Moderne naturstofkemi: effektiv analyse af naturens stofbiblioteker
Den biologiske mangfoldighed, biodiversiteten, betyder en endnu større mangfoldighed af kemiske indholdsstoffer, en kemodiversitet. Moderne teknologi giver nye muligheder og fornyet interesse for naturens stofbiblioteker i udviklingen af lægemidler.
Dan Stærk, Else Lemmich, Henrik Franzyk, John Lemmich, Søren Brøgger Christensen og Jerzy W. Jaroszewski
Fra lægemiddelforskning 2000
At naturen er en rig kilde til lægemidler er der mange velkendte eksempler på: morfin fra opiumvalmuen, kinin fra kinabark, de hjertevirksomme digitalisglykosider fra fingerbølplanten og penicillin fra penicilliumsvampen. Mindre kendte er nok nyere tilføjelser til listen over naturstoffer, som har dannet basis for stærkt efterspurgt medicin: taxol fra takstræet, der bruges til behandling af kræft, artemisinin fra en kinesisk malurt, som anvendes i malariabehandling, samt mevastatin fra mikroorganismer, som bruges ved hjertesygdomme.
For at rationalisere afprøvningen af syntetiske stoffer for deres potentiale som lægemidler, har man gennem de sidste 10-15 år produceret såkaldte kombinatoriske biblioteker, det vil sige samlinger af beslægtede stoffer. Overfor denne, syntetisk skabte, kemiske mangfoldighed står naturens mangfoldighed, skabt ved evolution gennem 4 milliarder år, som langt overgår, hvad kemikere har fantasi og praktiske muligheder for at skabe. Problemet har hidtil været at få adgang til naturens store stofbibliotek uden alt for store praktiske vanskeligheder og økonomiske omkostninger.
Der er i øjeblikket en stærkt stigende interesse for naturstoffer som lægemidler, fordi den teknologiske udvikling nu giver mulighed for at udnytte de naturlige stofbiblioteker hurtigere. Udtrykket dereplikation anvendes om processen, som fører frem til en kemisk og biologisk karakterisering af bestanddele i en kompleks stofblanding; f.eks. en planteekstrakt.
Inspiration fra naturstofferne
Trods fremskridt inden for moderne sygdomsbehandling er der stadig områder, hvor der er behov for nye lægemidler og for en øget forskningsindsats. Dette gælder for eksempel infektionssygdomme, hvor mikroorganismers og parasitters udvikling af modstandsdygtighed over for de anvendte lægemidler i stigende grad vanskeliggør behandlingen af både mikrobielle og parasitære infektioner verden over.
Lægemidlerne fremprovokerer en biokemisk tilpasning af mikroorganismerne, så de kan tåle medicinen. Derfor er der til stadighed behov for nye ideer til mulige lægemidler, såkaldte ledestrukturer. En ny ledestruktur er et molekyle, som har en ny kemisk opbygning og også ofte en ny virkningsmekanisme. Ud fra en ledestruktur forsøger man at syntetisere forbedrede varianter. I søgen efter nye ledestrukturer kan man udnytte naturens kemiske mangfoldighed og underkaste naturstofbibliotekerne en farmakologisk testning.
Ved den traditionelle naturstofkemiske fremgangsmåde i arbejdet med biologisk aktive ekstrakter bliver størstedelen af tiden brugt til isolering og renfremstilling af det aktive stof, efterfulgt af kemisk karakterisering, som har til formål at fastlægge den kemiske struktur. Først derefter kan en farmakologisk karakterisering påbegyndes. Fremgangsmåden er ikke optimal på grund af den lange arbejdsproces, hvor isolering og oprensning varer adskillige måneder, før man kan begynde de farmakologiske undersøgelser, der skal vise, om der er tale om et lovende stof. Processen kan tidsmæssigt ikke konkurrere med en hurtig farmakologisk screening af allerede eksisterende samlinger af stoffer med kendt kemisk struktur eller med design og fremstilling af et syntetisk stofbibliotek. Sidstnævnte fremgangsmåder praktiseres i dag bredt i den farmaceutiske industri.
- Øverst: Traditionel søgen efter ledestrukturer fra naturstofkemiske biblioteker. Nederst: Fremgangsmåde der kombinerer separation med kemisk og biologisk karakterisering af en ekstrakt.
Moderne arbejdsprocesser
I nutidig videnskab sker der ofte en sammensmeltning af vidensdiscipliner og teknologier, der tidligere har været adskilt. Et eksempel herpå er en sammenkobling af en effektiv separationsprocess, som væskekromatografi (HPLC), med en slagkraftig metode til strukturopklaring som kernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR). HPLC er en kromatografisk separationsmetode, der karakteriseres ved stor separationsevne og hastighed. NMR-spektroskopi er i dag den bedste teknik til strukturbestemmelse af organiske stoffer, og dette område har der i mange år været satset stærkt på i den naturstofkemiske gruppe ved DFH.
Ved kombination af HPLC-separation og NMR-karakterisering i én arbejdsprocess vil man opnå en hurtig metode til karakterisering af stoffer i en kompleks blanding, altså en dereplikation. En frugtbar kombination af HPLC og NMR kræver imidlertid, at en række teknologiske problemer bliver løst. De vigtigste krav er, at NMR-delen udviser tilstrækkelig høj følsomhed, hvilket har kunnet opnås i de seneste år ved anvendelse af magneter med høj feltstyrke. Der ses nu en begyndende udvikling inden for HPLC-NMR, som er særdeles velegnet til "on-line" kemisk karakterisering af komponenterne i et naturstofbibliotek.
Kombineres dette med en indledende biologisk karakterisering i et panel af automatiserede tests, får man samtidig en hurtig undersøgelse af flere farmakologiske egenskaber. Kun de stoffer, der udviser interessante kemiske og farmakologiske karakteristika isoleres og oprenses præparativt. Hovedgevinsten er, at dereplikation af en ekstrakt nu kan gennemføres på dage eller uger, i stedet for flere måneder.
- Dereplikation af indolalkaloider fra barken af det afrikanske træ Corynanthe pachyceras. NMR spektre optages "on-line" af de enkelte toppe i kromatogrammet.
Nye ledestrukturer
Ved Danmarks Farmaceutiske Højskole er der en rig tradition for studier af farmakologisk aktive naturstoffer og derivater heraf. Identificering af et lovende naturstof efterfølges typisk af præklinisk farmakologisk karakterisering og medicinalkemisk udvikling - en modificering af naturstoffet, som har til formål at forbedre dets farmakologiske egenskaber.
Denne forskning har resulteret i identificering af en række stoffer og stofgrupper, som undersøges med henblik på en mulig videreudvikling mod anvendelse som lægemidler. Første eksempel er peptidkonjugater af thapsigargin, et naturstof fra middelhavsplanten Thapsia garganica. Disse stoffer undersøges for deres evne til at fremkalde organselektiv celledød ved prostatakræft. Det andet eksempel er licochalcon A, et stof med antiparasitære virkninger, isoleret fra en kinesisk lakridsrod. Det tredje eksempel er analoger til philanthotoxin-433, et neurotoksin fra en egyptisk hveps, som muligvis kan bruges til at behandle neurodegenerative sygdomme i hjernen. Ved syntetisk at modificere strukturen af dette naturstof, hvilket bl.a. er sket i samarbejde med Lundbeck A/S, er det lykkedes at opnå en langt større selektivitet og potens med hensyn til binding til det biologiske målmolekyle, end det er tilfældet for det naturlige toksin. I alle tre eksempler er de opnåede resultater så interessante, at en patenteringsprocedure enten er gennemført eller indledt.
Også den seneste forskning i den naturstofkemiske gruppe har resulteret i opdagelsen af en række naturstoffer med potentiale som medicinalkemiske ledestrukturer, især rettet mod malariaparasitter. Disse naturstoffer underkastes i øjeblikket prækliniske undersøgelser.
Der har fundet en oprustning sted med hensyn til farmakologiske tests, således at gruppen nu i egne laboratorier har faciliteter til at teste stoffer og ekstrakter med virkning mod malariaparasitter. Gruppen råder også over farmakologiske testmetoder baseret på både sensitive og resistente cancercellelinier og der arbejdes stadig på at udvide det tilgængelige testpanel.
Moderne bioteknologi samt kortlægningen af det humane genom skaber viden om nye terapeutiske angrebspunkter ved sygdomsbehandling. Den viden, kombineret med en rationel udnyttelse af naturstofkemiske biblioteker, giver stærkt forbedrede muligheder for en hurtigere udvikling af nye ledestrukturer på basis af naturens enorme kemodiversitet.
