logo
FA 11/2020 życie naukowe

Tomasz Koczorowski

Sztuczne cytochromy

Nowoczesne narzędzie do tworzenia leków

Uzyskanie wydajnego i selektywnego katalizatora przemian metabolicznych umożliwiłoby w dalszej kolejności opracowanie sztucznego cytochromu i tym samym prowadzenie badań nad metabolizmem wątrobowym nowych potencjalnych leków w warunkach laboratoryjnych, bez udziału żywych komórek i zwierząt.

Osiągnięcia współczesnej medycyny oparte są przede wszystkim na możliwości stosowania wielu skutecznych leków, głównie w terapii chorób cywilizacyjnych, stanowiących dzisiaj istotny problem wśród społeczeństw krajów rozwiniętych. Większość stosowanych obecnie w medycynie substancji leczniczych, po wchłonięciu do krwioobiegu, ulega w wątrobie przemianom metabolicznym. Prowadzone w wielu ośrodkach badania dotyczące poszukiwania nowych leków muszą uwzględniać, oprócz efektu działania samej substancji, także oddziaływanie na organizm produktów jej metabolizmu powstałych dzięki enzymom należącym do tzw. grupy cytochromów P450. Enzymy te katalizują większość reakcji przemiany ksenobiotyków, czyli substancji obcych dla organizmu ludzkiego. Ma to istotne znaczenie z punktu widzenia skuteczności i bezpieczeństwa stosowanych leków z uwagi na fakt, że przemiany enzymatyczne mogą w niektórych przypadkach doprowadzić do powstania w organizmie związków chemicznych o zwiększonej lub zmniejszonej sile działania w stosunku do pierwotnej substancji leczniczej, a także o możliwym działaniu toksycznym. Stąd też przed wprowadzeniem nowego leku na rynek musi on zostać sprawdzony także pod kątem charakteru ewentualnych produktów metabolizmu wątrobowego. W tym celu początkowo przeprowadza się badania in vitro z wykorzystaniem komórkowych ekstraktów mikrosomalnych (specjalnych zawiesin komórkowych), pozyskanych z fragmentów wątroby ludzkiej lub zwierzęcej, a następnie wykonuje się szereg badań in vivo na zwierzętach. Niejednokrotnie zdarza się jednak, że o możliwym szkodliwym działaniu metabolitów nowego leku badacze dowiadują się dopiero w momencie pierwszych testów na ludziach. Prowadzone w ten sposób eksperymenty są niezwykle kosztowne. Co więcej, mogą też stanowić zagrożenie dla zdrowia, a nawet życia, ochotników biorących udział w testach klinicznych. Ich wadą jest również duża trudność w identyfikacji powstających metabolitów, a także, ze względu na możliwość pozyskania niewielkich ilości danego związku chemicznego, brak możliwości prowadzenia dalszych zaawansowanych badań z ich udziałem.

Naśladowanie naturalnych mechanizmów

Inną metodą niż testy prowadzone z udziałem komórek zwierząt czy ludzi jest biomimetyka. Polega ona na naśladowaniu, w warunkach sztucznych struktur, reakcji i mechanizmów naturalnie występujących w przyrodzie. Znalazła ona także zastosowanie w badaniach nad lekami. Z uwagi na to, że w enzymach z grupy cytochromów P450 tzw. grupą prostetyczną („sercem” enzymu), odpowiedzialną za katalizowanie prowadzonych reakcji, jest hem – czerwony barwnik naszej krwi (ten sam, który odpowiada za transport tlenu), w badaniach biomimetycznych metabolizmu leków wykorzystuje się związki, które są do niego strukturalnie podobne.

Hem należy do grupy tzw. porfirynoidów, związków makrocyklicznych (dużych, kolistych struktur) zbudowanych z trzech lub czterech połączonych ze sobą pierścieni pirolowych (pięcioczłonowych) lub indolowych (dziewięcioczłonowych), mogących związać koordynacyjnie w środku całej cząsteczki kation metalu. Wśród porfirynoidów wyróżniamy kilka klas związków chemicznych różniących się m.in. sposobem połączenia pojedynczych, małych pierścieni, takich jak: porfiryny (do których należy właśnie hem), chloryny, ftalocyjaniny czy porfirazyny (rys). Dwie ostatnie stanowią sztuczną grupę barwników wykorzystywaną zarówno w przemyśle, jak i lecznictwie, głównie w nowatorskiej terapii przeciwnowotworowej z dodatkowym wykorzystaniem źródła światła, zwanej terapią fotodynamiczną. W porfirazynach, które do tej pory nie były stosowane w badaniach biomimetycznych, cztery pierścienie pirolowe połączone są atomami azotu. Aby wykorzystywać porfirazyny do naśladowania reakcji katalitycznych, związek makrocykliczny musi być połączony w swoim centrum z kationem z tzw. grupy metali przejściowych, np. kationem żelaza, kobaltu czy manganu (patrz rycina).

Badania nad metabolitami nowych potencjalnych leków prowadzi Katedra i Zakład Technologii Chemicznej Środków Leczniczych Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu. Celem prac naukowych jest synteza i charakterystyka porfirazyn – związków organicznych, strukturalne podobnych do hemu, zdolnych do naśladowania jego funkcji jako grupy prostetycznej cytochromów P450. Uzyskanie wydajnego i selektywnego katalizatora przemian metabolicznych umożliwiłoby w dalszej kolejności opracowanie sztucznego cytochromu i tym samym prowadzenie badań nad metabolizmem wątrobowym nowych potencjalnych leków w warunkach laboratoryjnych, bez udziału żywych komórek i zwierząt.

Znaczne ograniczenie kosztów

Wszystkie firmy z branży farmaceutycznej przy rejestracji nowych produktów leczniczych przed wprowadzeniem ich na rynek zobowiązane są do przedstawienia bardzo obszernej dokumentacji poświadczającej bezpieczeństwo stosowania danego preparatu. Raporty te sporządzane są na podstawie szeregu badań prowadzonych najpierw na wyizolowanych komórkach i tkankach ludzkich, następnie na zwierzętach (tzw. badania przedkliniczne), aby potem móc przetestować nową substancję leczniczą na ludziach, w trakcie tzw. badań klinicznych pierwszej, drugiej i trzeciej fazy. Przedsiębiorstwa, ponosząc ogromny koszt, niejednokrotnie ryzykują utratę stabilności finansowej w przypadku niepowodzenia prowadzonych testów. Możliwość wykonania części testów przedklinicznych na sztucznych cytochromach, opartych na porfirazynach żelazowych czy manganowych, pozwoli na znaczne ograniczenie kosztów oraz skrócenie czasu badań, co bezpośrednio może się przełożyć na szybsze wprowadzenie na rynek nowych preparatów, a tym samym szybsze osiągnięcie zysków. W dłuższej perspektywie może to również rzutować na rozwój samego przedsiębiorstwa, w tym także na zwiększenie poszukiwań i produkcji nowych leków, a przez to wzrost zatrudnienia w firmach. Zmniejszeniu ulegnie również liczba zwierząt uczestniczących w testach przedklinicznych prowadzonych w tzw. zwierzętarniach, co wywrze istotny wpływ na politykę proekologiczną branży farmaceutycznej oraz rozwiąże wątpliwości natury etycznej powstające przy okazji testów na zwierzętach.

W dotychczasowej pracy badawczej otrzymaliśmy szereg porfirazyn żelaza(II/III) i manganu(III) posiadających zróżnicowane struktury chemiczne, nadające opracowanym układom odmienne właściwości fizykochemiczne. Otrzymane związki zostały poddane bardzo wielu badaniom z zakresu chemii analitycznej (badania z wykorzystaniem technik spektroskopowych) oraz elektrochemii. Dodatkowo, w przypadku niektórych związków, otrzymaliśmy kryształy, co umożliwiło potwierdzenie ich struktury chemicznej technikami analizy rentgenowskiej. W celu oceny potencjalnego zastosowania otrzymanych związków we wspomnianej biomimetyce cytochromów otrzymane porfirazyny zostały wykorzystane w reakcjach katalitycznego utleniania zarówno związków wzorcowych, jak i obecnie stosowanych, a także potencjalnych substancji leczniczych.

Dotychczas w ramach prowadzonych badań wykonanych zostało wiele prób utleniania leków przeciwbólowych, przeciwpadaczkowych, hormonów, a także antybiotyków, w celu przetestowania opracowanej metodologii. Wyniki tych badań są obiecujące i wskazują na to, że niektóre z otrzymanych porfirazyn, ze względu na wykazywane właściwości fizykochemiczne, elektrochemiczne i katalityczne, mogą być rozpatrywane jako potencjalne katalizatory biomimetyczne cytochromów P450 w dalszych badaniach metabolizmu substancji leczniczych. Nie jest to jednak koniec poszukiwania nowych struktur o podobnym charakterze, jednocześnie bardziej trwałych, a zarazem o zwiększonej aktywności. Stąd też ogromną część opisywanej pracy laboratoryjnej stanowi synteza chemiczna.

Na węglowych nanorurkach

Zupełnie innym aspektem prowadzonych badań jest chęć połączenia uzyskanych związków chemicznych z układem stanowiącym swego rodzaju nośnik, a tym samym tworzenie katalizatorów opartych na porfirazynach, które po reakcji można łatwo oddzielić od produktów. Stąd też wybrane związki zostały osadzone na wielościennych nanorurkach węglowych oraz warstwach tlenku grafenu, odpowiednio do tego celu przygotowanych. Osadzenie otrzymanych porfirazyn na nanorurkach lub grafenie służy zwiększeniu zdolności katalitycznych związków ze względu na unikatowe właściwości elektrochemiczne powyższych nanostruktur, jak i możliwość ponownego wykorzystywania odzyskiwanych po reakcjach katalizatorów. Grafen stanowi odmianę węgla złożoną z płaskiej sieci pojedynczych atomów formujących pierścienie, o unikatowych właściwościach materiałowych, zwłaszcza wytrzymałości oraz przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. W przebiegu licznych reakcji chemicznych możliwe jest takie zmodyfikowanie jego powierzchni, które zwiększa zdolności aplikacyjne struktury grafenu. Podobnie jak grafen, nanorurki węglowe stanowią również materiał strukturalny o obiecującym potencjalnym wykorzystaniu w wielu dziedzinach nauki i techniki. Zbudowane są ze zwiniętych warstw grafenowych. Ze względu na liczbę warstw wyróżniamy nanorurki węglowe jedno– i wielościenne. Z uwagi na obecność dużego, specyficznego układu elektronów posiadają one zdolność do silnego przyłączania cząsteczek o podobnym układzie elektronowym, w tym właśnie porfirynoidów, czyli np. porfirazyn.

Podjęcie tematyki związanej z biomimetyką procesów metabolizmu substancji aktywnych farmaceutycznie z uwzględnieniem wykorzystania porfirazyn żelaza ma wiele aspektów praktycznych. Stanowi wstęp do kontynuowanych dzisiaj badań, które wpisują się w ideę opracowania sztucznego cytochromu na potrzeby tzw. sztucznej wątroby. Tego typu rozwiązanie mogłoby się przyczynić do zwiększenia efektywności przy pozyskiwaniu nowych substancji leczniczych, a uniwersalność metody umożliwiłaby jej szerokie wykorzystanie w laboratoriach badawczych jednostek naukowych, zarówno na uczelniach, jak i w przemyśle farmaceutycznym. Otrzymane i scharakteryzowane związki chemiczne na bazie porfirazyn mogą być z powodzeniem rozpatrywane jako wydajne katalizatory reakcji utleniania substancji aktywnych farmaceutycznie, obecnie stosowanych, oraz nowych, potencjalnych substancji leczniczych. Uzyskiwane produkty przemian biomimetycznych mogą być traktowane jako potencjalne metabolity do porównawczych badań farmakologicznych i toksykologicznych.

Dr n. farm. Tomasz Koczorowski, Katedra i Zakład Technologii Chemicznej Środków Leczniczych, Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu

Wróć