

  

    V současné době reprezentují pevné farmaceutické produkty (tablety a pilulky) asi 80-90% trhu s léčivy. Z toho plyne rostoucí význam kontroly procesu krystalizace ve farmaceutickém průmyslu. Vedle ekonomických motivů je distribuce a výroba aktivních farmaceutických ingrediencí (API) v požadované krystalové modifikaci také striktním požadavkem všech významných autorit na trhu s léčivy (FDA, SÚKL). To vyplývá ze skutečnosti, že řada aktivních substancí vykazuje značný polymorfismus, což je schopnost molekuly existovat v několika různých krystalových formách. Již mnohokrát se ukázalo, že různé krystalové modifikace se mohou významně lišit svými farmakokinetickými vlastnostmi a tedy v konečném důsledku i terapeutickými účinky. Typickým příkladem tohoto chování je nedávný případ RITONAVIRu, což je léčivo s antivirálními účinky používané při napadení organismu virem HIV. Firma Abbott Laboratories tento lék uvedla na trh v roce 1996, avšak až po 18 měsících bylo zjištěno, že v lékových formách vzniká nový termodynamicky stabilnější polymorf. Rozpustnost této nové formy byla v porovnání s originální modifikací pouze poloviční, a proto u pacientů nedošlo při předepsaném dávkování k dosažení terapeutické koncentrace léčiva v krevním oběhu. Pacienti tedy nebyli touto záměnou krystalových forem přímo poškozeni, ale také nebyli léčeni. A proto se problému polymorfismu věnuje náležitá pozornost a jsou vynakládány nemalé prostředky na to, aby při pochopení všech termodynamických a kinetických faktorů bylo možno bezpečně připravit a identifikovat požadovanou krystalovou modifikaci.

    Strukturní vysvětlení polymorfismu, jakkoliv významného pro design léčiv, je však obvykle omezeno absencí efektivní analytické metody. V mnoha případech API neposkytují vhodné krystaly potřebné k získání úplných strukturních dat pomocí rtg difrakce. V současné době se však objevuje nová strukturně-analytická metoda souhrnně nazývaná “NMR krystalografie“, která je založena na kombinaci moderních technik NMR spektroskopie pevného stavu, práškové rtg difrakce a výpočetních a modelovacích postupů.

    Účelem tohoto projektu je vypracování nových postupů analytických technik NMR krystalografie vedoucích k monitorování výroby farmakoproduktů, ke snadné a bezpečné identifikaci fázových nečistot a příměsí (polymorfů) a pro detailní popis krystalové struktury použitých farmaceuticky aktivních látek. Konečným cílem projektu je optimalizace těchto postupů pro charakterizaci nových léčiv na bázi nanokrystalických nebo částečně neuspořádaných až amorfních systémů, které jsou v současné době velmi intenzivně zkoumány. Zájem o tyto formy aktivních léčiv vyplývá z jejich snadné biodostupnosti v organismu. Vzhledem k současným vysokým nárokům, které jsou na kvalitu léčiv a jejich charakterizaci kladeny budou tyto metody cíleně navrženy pro průmyslové podmínky. Navržené metody tak budou poskytovat požadované informace v krátkém čase na základě minimalizovaného množství experimentálních dat, budou umožňovat predikci úplné krystalové struktury a zároveň povedou (doufáme) k vysvětlení jejich farmakokinetického chování a biodostupnosti v organismu.

    Pro řešení projektu byl sestaven rozsáhlý tým vysoce kvalifikovaných a zkušených odborníků (vědeckých pracovníků, studentů a techniků) z oblasti NMR spektroskopie a RTG krystalografie, jejichž domovskými institucemi jsou Ústav makromolekulární chemie AV ČR v.v.i. a Vysoká škola chemicko-technologická v Praze.

ÚMCH AV ČR v.v.i.	VŠCHT Praha
Jiří Brus, Ing. PhD Martina Urbanová, Ing. PhD Jiří Dybal, RNDr. CSc Jiří Czernek, Mgr. PhD Jiří Kotek, Ing. PhD Ivana Šeděnková, Mgr. PhD Libor Kobera, Ing. Olívia Policianová, Ing. Mirka Brunclíková	Bohumil Kratochvíl, Prof. RNDr. DSc Michal Hušák, Ing. Dr Jan Čejka, Ing. Dr Jaroslav Maixner, RNDr. CSc Jan Rohlíček, Ing. Eliška Cífková

    Charakterizace a jednoznačná identifikace aktivních farmaceutických ingrediencí v tabletách je díky jejich rozsáhlému polymorfismu a současným snahám o jejich nové a netradiční formulace, jako ko-krystaly, tuhé roztoky či disperze v polymerních matricích, stále jednou z největších výzev strukturní analýzy. Cílem řešeného projektu je proto vyvinout a optimalizovat experimentální techniky, které poskytnou nástroj ke komplexnímu popisu těchto systémů.

I. Etapa
    V prvním roce řešení projektu jsme věnovali rozvoji experimentálních postupů NMR krystalografie pro krystalograficky jednoduché systémy. Nejprve jsme se zaměřili na vypracování metod přesného měření ¹H-¹³C dipolárních interakcí, přičemž zoptimalizované experimentální postupy dipolární NMR spektroskopie jsme aplikovali na popis struktury nových námi objevených krystalových forem simvastatinu. Do procesu optimalizace krystalové struktury jsme zahrnuli vliv segmentového pohybu flexibilního esterového konce. Paralelně s těmito experimenty probíhaly výpočty optimálních a možných konformací molekul simvastatinu pomocí kvantově-chemických výpočtů (DFT), které vedly k nalezení třech možných energeticky výhodných geometrií. Zároveň byla provedena rtg. analýza pomocí synchrotronového záření za různých teplot. Získané dikfraktogramy pak byly analyzovány a užity k upřesnění krystalových struktur nově nalezených modifikací simvastatinu. Ukázalo se, že jednotlivé fáze se strukturně od sebe odlišují konformací postranních řetězců v molekule a vnitřní dynamikou. Tím se předběžně potvrdila správnost navrženého metodického konceptu NMR krystalografie pro farmaceutické aplikace, který je založen na kombinaci a komplementaritě metod XRPD, ssNMR a molekulárního modelování.

II. Etapa
    V druhé etapě řešení projektu jsme metodické postupy navržené v předchozím roce rozpracovali a aplikovali na krystalograficky složité systémy, které obsahují dvě a více molekul v nezávislé části krystalografické jednotky. Především jsme se věnovali dokončení experimentálního testování technik založených na ¹H-¹³C a ¹H-¹H-¹³C přenosu polarizace a to s cílem optimalizovat podmínky pro co nejselektivnější určení intramolekulárních a intermolekulárních kontaktů. Smyslem této aktivity bylo a je vyvinout postupy, které na jedné straně umožní určit konformaci molekul API a na straně druhé i jejich vzájemnou orientaci ve větším fragmentu krystalové buňky či nadmolekulárního útvaru v amorfních systémech. Vzhledem k průmyslovému směřování těchto postupů jsme se také zaměřili na snižování časové náročnosti navržených postupů.
    Vypracovanou metodiku jsme úspěšně aplikovali na řadu farmaceuticky relevantních materiálů, např. na metergolin, či třetí formu simvastatinu. Při studiu fázových přechodů simvastatinu se mimo jiné ukázal zajímavý jev, který má dopad na interpretaci NMR spekter. Nyní je totiž zřejmé, že rozsáhlá dynamika postraních řetězců může vést k netradičnímu vzhledu jak NMR spekter tak XRPD záznamů. Za určitých podmínek přestává platit pravidlo, že dvě sady NMR signálů indikují dvě symetricky nezávislé molekuly v krystalové buňce. Z výše uvedeného je tedy zřejmé, že segmentová dynamika molekul API má úzký vztah k jejich polymorfismu. Proto jsme se v další dílčí aktivitě důkladně věnovali experimentálnímu stanovení a posouzení vlivu segmentové pohyblivosti na fyzikální chování některých API.
    Vedle rozvoje technik NMR krystalografie vhodných pro charakterizaci čistých farmaceutických ingrediencí jsme se věnovali vývoji rychlé a spolehlivé metody identifikace amorfních a semikrystalických forem API v pevných lékových formách (tabletách). Námi navržený postup je založen na faktorové analýze ¹⁹F MAS NMR spekter, kdy se potvrdila vysoká vypovídací schopnost i relativně málo rozlišených ¹⁹F MAS NMR spekter, která lze získat ve velmi krátkém experimentálním čase (jednotky až desítky minut). Ukázalo se, že při použití sofistikovaného matematického zpracování získaných dat, lze najít jasnou korelaci nejen mezi ¹⁹F a ¹³C NMR spektry, ale také XRPD daty. Získané výsledky potvrzují značný potenciál ¹⁹F MAS NMR spektroskopie pro strukturní charakterizaci farmaceutických produktů, jež vykazují rozsáhlý polymorfismus. Vysoký potenciál tohoto postupu plyne z faktu, že ze sta nejprodávanějších farmaceutických produktů v roce 2007 obsahovalo 25 ve své molekule fluor.
    Získané výsledky jsme zpracovali formou řady publikací v odborných časopisech (11) či sdělení na konferencích. Tyto výsledky jsou shrnuty v části VÝSLEDKY A VÝSTUPY.

Výsledky naší dosavadní snahy o rozvoj NMR krystalografie budu také prezentovány formou přednášky na významné mezinárodní farmaceutické konferenci I W P C P S® 12 Twelfth International Workshop on Physical Characterization of Pharmaceutical Solids, kde byly zařazeny do sekce Solid State NMR for Pharmaceuticals (Session Chair: T. Larsson, Astra Zeneca; Sweden)

Abstrakta, prezentace nebo celé texty volně ke stažení (formát pdf, jpg).
Vyberte období 2008, 2009

rok 2009

Autoři	Název příspěvku	Časopis/Konference	IF	Abs.	Dok.
Brus J., Urbanová M., Policianova, O.	NMR CRYSTALLOGRAPHY FOR STRUCTURE REFINEMENT OF LOW-TEMPERATURE POLYMORPHS.	Alpine Conference on Solid-State NMR /6./. 13.-17.09.2009, Chamonix-Mont Blanc, Abstract Book P20	O
Brus J., Urbanova M., Sedenkova I, Brusova H.	NEW PERSPECTIVES OF 19F MAS NMR IN THE CHARACTERIZATION OF PSEUDOPOLYAMORPHISM OF PHARAMCEUTICAL SOLIDS: COMPARATIVE FACTOR ANALYSIS	Cryst. Growth Design (v redakčním řízení)	4,215		N/A
Czernek J.	ON THE OPTIMIZATION OF THE DF-SAPT-DFT INTERACTION ENERGIES OF HYDROGEN-BONDED SYSTEMS	WSEAS Int. Symp. on Simulation, Modelling and Optimization /9./. Budapest 237-241 (2009)	D	-
Czernek J.	INSIGHTS INTO THE NATURE OF INTERMOLECULAR INTERACTIONS IN LOW-ENERGY CONFORMERS OF PERINDOPRIL ERBUMINE	WSEAS Int. Conf. on Mathematics and Computers in Biology and Chemistry /10./. Prague 190-193 (2009)	D	-
Urbanová M., Brus J., Šeděnková I., Brusová H., Kobera L.	CHARACTERIZING POLYMORPHISM BY SOLID-STATE NMR, X-RAY POWDER DIFFRACTION AND FACTOR ANALYSIS	In Euromar 2009, Programme and Abstract Book. Göteborg : University of Göteborg, 2009. S. 111	O	-	N/A
Brus J., Urbanová M.	POLY(A)MORPHISM OF PHARMACEUTICAL SOLIDS: SIMAVASTATINS VS. ATORVASTATIN	In Program and Book of Abstracts. Otočec : Slovenian NMR Centre/National Institute of Chemistry, 2009. S. 59. ISBN 978-961-6104-13-5	O	-	N/A
Kratochvíl B.	VLASTNOSTI A ANALÝZA PEVNÝCH FARMACEUTICKÝCH SUBSTANCÍ (KVALIFIKAČNÍ PROGRAM V RÁMCI CELOŽIVOTNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ)	Sborník prezentací. VŠCHT Praha 23.-24.4. 2009	W	-	N/A
Kratochvíl B.	FARMACEUTICKÉ KOKRYSTALY. 279. ROZHOVORY O AKTUÁLNÍCH OTÁZKÁCH V RENTGENOVÉ A NEUTRONOVÉ STRUKTURNÍ ANALÝZE.	Ústav makromolekulární chemie AV ČR. Praha 2009. Pozvaná přednáška	-	-	N/A
Kratochvíl B., Hájková M., Hušák M.	PEVNÉ FORMY MOLEKUL	Sborník 61. Zjazdu chemikov. 7.-11. september 2009. Vysoké Tatry, Tatranské Matliare 2009. ChemZi. 5/9 3P03 Přednáška (2009)	O	-	N/A
Hušák M., Hájková M., Čejka J., Dušek M., Kratochvíl B.	CRYSTAL FORMS OF TROSPIUM CHLORIDE	Acta Crystallogr. A65, s 304 (2009). Poster FA4-MS09-P11. 25th European Crystallographic Meeting. ECM25. Istanbul 2009	O	-	N/A
Hušák M., Kratochvíl B., Jegorov A., Brus J., Maixner J.	SIMVASTATIN – STRUCTURE SOLUTION OF TWO NEW LOW TEMPERATURE PHASES FROM SYNCHROTRON POWDER DIFFRACTION AND SS-NMR	Structural Chemistry. (DOI: 10.1007/s11224-009-9579-9).	1,51	-
Rohlicek J., Husak M., Gavenda A., Jegorov A., Kratochvil B., Fitch A.	CAPECITABINE FROM X-RAY POWDER SYNCHROTRON DATA	Acta Crystallogr. E65, o1325 (2009)	0,367	-	N/A
Maixner J.	EXPERIENCE WITH THE 1D SILICON STRIP LYNXEYE DETECTOR	Materials Structure. 16, sl3 (2009)	J	-	N/A
Maixner J., Rohlíček J., Kratochvíl B., Šturc A.	X-RAY POWDER DIFFRACTION DATA FOR ALAPTIDE, 8(S)-METHYL-6,9-DIAZASPIRO/4,5/DECANE-7,10-DIONE (CYCLO(L-ALANYL-1-AMINO-1-CYCLOPENTAN CARBONYL), CYCLO(L-ALA-ACP)	Powder Diffraction. 24, 32 (2009)	0,602	-
Rohlíček J., Hušák M., Kratochvíl B., Jegorov A.	METHYLERGOMETRINE MALEATE FROM POWDER DIFFRACTION DATA	Acta Crystallogr. E65, o3252-o3253 (2009)	0,367	-
Kratochvíl B.	SOLID FORMS OF PHARMACEUTICAL MOLECULES. KAPITOLA V MONOGRAFII: GLASSY, AMORPHOUS AND DISORDERED MATERIALS: THERMAL PHYSICS, ANALYSIS, STRUCTURE AND PROPERTIES.	Springer Verlag. V tisku	C	-
Rohlíček J., Hušák M., Maixner J., Cibulková J., Kratochvíl B.	ALAPTIDE FROM SYNCHROTRON POWDER DIFFRACTION DATA	Acta Crystallogr. E V tisku	0,367	-	-
Rohlíček J., Hušák M., Kratochvíl B.	TESTING DIFFERENT METHODS FOR CRYSTAL STRUCTURE DETERMINATION OF ALAPTIDE FROM POWDER DIFFRACTION DATA	Acta Crystallogr. A65, s 317 (2009). Poster FA5-MS01-P02. 25th European Crystallographic Meeting. ECM25. Istanbul 2009	O	-	-
Kratochvíl B.	FARMACEUTICKÉ KOKRYSTALY	Sborník 38. konference Syntéza a analýza léčiv. 14.-16. září 2009. Hradec Králové. Pozvaná přednáška	O	-	-

 
 

rok 2008

Autoři	Název příspěvku	Časopis/Konference	IF	Abs.	Dok.
Rohlicek J., Husak M., Gavenda A., Jegorov A., Kratochvila B., Fitchd A.	CRYSTAL STRUCTURE OF CAPECITABINE FROM X-RAY POWDER SYNCHROTRON DATA	Acta Crystallogr. E65, o1325 (2009)	0,367	-
Maixner J., Rohlíček J., Kratochvíl B., Šturc A.	X-RAY POWDER DIFFRACTION DATA FOR ALAPTIDE, 8(S)-METHYL-6,9-DIAZASPIRO/4,5/DECANE-7,10-DIONE (CYCLO(L-ALANYL-1-AMINO-1-CYCLOPENTAN CARBONYL), CYCLO(L-ALA-ACP)	Powder Diffraction, 24, 32 (2009)	0,602	-
Brus J.	VÝVOJ A APLIKACE TECHNIK NMR KRYSTALOGRAFIE PRO FARMACEUTICKY AKTIVNÍ SUBSTANCE	Třetí workshop NMR pevného stavu a souvisejících výpočtových metod, 23. Říjen 2008, PRAHA	W	-
Brus J.	NMR KRYSTALOGRAFIE FARMACEUTICKY AKTIVNÍCH LÁTEK	278 Rozhovory Krystalografická společnost, Zentiva Praha, 26.11.2008	O	-	N/A
Brus J, Urbanova M.	ARRANGEMENT AND DYNAMICS OF MOLECULAR SEGMENTS AS SEEN BY DIPOLAR SOLID-STATE NMR	38th National Congress on Magnetic Resonance, Bressanone/ Brixen 10-13.9. 2008	O
Husak M, Kratochvil B, Jegorov A.	STRUCTURE SOLUTION OF LOW TEMPERATURE SIMVASTATIN POLYMORPHS FROM SYNCHROTRON POWDER DIFFRACTION	Acta Cryst. (2008) A64, C211	O	-
Urbanova M., Sedenkova I., Brus J., Kratochvil B., Maixner J., Kobera L.	POLYMORPHISM OF ATORVASTATIN	Xth Central European NMR Symposium and Xth Central European Bruker NMR Users Meeting 28-29, 2008, Zagreb, Croatia	O	-
Urbanova M., Brus J., Kobera L.	NMR CRYSTALLOGRAPHY FOR PHARMACEUTICALS APPLICATIONS	Yucomat 2008, 8-12.9. 2008, Herceg Novi, Montenegro	O	-	N/A
Brus J, Urbanova M.	APPLICATION AND DEVELOPMENT OF NMR CRYSTALLOGRAPHY ON PHARMACEUTICAL SOLIDS AT NATURAL ISOTOPIC ABUNDANCE	Tenth International Workshop on Physical Characterization of Pharmaceutical Solids, June 8-14, 2008, Bamberg, Germany.	O		N/A