应用文档 - 磁共振

DNP用于有机小分子结构研究:制药应用

大约80%的活性药物成分(API)是以固体形式给药的,其中大多数显示出多态性。

大约80%的活性药物成分(API)是以固体形式给药的,其中大多数显示出多态性。在制备过程中,API经常暴露于可能导致多态性转变的侵入性工序(例如造粒、挤压、研磨、压实等)中。由于每一种多态性都具有一组独特的物理和化学性质,因此多态性转变会影响药物活性并涉及到专利权。因此,在制备前、制备中和制备后对API结构进行评估对于制药行业至为重要。

本文着重介绍了NMR技术在对天然同位素丰度(NA)下用作API的小粉末有机化合物的原子级结构分析中的最新进展,这些进展只有依靠固体动态核极化(DNP)NMR的最新技术和理论进步才能实现。

API结构研究用DNP样品的制备方法

于2010年在布鲁克向市场推出第一台DNP用商用波普仪后不久,DNP在对薄弱的、此前难以触及的固体材料部分,如表面、链端、分支位置、缺陷等的研究中所产生的影响很快变得更加清晰。然而,只有通过适当的样品制备程序,以便在不改变固体样品完整性的情况下加入极化剂后,DNP在药物化合物结构研究中的价值才会变得显而易见,如所谓的始润浸渍法[1]或基于喷雾干燥和非晶固体分散体的热熔挤出法[2]。由于能够获得在避免破坏样品的情况下将极化剂加入样品的可靠方法,使得利用标准NMR技术在有机小分子上不可行甚至不可能进行的NMR实验成为可能,并因此通过DNP开辟了阐释API和固体制剂结构的新途径。

从空间接近性到核间距:“定量”DNP

但就在几年前,在利用DNP对药物固体进行研究时,大多数情况下,也只能提供关于API结构或固体制剂形态的定性细节,通常用原子间的空间接近性表示。在最近发表于Wiley期刊 Angewandte Chemie国际版的一篇论文中,来自艾克斯-马赛大学(University of Aix-Marseille)的一个研究小组首次表明,DNP还可以测量NA API上碳原子核之间的核间距[3]。

具体而言,通过DNP利用不同偶极演化时间获得的一系列双量子/单量子(DQ/SQ)13C-13C偶极相关谱中,所出现的相关峰的强度提供了对最高6.5 Å的碳-碳核间距敏感的定量结构约束。作者提出了一种不依赖于第一性原理计算的直接方法,将这些13C NMR偶极数据与API的晶体结构联系起来。

通过DNP获得的结构约束以偶极积累曲线的形式出现(参见图1),取决于固体结构中的一组核间距。根据结构中原子位置的知识,可以很容易地计算出一个试验结构所预期的累积曲线。对于所分析的所有相关峰,可提供与实验曲线最佳匹配的结构则被识别为正确的多态性。

该方法在一个NA粉末茶碱样品上得到了验证,证明了该方法对固体中的API分子构象以及在固体API中普遍存在的独特超分子基序(如π-π堆积)都非常敏感。重要的是,用不到一个周末的时间(离开DNP则需近20年!)就能在NA茶碱上获得这些波普,这完全是由于DNP的绝对灵敏度大幅提高才得以实现的。

利用通过DNP得到的独特的结构约束,可以快速有效地鉴别API茶碱的晶体结构。我们预计,将此方法与粉末X射线衍射、晶体结构预测、NMR化学位移的第一性原理计算相结合,将为粉末药物3D结构阐释铺平道路。

参考文献:

  1. A.J. Rossini、A. Zagdoun、F. Hegner、M. Schwartzwälder、D. Gajan、C. Copéret、A. Lesage、L. Emsley;J. Am. Chem. Soc. 134, 16899 (2012)
  2. Q.Z. Ni、F. Yang、T.V. Can、I.V. Sergeyev、S.M. D’Addio、S.K. Jawla、Y. Li、M.P. Lipert、W. Xu、R.T. Williamson、A. Leone、R.G. Griffin、Y. Su;J. Phys. Chem B 121, 8132 (2017)
  3. G. Mollica、M. Dekhil、F. Ziarelli、P. Thureau、S. Viel;Angew. Chem. Int. Ed. 54, 6028 (2015)
图1:DNP可以提供天然同位素丰度下粉末API的独特定量结构约束,从而准确可靠地阐释其3D结构。