Dr. sc. Matija Gredičak: Istražujemo kiralnu pripravu lijekova

Razgovarali smo s dr. sc. Matijom Gredičakom, poslijedoktorantu na Institutu Ruđer Bošković kojem je nedavno dodijeljena nagrada u okviru programa „AbbVie-HRZZ nagrada za izvrsne mlade znanstvenike u području farmacije“ za jednogodišnje istraživanje pod nazivom "Prirodom inspirirane održive metodologije za pripravu lijekova“. O kakvoj metodi je riječ i što želi postići u pripravi lijekova pročitajte u razgovoru:

Što je kiralnost, odnosno što su to kiralne molekule?

Matija Gredičak: Kiralnost, odnosno optička aktivnost, je geometrijsko svojstvo nekih molekula da se odnose kao predmet i njegova zrcalna slika. Riječ "kiralnost" dolazi od grčke riječi kiros, što znači "ruka"; lijeva ruka je zrcalna slika desne, i obrnuto. Iako načelno identične (npr. dužina prstiju, širina dlana, nokti itd.), jedino svojstvo po kojem se razlikuju jest da se ne mogu međusobno preklopiti u prostoru. Isto svojstvo posjeduju i molekule.

Dvije molekule građene od istih atoma, s istim fizikalno-kemijskim svojstvima, a koje se razlikuju samo u zakretanju svjetlosti ulijevo ili udesno, nazivamo kiralnim molekulama. Lijevi i desni kiralni spojevi iste molekule nazivaju se enantiomeri, od grčkih riječi enantio "suprotan", mer "dio".

Zašto je to važno?

Matija Gredičak: Često možemo čuti da je naš svijet "lijevi". To se zapravo odnosi na molekule od kojih smo izgrađeni, tako da je sav živi svijet kiralan. Sve aminokiseline u našem tijelu, (a time i proteini) su lijeve, dok su šećeri desni. S obzirom da je naše tijelo kiralno, tako različiti enantiomeri iste molekule drugačije utječu na naše receptore. To bi se najbolje moglo ilustrirati primjerima iz prirode.

Iako su po svemu ostalom identični, enantiomeri prirodnog spoja limonena razlikuju se po tome što desni limonen daje okus narančama, a lijevi limunu. Slično je i s mentolom, gdje samo lijevi mentol daje njegov karakterističan miris, dok desni ima blagi, gotovo neutralan biljni miris. Može se izdvojiti i primjer umjetnog sladila aspartama, koji se sastoji od dvije aminokiseline, fenilalanina i asparaginske kiseline. Lijevi aspartam je sladak, dok desni ne samo da nije sladak, nego je i gorak.

Je li kiralnost onda važna i u farmaceutskim pripravcima?

Matija Gredičak: Naravno, danas je više od 75 % lijekova u upotrebi optički čisto. Zahtjevi farmaceutskoj industriji za ispitivanje djelovanja pojedinih enantiomera postavljeni su nakon talidomidne krize 60-ih godina prošlog stoljeća. Lijek talidomid propisivao se kao sedativ trudnicama kako bi olakšao simptome ranih faza trudnoće, kao što su tjeskoba, nesanica i jutarnje mučnine.

Kako se u to vrijeme nije obraćalo pozornost na kiralnost, lijek je sadržavao oba enantiomera talidomida. No samo je desni talidomid pokazivao željeni učinak, dok je lijevi uzrokovao teška fizička oštećenja kod rođene djece. U većini slučajeva suprotni enantiomer nema nikakav učinak, no svejedno se moraju provesti detaljna ispitivanja prije stavljanja lijeka u promet.

Na koji način se pripravljaju optički čisti lijekovi?

Matija Gredičak: Budući da enantiomeri posjeduju identična fizikalno-kemijska svojstva, klasičnom kemijskom sintezom nemoguće je dobiti samo jedan enantiomer. Klasičan način priprave rezultira smjesom jednako zastupljenog lijevog i desnog spoja (50:50). Takva smjesa naziva se racemična smjesa. Postupak međusobnog razdvajanja enantiomera, rezolucija, skup je i vremenski zahtjevan proces, s obzirom da tehnika kojom se razdvajaju mora u sebi sadržavati kiralnu informaciju.

Ukoliko suprotni enantiomer nema štetnog utjecaja na zdravlje, farmaceutska industrija izdaje lijek kao racemičnu smjesu i korigira dozu s obzirom na 50 % inaktivnog dijela lijeka. No, u slučaju dokazanog štetnog djelovanja, pristupa se rezoluciji. Na taj se način dobije optički čist lijek, međutim postupkom rezolucije gubi se 50 % sirovine u obliku krivog enantiomera. Budući da je svjetska prodaja kiralnih lijekova u stalnom porastu, intenzivno se razvijaju metode priprave samo željenog enantiomera lijeka.

A upravo je to tema istraživanja u vašem laboratoriju u sklopu nedavno odobrenog projekta Hrvatske zaklade za znanost i jedne farmaceutske kompanije. Možete li nam reći nešto više o tome?

Matija Gredičak: Farmaceutska kompanija Abbvie u suradnji s Hrvatskom zakladom za znanost odobrila nam je projekt za istraživanje metodologija za kiralnu pripravu lijekova. U sklopu naših istraživanja razvijamo metode za pripravu samo jednog enantiomera koristeći male organske molekule kao katalizatore. Takve male organske molekule su same po sebi kiralne te tu kiralnost prenose na željeni produkt.

Slikovito se to može objasniti na sljedeći način: pretpostavimo da u jednoj kemijskoj reakciji dva reaktanta daju jedan produkt. Prvi reaktant je u obliku ravne plohe. Molekula drugog reaktanta može prići iznad ili ispod te ravnine. S obzirom da je vjerojatnost prilaza jednaka, produkt se dobije kao ravnomjerna smjesa dva enantiomera. No, situacija se mijenja upotrebom kiralnog katalizatora. S obzirom da posjeduje kiralnu informaciju, katalizator se, poput suprotnih polova magneta, sljubljuje samo s jednom stranom ravnine reaktanta. Na taj je način samo jedna ploha dostupna za prilaz drugog reaktanta te je omogućeno dobivanje optički čistog produkta.

Nedavno ste takvu metodu uspješno upotrijebili u pripravi poznatog inhibitora HIV virusa koju je objavio prestižni znanstveni časopis Chemical Communications. Kako ste došli do toga?

Matija Gredičak: Naše istraživanje temelji se na identifikaciji strukturnih motiva za koje mislimo da bismo mogli razviti metodologiju kiralne priprave. Odabrali smo motiv prisutan u jednom inhibitoru HIV-1 virusa (trenutno se nalazi u kliničkim ispitivanjima), ali i u poznatim antibioticima penicilinima.

U pripravi spomenutog inhibitora trenutno se koriste toksične i korozivne kemikalije, kao što su koncentrirana sumporna kiselina, cijanidi i teški metali, te se inhibitor na kraju dobije u obliku racemične smjese. Uspješnim razvojem kiralne metodologije, smanjili smo ukupan broj sintetskih koraka, izbjegli korozivne kemikalije te dobili 93 % željenog enantiomera inhibitora, uz samo 7 % neželjenog.

Može li ova metodologija imati primjenu u industriji?

Matija Gredičak: Za to su potrebna dodatna istraživanja. Laboratorijski uvjeti dozvoljavaju nam testiranje metode do otprilike 10 grama spoja, no proizvodna postrojenja zahtijevaju kilogramske skale. S obzirom da se uvjeti kemijskih reakcija ne mogu linearno preračunati na tako velike količine, potrebna su dodatna istraživanja na tu temu. Isto tako, organski katalizatori se (još) ne koriste u farmaceutskoj industriji te ih je potrebno validirati prema načelima Dobre proizvođačke prakse.

Ako vas zanima tema, Gredičak večeras, 24.3. gostuje u emisiji Treći element na HRT-u pa svakako u 21:20 ne propustite pogledati što ima za reći ovaj vrsni mladi znanstvenik.