Forskere eliminerer lægemiddelbivirkninger ved at manipulere molekylær chiralitet

Forskere fra Hong Kong Baptist University (HKBU) har udviklet en ny teknik, der kan producere rene terapeutiske lægemidler uden de tilknyttede bivirkninger.

Tilgangen, som bruger en enhed til fremstilling af nanostruktur, kan manipulere kiraliteten af ​​lægemiddelmolekyler ved at kontrollere retningen et substrat roteres inde i enheden, dermed eliminere de mulige bivirkninger, der kan opstå, når folk tager medicin indeholdende molekyler med den forkerte chiralitet.

Udgivet i det videnskabelige tidsskrift Naturkemi , forskningsresultaterne baner vejen mod masseproduktion af renere, billigere og sikrere lægemidler, der kan fremstilles på en skalerbar og mere miljøvenlig måde.

Kontrol af molekylær chiralitet forbedrer lægemiddelsikkerheden

Mange kemiske molekyler har to konfigurationer, eller chirale versioner, der er spejlbilleder af hinanden. Mens de deler den samme molekylære formel, de to chirale versioner har forskellige arrangementer af deres konstituerende atomer i rummet. De to versioner af molekylerne er karakteriseret ved venstre- og højrehåndede chirale konfigurationer som menneskehænder. Molekyler med "venstrehåndet" og "højrehåndet" chiralitet kan have helt forskellige biokemiske effekter.

Mere end halvdelen af ​​de terapeutiske lægemidler består af lige store mængder venstrehåndede og højrehåndede chirale molekyler, almindeligvis kendt som "racemates"; man kan helbrede specifikke sygdomme, men den anden kan have negative virkninger. Adskillelse og produktion af molekyler med kun det chirale arrangement (kendt som en enkelt enantiomer), der er ansvarlig for de terapeutiske virkninger, kan hjælpe med at producere lægemidler med forbedret sikkerhed og effektivitet.

Makro-skala kontrol af molekylær chiralitet

Generelt, molekyler har en ekstrem lille størrelse, der spænder fra en milliontedel til en hundrede tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår. Det er derfor ekstremt udfordrende at selektivt producere en af ​​de to chirale molekyleversioner ved hjælp af "makro-skala" kontrol (dvs. den dimensionelle skala, der kan ses med det blotte øje og betjenes i hånden). For at fremstille enkelt-enantiomere lægemidler, kemikere har overvældende brugt molekyler kaldet "chirale ligander" til effektivt at kontrollere den molekylære chiralitet af lægemidler i laboratoriet eller industrien på molekylær skala, en proces kaldet asymmetrisk syntese. Imidlertid, de eksisterende teknologier til fremstilling af enkelt-enantiomere lægemidler er sammensat af komplicerede procedurer, som er dyre og miljøvenlige.

Dr. Jeffery Huang Zhifeng, Lektor ved Institut for Fysik ved HKBU, og hans forskerhold udtænkte en ny tilgang til at manipulere molekylær chiralitet gennem makroskalakontrol i samarbejde med Sichuan University, Guangxi Medical University og Southern University of Science and Technology. Det involverer at mediere manipulationen med spiralformede metal nanostrukturer (dvs. metal nanohelices), der er i form af en spiralformet fjeder, og de har en karakteristisk størrelse på en tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår.

Rotationsretningen bestemmer molekylær chiralitet

Forskerholdet fremstillede metal nanohelices ved hjælp af en nanofabrikationsteknik kaldet glancing angle deposition (GLAD). Sølv og kobber blev aflejret på et understøttende substrat, der blev roteret med uret og mod uret for at fremstille de højre- og venstrehåndede metal nanohelices, henholdsvis.

Forskerholdet brugte derefter ultraviolet lys til at fremkalde en kemisk reaktion. Dette fik 2-anthracencarboxylsyre (AC) molekyler, der adsorberede på metal nanohelices, til at gennemgå den kemiske reaktion og danne chirale molekylære produkter, som ligner nogle chirale lægemidler. Når AC blev fastgjort til overfladen af ​​de højrehåndede metal nanohelices og udsat for ultraviolet lys, det producerede fortrinsvis "højrehåndede" chirale molekylære produkter. Af samme grund, når AC blev adsorberet på overfladen af ​​de venstrehåndede metal nanohelices og udsat for ultraviolet lys, det producerede fortrinsvis "venstrehåndede" chirale molekylære produkter. Med andre ord, chiraliteten af ​​det molekylære produkt kan pålideligt bestemmes af chiraliteten af ​​metal nanohelices, som styres af substratets rotationsretning.

Forskningen viser, at styring af substratrotationsretningen på et makroskopisk niveau bekvemt kan manipulere molekylær chiralitet. Dette er en hidtil uset anvendelse af makroskala-metoden (gennem styring af rotationsretningen af ​​en 4-tommers substratholder) til at manipulere chiralitet på molekylær skala (chirale molekylære produkter i intervallet en milliardtedel af en meter) .

Grøn tilgang til at reducere lægemiddelbivirkninger

"Vores succes med at manipulere molekylær chiralitet gennem makroskopisk konstruktion muliggør bekvem syntese af lægemidler i enkelt-enantiomerformer med kun venstre- eller højrehåndethed. Derfor, det vil hjælpe med at slippe af med det negative, nogle gange dødelig, bivirkninger af mange terapeutiske lægemidler, " sagde Dr. Huang.

Anvendelsen af ​​chirale ligander i den konventionelle metode til asymmetrisk syntese er uundgåelig, og det kan forårsage, at forurening kommer ind i miljøet. I modsætning, i denne nye tilgang kan metal nanohelices bruges gentagne gange til at producere enkelt-enantiomer lægemidler uden brug af chirale ligander. Som resultat, det baner vejen for masseproduktion af overkommelige terapeutiske lægemidler, der er fremstillet på en skalerbar måde med genanvendelige materialer.