Krystallografi i farmaceutisk tjeneste
I jagten på nye og bedre lægemidler fremstilles et meget stort antal stoffer. Det vil være yderst værdifuldt at kunne forudsige stoffernes egenskaber - allerede mens de endnu er på tegnebrættet. For at det kan lykkes, er der behov for eksperimentelle data om lægemiddelstoffers og hjælpestoffers krystalstrukturer.
Mange lægemiddelstoffer og hjælpestoffer, som anvendes i medicinindustrien, er krystallinske. Krystaller er opbygget af milliarder af molekyler eller atomer, som har arrangeret sig i et systematisk mønster, der gentages i alle tre dimensioner i det "uendelige".
Netop krystallers regelmæssige opbygning gør det muligt at opklare et lægemiddelstofs tredimensionelle struktur ved hjælp af røntgenstråling. Når en intens røntgenstråle sendes gennem en krystal af stoffet, spredes strålen af atomernes elektronskyer og danner et spredningsmønster.
Spredningsmønstret er ikke direkte forståeligt, men ved hjælp af beregninger kan mønstret omdannes til et billede af elektrontætheden i krystallen, som igen kan omsættes til entydige oplysninger om molekylets atomare opbygning, dets tredimensionelle facon, og hvordan molekylerne i krystallen er placeret i forhold til hinanden. Oplysningerne er vigtige for flere faser af lægemiddelforskningen.
Røntgenkrystallografiske undersøgelser kan skaffe viden om både små molekyler som lægemiddelstoffer og store molekyler, som de proteiner lægemiddelstofferne typisk påvirker i kroppen. Vi studerer små molekyler og gennem undersøgelserne opnås information, som giver øget forståelse af vekselvirkninger mellem små og store molekyler.
Spejlbilledformer
Mange biologisk aktive forbindelser er chirale. Det vil sige, at de er forskellige fra deres spejlbillede. De to spejlbilledformer er kemisk ens, men rumligt forskellige som højre og venstre hånd.
I naturen findes oftest kun den ene spejlbilledform, f.eks. aminosyrer og dermed proteiner, mens kemisk syntese af nye aktive forbindelser kan give en blanding af de to former.
Ofte er det kun den ene af to spejlbilledformer, som udviser biologisk aktivitet. I andre tilfælde udøver den ene form lægemiddelstoffets virkning, mens den anden form medfører bivirkninger. Ved design af nye mulige lægemiddelstoffer er det derfor vigtigt, at man kender den præcise rumlige opbygning af den spejlbilledform, som har den ønskede virkning.
Røntgenkrystallografiske metoder spiller en central rolle ved fastlæggelse af spejlbilledformernes tredimensionelle strukturer (stereokemi).
- Molekyler af det smertestillende lægemiddelstof paracetamol findes i mindst to forskellige krystalformer. Den øverste form er elastisk. Der er ikke nogle oplagte planer i krystallen, hvor molekylerne kan forskydes i forhold til hinanden. Resultatet er, at krystallen opfører sig som en fjeder. De elastiske egenskaber giver problemer ved komprimering af tabletter, og derfor må man benytte hjælpestoffer for at stabilisere tabletterne. Nederst ses en anden mere plastisk og mindre stabil krystalform af paracetamol, hvor molekylerne findes i lag. Under komprimering vil der kunne ske forskydninger mellem lagene i krystalpakningen, og denne krystalform kan komprimeres direkte.
Faste stoffer
- Når en krystal bestråles med røntgenstråler, opstår et spredningsmønster, som opsamles af en detektor. Baseret på spredningsmønstret kan man beregne et billede af elektrontætheden i krystallen, hvorefter molekylets atomer kan placeres. Resultatet giver entydig information om molekylets opbygning, dets facon og om foretrukne kontakter til nabomolekyler i krystalpakningen.
Mens metoder til fastlæggelse af molekylers tredimensionelle struktur, og herunder bestemmelse af spejlbilledformers stereokemi, er veletablerede, er der endnu ingen sikre veje til forståelse af faste stoffers mange andre egenskaber. Der er et stort behov for at forstå og ultimativt forudsige faste stoffers egenskaber, da denne viden vil have meget stor praktisk værdi i lægemiddelproduktionen.
Mange af de hjælpestoffer og lægemiddelstoffer, som anvendes i den farmaceutiske industri, er faste krystallinske stoffer. Krystallernes egenskaber, størrelse og form er vigtige faktorer i en lang række processer ved fremstilling af lægemidler såsom filtrering, granulering og komprimering.
Krystalpakningen er et kompromis mellem mange faktorer, f.eks. molekylernes elektronfordeling, deres konformation og fleksibilitet og deres vekselvirkninger med nabomolekylerne.
Molekylerne i krystallen antager ikke nødvendigvis den energimæssigt mest favorable konformation, men det er den konformation, som under de givne betingelser resulterer i den mest favorable krystalpakning.
Når man ændrer krystallisationsbetingelserne f.eks. ved anvendelse af nye opløsningsmidler, ændret temperatur eller tryk, kan det undertiden bevirke, at der dannes en krystal med et nyt tredimensionelt mønster. Også urenheder kan påvirke krystallisationen og resultere i ændret krystallisation, og dette udnyttes undertiden.
Krystalpakning
- Vekselvirkningen mellem vand og overfladen af et krystallinsk lægemiddelstof er afgørende for, om stoffet kan blive opløst i vandige medier. Figuren viser vekselvirkningen mellem vand og overfladen af krystallinsk urinstof. Baseret på røntgenstrukturen af urinstof simuleres vekselvirkningen mellem vand og urinstof. Resultatet er et mål for den energi, som er nødvendig for, at krystallen kan opløses i vandet. Jo højere energi, jo lavere forventes opløseligheden at være.
Som et eksempel kan det nævnes, at det meget anvendte smertestillende lægemiddelstof paracetamol findes i mindst to krystalformer.
Den mest stabile form af paracetamol har elastiske egenskaber, som giver problemer ved komprimering af tabletter. Ved fremstillingen må der derfor anvendes hjælpestoffer for at stabilisere tabletten. De elastiske egenskaber hænger sammen med molekylernes indbyrdes kontakter i krystallen.
Paracetamol findes også som en mindre stabil form. Her er krystalpakningen mere lagdelt, og det giver mere plastiske egenskaber, hvorved paracetamol kan komprimeres direkte uden brug af hjælpestoffer. Men desværre er det vanskeligt at opnå denne form ved udkrystallisation fra en opløsning, da den er mindre stabil. Af den grund er den elastiske form af paracetamol blevet anvendt i tabletter.
Forskellige krystalpakninger af et stof medfører altså forskellige egenskaber. Det gælder også for opløseligheden, som er vigtig for biotilgængeligheden af et lægemiddelstof. Denne problemstilling er meget vigtig i farmaceutisk sammenhæng, fordi lægemiddelstoffer skal opløses, f.eks. i mave-tarmsaften, for at komme ud i blodet.
Øget forståelse af et stofs opløselighed kan man opnå ved at se på vekselvirkninger mellem krystallens overflade og det anvendte opløsningsmiddel. Et eksempel er vekselvirkningen mellem vand og overfladen på en krystal af urinstof. Her konkurrerer vandmolekylerne mod kontakterne mellem urinstofmolekyler i krystalpakningen. Kontakterne i pakningen skal brydes, og nye kontakter til vandet skal etableres for at opnå, at urinstoffet går i opløsning.
Simuleringer benyttes oftest til at illustrere forskelle i vekselvirkninger på krystaloverfladerne på forskellige krystalformer af samme stof. Metoderne er endnu under udvikling, og der arbejdes ihærdigt på en bedre håndtering af de intermolekylære vekselvirkninger, som observeres i krystaller.
Databaser
Den store mængde af kendte strukturer er et vigtigt arbejdsredskab for øget forståelse af faste stoffers egenskaber. I dag samles data for alle publicerede krystalstrukturer af organiske og metalorganiske forbindelser i Cambridge Structural Database (CSD). Databasen indeholdt i april 2002 omkring 255.000 strukturer - et tal der årligt vokser med ca. 20.000.
CSD kan benyttes som kilde for systematiske studier af bestemte molekylfragmenter; hvilke konformationer antager de oftest, og hvilke kontakter til omgivelserne er foretrukne. Denne type af oplysninger har stor betydning både ved undersøgelser af materialeegenskaber og ved design af nye forbindelser, når man f.eks. kender det sted på receptoren, som lægemiddelstoffet skal vekselvirke med.
Forudsigelser
Som led i lægemiddelforskning fremstilles et meget stort antal forbindelser. Det ville være yderst værdifuldt, såfremt man var i stand til at forudsige disse forbindelsers egenskaber allerede mens de var på tegnebrættet. Men man kan endnu ikke forudsige krystalstrukturer. Fremtrædende forskere sagde for ti år siden: "Det er umuligt". Nogle siger nu: "Det bliver måske muligt".
Mangfoldigheden af kendte strukturer har imidlertid gjort det åbenlyst, at der er visse hovedregler, som molekylerne følger, selv om de ofte gør noget andet.
