藥物固體形態篩選新思路|實驗+預測藥物晶型篩選

晶型篩選方式:實驗VS實驗+預測

藥物固體形態篩選新思路|實驗+預測藥物晶型篩選

一、純實驗晶型篩選

傳統藥物固態形式的篩選流程是在設定大量篩選試驗,得到小分子藥物不同的潛在固體形態以後分別進行物理化學性質表徵[1]。根據大量的表徵資料,包括熔點、吸溼性、溶解度、穩定性溶出度、工藝可行性等篩選出優勢晶型。再最佳化相關晶型的單晶培養條件,得到相應晶型的晶體學資料從而為申報做準備。從固態形式的表徵到申報,藥物要經歷漫長的等待期,來探究藥物的相關性質及優勢晶型的單晶培養,這無疑會拖慢整個藥物研發的進度。

二、實驗+預測的晶型篩選

隨著近年來研究的深入,越來越多的案例表明不同的晶體結構表現出不同的效能。這提示我們或許可以在篩選初期透過晶體結構對相應固體形態的物理化學性質、相對穩定性以及工藝可行性作出合理預判,進而加快藥物研發的速度。例如吲哚美辛的α晶型比γ晶型更易於壓片,這是由於γ晶型的晶體結構包含滑移面,這在一定程度上增強了分子壓縮變形的能力。而α晶型因為更加緊密的分子排列顯示出更優的可壓縮性[2]。

藥物固體形態篩選新思路|實驗+預測藥物晶型篩選圖3.吲哚美辛的α及γ晶型的分子排布及壓力測試實驗結果[2]

同時,根據不同藥物晶型的晶體結構,可以計算出對應晶型的吉布斯自由能,根據吉布斯自由能推斷晶型的相對穩定性,對於優勢晶型的選擇也具有指導意義[3]。例如,磺胺噻唑(一種典型的抗菌藥物)存在五種多晶型(FI,FV, FIV, FII和FIII),根據各晶體結構資料計算出特定條件下吉布斯自由能最低的晶型,從而根據藥物的應用場景選擇合適的優勢晶型。

藥物固體形態篩選新思路|實驗+預測藥物晶型篩選(a) 磺胺噻唑的多晶型的晶體結構資料

藥物固體形態篩選新思路|實驗+預測藥物晶型篩選(b) 磺胺噻唑的多晶型的晶體結構

藥物固體形態篩選新思路|實驗+預測藥物晶型篩選(c) 300K下,磺胺噻唑的多晶型的晶體相對穩定性

「純實驗」對比「實驗+預測」的晶型篩選

由此可見,晶型結構對於挑選優勢穩定晶型具有無與倫比的優勢。傳統固體形態研究中,獲得晶體結構的時機通常是經過了大量的篩選實驗和各個固體形態的效能表徵以後僅對優勢晶型進行單晶培養,進而實現晶體的結構解析。而在智慧財產權之戰的硝煙愈來愈濃的今天,藥物研發企業更加傾向於解析所有固體形態的晶體結構,實現更加完美的專利佈局。因此,對於藥物研發團隊來說,調整晶體結構解析的順序,不僅能夠指導後期篩選和工藝最佳化還能夠在藥物研發早期實現更加全面的專利佈局。

三、MicroED解決「實驗+預測「晶型篩選的關鍵瓶頸

然而,藥物研發初期很少能夠得到各個固體形態的完美晶體實現單晶解析。因此業內亟需推進新技術解決當前單晶培養難的問題進而加速藥物研發的程序。MicroED技術能夠越過單晶培養這一過程,直接在藥物研發初期對粉末晶體進行結構解析,這無疑是廣大藥物研發企業的最強助力,具有深遠而廣闊的應用潛能。

微晶電子衍射(MicroED,Micro Electron Diffraction)是一種利用冷凍電鏡解析微小晶體結構的技術,由於電子束與物質的作用遠強於X射線,可以解析X射線晶體學難以處理的奈米晶體結構。

在藥物小分子的固態研究領域,MicroED作為新工具能夠助力固體形態篩選。由於測試的高效性和普適性,MicroED能夠在篩選初期就對得到的微小晶體進行結構解析。根據不同藥物固態的結構預測其理化性質及工藝可行性,實現對優勢晶型的初步篩選,同時為藥物申報做好萬全準備。從而加速小分子藥物的固態研究。

四、結論

因此,我們可以在藥物固態研發早期透過MicroED解析出微晶的晶體結構預測不同的藥物固態形式的物化屬性之間的差異,例如熔點、密度、耐壓性等等。這樣不僅可以節省培養單晶所消耗的資源還能在穩定性、工藝可行性評估工作之前對藥物優勢晶型進行初步的篩選。從而避免大量資源的過多投入。

五、延伸閱讀:藥物的固體形態研究的重要性

藥物固態形式的篩選是透過各種實驗手段獲得藥物可能存在的各類固體型態,採用多種固態分析技術表徵各種型態的物理化學性質,採用多學科綜合手段評估優勢型態的生物製藥效能,以篩選出適合生產、生物利用度高、利於製劑的優勢藥物晶型。

眾所周知,藥物的固體形態會影響藥物活性分子(ActivePharmaceutical Ingredient,API)的溶解度、溶出速率、熔點、穩定性、可壓片性等效能,而這些效能對於藥效和一致性至關重要。因此,在整個藥物研發的過程中,都需要對原料藥及製劑中原料藥的固態形式進行監測,以保證各項特性及生物利用度的一致性[4-5]。藥物分子的固態形式通常包括多晶型、鹽型、共晶以及無定型。

對於藥物研發團隊來說,最幸運的情況莫過於在早期藥代動力學研究中選定的優勢晶型在產品上市以後依舊沒有面臨因轉晶引起的藥效或者一致性的風險。然而,人們常常認為這種烏托邦式的幻想與現實相去甚遠。事實上,如果在藥物研發中後期發現藥物的固體形態發生改變往往要進行新的、更加全面的多晶型研究、結晶工藝的最佳化以及新的製劑開發。一旦面臨這種情況,藥物或將面臨失去市場的風險。例如治療艾滋病的利托那韋(ritonavir)在生產過程中出現的轉晶現象,上市後一年多即發現該藥物由晶型I轉變成了晶型II,晶型II的溶解度較晶型I更低,從而使得藥物的有效劑量降低,最終藥物被迫從市場退出[4]。

另一方面,對於原研藥企,透過申請藥物晶型專利能夠獲得技術保護,在延長基礎專利保護期的同時可形成對仿製藥企業的專利障礙。例如葛蘭素公司的抗潰瘍藥物雷尼替丁(zantac),晶型I專利到期後又發現了目前作為藥物使用的晶型II,透過申請新的專利將其保護延長[6]。

綜合以上,API的固態研究應該貫穿整個藥物研發階段,一方面能夠在藥物研發早期對於藥物的固體形態進行優勢晶型的選擇從而規避風險;對於仿製藥企,透過研發不同的藥物晶型並請求專利保護,能夠繞開原研藥廠的專利屏障,在與原研藥企的競爭中另闢蹊徑,在市場中博取一席之地。

MicroED技術科研團隊

MicroED入選《Science》2018年度全球十大科技突破技術。

目前全球研究MicroED技術團隊有美國的TamirGonen和瑞典斯德哥爾摩大學的XiaodongZou。TamirGonen團隊的研究興趣一直在生物大分子方面。XiaodongZou團隊則在小分子方面獲得了非常豐碩的研究成果,例如沸石、MOFs等的結構解析,目前,也在生物大分子的結構解析方面取得了非常好的進展,例如第一次透過MicroED實現了未知蛋白質的結構解析(DOI:10.1126/sciadv.aax4621)。MicroED技術已經趨於成熟,出現了一些提供MicroED服務的公司,例如美國的NANOIMAGINGSERVICES,國內有青雲瑞晶。青雲瑞晶的技術來自瑞典XiaodongZou團隊,目前已經透過MicroED解出了幾十種物質的結構,涵蓋了藥物小分子、蛋白質等。

參考資料:

[1] Darko F; Kristina S; et al. CrystalStructure and Physicochemical Properties of Crystalline Form of 2-O-{3-[(7-chloro-4-quinolinyl)amino]propyl}-9-deoxo-9a-methyl-9a-aza-9a-homoerythromycin. Journal ofPharmaceutical Sciences, 2011, 100, 2586–2598

[2] Aitipamula, S et al. Polymorphism inMolecular Crystals and Cocrystals. Advances in Organic CrystalChemistry: Comprehensive Reviews 2015, 265-298.

[3] Xuan H; Jinfeng L et al. CrystalStructure Optimization and Gibbs Free Energy Comparison of FiveSulfathiazole Polymorphs by the Embedded Fragment QM Method at theDFT Level. Crystals 2019, 9, 256-256

[4] Renu C; Anupam S et al. CrystalStructures and Physicochemical Properties of Four New LamotrigineMulticomponent Forms. Cryst. Growth Des. 2013, 13, 858−870

[5] ZhenguoG; SohrabR et al. Recent Developments in the Crystallization Process:Toward the Pharmaceutical Industry. Engineering,2017,3, 343-353.

[6] Armas H, Peeters O, et al. Solid statecharacterization and crystal structure from X-ray powder diffractionof two polymorphic forms of ranitidine base. J Pharm Sci. 2009Jan;98, 146-58.