Zespół prof. zw. dr. hab. Mariana Palucha z Zakładu Biofizyki i Fizyki Molekularnej prowadzi badania nad właściwościami struktur amorficznych i ich wykorzystaniem w przemyśle farmaceutycznym

Jak przyspieszyć działanie leków?

Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego pracujący pod kierunkiem prof. dr. hab. Mariana Palucha badają struktury, które w przyszłości mogą przyspieszyć i poprawić działanie leków dostępnych na rynku farmaceutycznym. Interesującą ich strukturę mają tzw. ciała amorficzne (bezpostaciowe), łączące w sobie pewne cechy ciał stałych i cieczy, których właściwości testuje i opisuje grupa prof. Palucha. W ubiegłym roku Narodowe Centrum Nauki przyznało zespołowi dofinansowanie w wysokości ponad 5 mln złotych na kontynuację badań naukowych.

Prof. zw. dr hab. Marian Paluch z Zakładu Biofizyki i Fizyki
Molekularnej UŚ
Prof. zw. dr hab. Marian Paluch z Zakładu Biofizyki i Fizyki Molekularnej UŚ

Ciała amorficzne

– Szacuje się, że ponad 35 proc. substancji leczniczych w dostępnych lekach oraz ponad 70 proc. związków, które są potencjalnymi nowymi farmaceutykami, to substancje o małej dostępności biologicznej ze względu na słabą rozpuszczalność w wodzie. Jedną ze ścieżek mogącą poprawić ich biodostępność jest tworzenie tzw. leków amorficznych – mówi prof. Marian Paluch z Zakładu Biofizyki i Fizyki Molekularnej UŚ.

W tej chwili najwygodniejsze i najbezpieczniejsze jest sprzedawanie farmaceutyków, w których substancje lecznicze występują w formie krystalicznej, producenci mają bowiem pewność, że tak przygotowany lek nie zmieni swojej struktury z upływem czasu i będzie zawsze łatwo identyfikowalny.

Naukowcy badają jednak inne formy substancji aktywnych (leczniczych) rewolucjonizujące rynek farmaceutyczny. Mowa o tzw. lekach amorficznych, które z założenia mają działać szybciej dzięki lepszej biodostępności i będą dostarczane do organizmu pacjenta w mniejszych dawkach. Aby jednak zrozumieć, dlaczego jak na razie dostępność leków amorficznych jest ograniczona, trzeba najpierw poznać ich niezwykłe i skomplikowane właściwości, o których z entuzjazmem opowiada prof. Paluch.

– Moja przygoda z nauką zaczęła się od badania cieczy, które w efekcie procesu przechłodzenia nie krystalizowały, lecz utrzymywały nieuporządkowaną strukturę molekularną – wspomina naukowiec i dodaje od razu, że jest to podstawowa różnica między dwoma stanami skupienia materii: formą amorficzną i krystaliczną.

Jeśli zaczniemy obniżać temperaturę „klasycznej” cieczy i zbliżymy się do właściwej jej temperatury krzepnięcia, rozpocznie się proces krystalizacji, a otrzymana struktura będzie przypominać regularną sieć uporządkowanych cząsteczek. Istnieją jednak pewne substancje, które, mimo iż utrzymane w temperaturze poniżej granicy krzepnięcia, nie krystalizują, lecz zachowują strukturę nieuporządkowaną właściwą cieczom.

– Dobrym przykładem cieczy przechłodzonej jest miód, lepki, gęsty, niedający się formować, dlatego właśnie bezpostaciowy. Co ciekawe, po pewnym czasie może zacząć krystalizować, o czym wie zapewne każdy, kto przechowuje go w swojej spiżarni. Jest to zresztą naturalny proces uzależniony od czasu i temperatury, w jakiej przechowujemy słodki produkt – wyjaśnia fizyk.

Klasycznym przykładem ciała bezpostaciowego jest również szkło, które można nazwać zamrożoną cieczą. – Wyobraźmy sobie, że patrzymy na zdjęcie struktury zwykłej cieczy. Mielibyśmy przed sobą pewien chaotyczny układ atomów. Takie samo zdjęcie cieczy w odpowiednio niskiej temperaturze poniżej progu zeszklenia również da nam obraz nieuporządkowanych atomów. Oko przeciętnego obserwatora nie dostrzeże różnicy, a przecież mamy przed sobą dwa różne stany skupienia! Specjalista mógłby natomiast wnioskować różnicę temperatur na podstawie zmian gęstości obu ośrodków. W przypadku stałych ciał bezpostaciowych cząstki, choć wciąż nieuporządkowane, są bardziej upakowane – komentuje prof. Paluch.

Prawie niewidoczna różnica ma jednak ogromne znaczenie dla zmiany właściwości fizykochemicznych ciał w fazie amorficznej, które mogą być wykorzystane właśnie w przemyśle farmaceutycznym.

W godzinach szczytu

Prof. Marian Paluch zainteresował się fazą amorficzną różnych substancji także ze względu na jej ciekawe właściwości. Jak przyznaje, jednym z bardziej interesujących aspektów jest stan nierównowagowy tej fazy.

– Klasyczne przejście fizyczne polega na przejściu z jednego stanu równowagowego do drugiego. Tymczasem w przypadku powstawania w fazy amorficznej obserwujemy przejście od stanu równowagowego do nierównowagowego. Oznacza to, że w skali czasu porównywalnej z czasem relaksacji strukturalnej, o której będzie jeszcze mowa, materiał zmienia swoje parametry. Jeśli wykonam pomiary gęstości czy współczynnika dyfuzji molekularnej, będą one ulegać zmianie w czasie. Jako fizyk eksperymentator muszę zatem odpowiedzieć na pytanie, co dokładnie się zmienia, w jakim czasie i jakie to ma przełożenie na właściwości naszego materiału. To jest wyzwanie, którego się podjąłem – mówi naukowiec.

Aby lepiej wytłumaczyć interesujące właściwości ciał amorficznych, prof. Paluch wraca wspomnieniami do jednej ze swoich podróży do Tokio. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się ruchliwość molekuł wynikająca z malejącej energii kinetycznej i rosnącej gęstości układu.

Zespół badawczy prof. dr. hab. Mariana Palucha
Zespół badawczy prof. dr. hab. Mariana Palucha

– Widziałem coś podobnego w tokijskim metrze, w godzinach szczytu. Ludzie wciąż przybywali, zmęczeni pracą, poruszający się jakby w zwolnionym tempie w rosnącym tłumie. Podobnie jest z molekułami w fazie amorficznej. Mają mniejszą energię i w coraz większym „ścisku” nie są już w stanie poruszać się tak szybko i swobodnie, jak w przypadku klasycznych cieczy – tłumaczy naukowiec. – Zmiana ruchu molekuł pociąga za sobą nową własność, którą udało mi się opisać w ramach jednego z projektów badawczych – dodaje. Okazało się, że molekuły w fazie amorficznej cechuje tzw. ruch kolektywny, nie obserwowany ani w cieczach, ani w kryształach (w tych ostatnich żadna z cząsteczek nie ma możliwości zmiany swojego otoczenia).

Przenieśmy się na moment ze stacji tokijskiego metra do sali gimnastycznej w pewnej szkole podstawowej. Dzieci mające dużo energii biegają chaotycznie i prawie niezależnie od siebie. Nie interesuje ich ruch kolegów, a że czasem dojdzie do kolizji… nie szkodzi. Jak wyjaśnia prof. Paluch, w podobny sposób zachowują się również molekuły w cieczy. Mają dużo przestrzeni i energii, poruszają się więc swobodnie, chaotycznie i niezależnie od siebie. – Taki ruch nie byłby już możliwy w zatłoczonym tokijskim metrze, do którego wracamy. Jeśli utknęliśmy w środku przedziału i zbliżamy się do stacji docelowej, nie pozostaje nam nic innego, jak logicznie zaplanować wyjście. Kilka osób musi się przesunąć, byśmy mogli przejść. Ruch zaczyna więc mieć charakter kolektywny: moje działanie nie zależy już tylko ode mnie, lecz przede wszystkim od możliwości, jakie daje mi otoczenie – opowiada naukowiec. Jak dodaje, takie określenie dotyczy również mikroświata. W procesie przechładzania cieczy ruchy molekuł zaczynają mieć taki właśnie charakter. Możemy to zaobserwować na przykład w szkle, w stopach polimerów czy w bursztynie.

Czas, w jakim nastąpi reorganizacja lokalnej struktury cieczy, nazywany jest w fizyce czasem relaksacji strukturalnej. – W cieczy zmiany te zachodzą bardzo szybko i liczone są w rzędach pikosekund (10-12). W temperaturze zeszklenia molekuły poruszają się zdecydowanie wolniej, a czas ich ruchu mierzymy nawet w hektosekundach (102). W mikroświecie różnica jest więc ogromna i stanowi wyzwanie dla eksperymentatorów – mówi fizyk.

W swoich badaniach prof. Paluch wskazał dwa czynniki, które mają wpływ na zmianę czasu relaksacji strukturalnej ciała amorficznego. Okazało się, że za tak znaczne spowolnienie ruchliwości molekuł odpowiadają fluktuacje termiczne oraz gęstość układu amorficznego. Fizyk sprawdzał na przykładzie różnych materiałów, który z dwóch czynników może mieć dominujące znaczenie. Okazało się, że rola fluktuacji gęstości i temperatury zależy od rodzaju oddziaływań międzycząsteczkowych występujących w poszczególnych związkach.

– Udowodniłem, że fluktuacja gęstości odgrywa większą rolę w cieczach z oddziaływaniami van der Waalsa, natomiast zmiany termiczne najbardziej wpływają na dynamikę molekularną cieczy z wiązaniami wodorowymi – tłumaczy naukowiec.

Chęć badania wpływu fluktuacji gęstości, która stała się głównym wątkiem dalszych badań, wymagała również zbudowania specjalistycznego stanowiska do badań w warunkach wysokiego ciśnienia, dzięki któremu można byłoby śledzić wpływ upakowania na dynamikę molekularną, czyli badać zmiany ruchliwości molekuł w bardzo szerokim zakresie czasów relaksacji strukturalnej.

– Dziś z dumą podkreślam, że mamy jedno z najlepszych laboratoriów na świecie. Co więcej, brałem udział w konstruowaniu podobnych stanowisk w wielu jednostkach badawczych w Europie, Azji i Ameryce Północnej. W najbliższym czasie planujemy rozpocząć również sprzedaż gotowych zestawów do pomiarów dynamiki molekularnej w ramach komercjalizacji badań – zapowiada naukowiec.

Szybciej, lepiej i bezpieczniej

Liczba wyzwań jednak nie maleje, ponieważ istnieje wiele czynników determinujących fizyczną stabilność formy amorficznej. Badanie owych czynników ma bowiem kapitalne znaczenie dla wprowadzenia substancji w fazie amorficznej na rynek farmaceutyczny. Konwertowanie leczniczych substancji aktywnych do postaci amorficznej wydaje się niezwykle ciekawym pomysłem, ale jest także źródłem wielu problemów. Prof. Paluch zwraca uwagę na trzy zadania, które stawia przed sobą jego zespół.

Po pierwsze – nie wszystkie substancje dają się łatwo przekształcać w formę amorficzną. Czasem proces ten wymaga skomplikowanej aparatury i odkrywania nowych metod konwertowania.

Po drugie – uzyskana forma amorficzna musi także być utrzymana przynajmniej na okres ważności leku, czyli przeważnie przez 3 lata od momentu wprowadzenia go na rynek. Takie formy mogą krystalizować, wtedy ponownie przyswajalność substancji aktywnej zmniejsza się i traci się to, co udało się wcześniej uzyskać.

Po trzecie wreszcie – właściwości substancji w fazie amorficznej zmieniają się z czasem, dlatego naukowcy muszą poznać czynniki mające wpływ na te zmiany i na przebieg całego procesu.

– Kilka problemów udało nam się już rozwiązać. Wiemy, jak badać formy amorficzne. Teraz, w ramach nowego projektu rozpoczętego w ubiegłym roku wraz z naukowcami z Uniwersytetu Jagiellońskiego, będziemy opisywać wpływ różnych czynników na zmiany właściwości substancji w fazie amorficznej. Dzięki temu dowiemy się, jak ten stan utrzymać. Mamy już kilka metod stabilizowania układu i związanych z nimi patentów. To przybliża nas do nawiązania efektywniejszej współpracy z przedstawicielami przemysłu farmaceutycznego i do wprowadzenia leków amorficznych na rynek – zapowiada naukowiec.

Autorzy: Małgorzata Kłoskowicz
Fotografie: Foto: Archiwum M. Palucha