Krystalklare billeder af fremtidens lægemidler

Fejl, som kunne være farlige for patienterne og koste virksomhederne astronomiske summer, bliver forebygget, længe inden en ny type medicin kommer på markedet. Det er den vigtigste grund til, at en række medicinalvirksomheder rutinemæssigt trækker på afdelingen for fysisk kemi på DTU Kemi. Afdelingen råder over røntgenudstyr, som kan afdække placeringen af de enkelte atomer i et molekyle. Det er interessant i en lang række forskningsmæssige sammenhænge, og når instituttet nu har udstyret og ekspertisen til at bruge det, kan metoden også komme virksomhederne – og i sidste ende patienterne – til gavn. ”Vores behov for røntgenundersøgelser af enkelt-krystaller er ikke så stort, at det kan betale sig for os selv at anskaffe udstyret og vedligeholde det. Vi er meget tilfredse med at kunne samarbejde med forskerne på DTU, som altid er fleksible. Vi kunne næppe få resultaterne meget hurtigere, selvom vi havde udstyret hos os,” siger Kim Nielsen, der er research scientist i spektroskopi og fysisk kemi i LEO Pharma A/S. Virksomheden med hovedsæde i Ballerup udvikler og producerer medicin til behandling af hudsygdomme og producerer desuden en række produkter til behandling af kritiske sygdomme som blodpropper og nyresvigt. 

Stærke data til patentansøgningen 

Når virksomheden har en kandidat til et nyt lægemiddel, vil Kim Nielsen og hans kolleger i første omgang udføre røntgenundersøgelser af en række forskellige, næsten ens varianter af stoffet i pulverform. Det udstyr, der skal bruges til den opgave, har virksomheden selv. Når man står tilbage med et eller to særligt interessante molekyler, vil man forsøge at dyrke enkelte krystaller. I en krystal er atomerne arrangeret i et gitter. Selvom de organiske molekyler, der bruges i lægemidler, som udgangspunkt er bøjelige og under naturlige betingelser forekommer opløst i vand eller et opløsningsmiddel, så kan det ofte lade sig gøre at få dem til at danne en krystal under rette temperatur og tryk. For at lykkes med at krystallisere organiske molekyler må man først oprense stoffet til meget stor renhed. Dernæst danner man en væske, hvor der er en meget høj koncentration af stoffet. Endelig skal man tilsætte et eller flere kemikalier, som kan få krystalliseringen til at starte. Der er ingen patentopskrift. Hver gang man skal krystallisere et nyt stof, må man til en vis grad prøve sig frem. ”Man kan være heldig at lykkes med at få sin krystal allerede den første dag, men man kan også være uheldig, at det driller. Så kan det vare flere måneder, og i sjældne tilfælde kan det vise sig at være umuligt,” fortæller Kim Nielsen. Men har man først en krystal, er det muligt at bestemme, nøjagtigt hvordan atomerne i molekylet sidder i forhold til hinanden. Typisk vil LEO Pharma fremstille 50-100 krystaller af molekylet, så forskergruppen på DTU Kemi har nogle at vælge mellem, når de efterfølgende skal bestemme strukturen. ”Enkelt-krystal-data er simpelthen det stærkeste datasæt, du kan have, når du står over for at ansøge om et patent. Desuden bruger vi resultaterne i vores videre udviklingsarbejde – måske kan de inspirere os til at finde et andet stof, der er endnu bedre egnet til formålet,” siger Kim Nielsen. 

Skrækeksemplet thalidomid 

I dag er det ikke nok at fremstille et stof og teste det på et stort antal patienter, når man vil markedsføre en ny type medicin. Man skal dokumentere, præcis hvordan stoffet er opbygget. Det skyldes blandt andet, at mange af de organiske stoffer, der bruges som lægemidler, udviser polymorfi. Det vil sige, at stoffet kan krystallisere forskelligt – for eksempel i enten en trigonal eller heksagonal struktur. Desuden kan nogle stoffer være chirale – det vil sige findes i to forskellige, spejlvendte udgaver. Både polymorfi og chiralitet kan afsløres med enkeltkrystal- strukturanalyse. Forskellene på varianterne virker ubetydelige, men effekten kan være dramatisk. Et eksempel er sovemidlet thalidomid, som blev markedsført i 1950’erne af tyske Chemie Grünenthal. Det molekyle, som er det aktive stof i præparatet, er chiralt. Men dengang var der ingen, der tillagde eksistensen af to spejlvendte former betydning. Man vidste ikke, at hvor den ene form har den ønskede effekt som mildt sovemiddel, er den anden skadelig for fostres udvikling. Netop fordi der var tale om et sovemiddel, som var mildt, blev thalidomid anbefalet til gravide. Resultatet blev nyfødte med svære misdannelser som manglende arme eller ben. Først flere år senere blev årsagen afdækket. Siden har lægemiddelmyndighederne forlangt dokumentation for strukturen af de molekyler, som virksomhederne søger om godkendelse til. ”Nu er thalidomid et ekstremt eksempel. Som regel er de uønskede former af et lægemiddel-molekyle ikke direkte farlige for patienterne – men de har måske en dårligere effekt end den ønskede form eller er simpelthen virkningsløse. Hvis virksomheden ikke har taget højde for det, risikerer den at skulle trække sit produkt tilbage,” forklarer Kim Nielsen. 

Milliarder står på spil 

Netop polymorfi skabte i 1998 problemer for Abbott Laboratories, som måtte trække en tablet-udgave af produktet Ritonavir, der var udviklet til brug for hiv- og aids-behandling, tilbage fra markedet. Da produktet blev taget i brug, begyndte det aktive stof at danne en mere stabil polymorf end den, der var brugt under de kliniske test. Som følge af den øgede stabilitet var opløseligheden mindre. Det betød en effekt, der var ringere end under forsøgene. Senere lykkedes det virksomheden af få styr på polyformien, så produktet igen kunne lanceres, men tabet løb op i milliarder. ”Ud over al den spildte markedsføring vil det forsinke hele projektet i flere år, når man trækker et produkt tilbage. Man skal stort set bygge sin dokumentation op fra grunden. Dertil kommer, at et patent kun løber i tyve år. Normalt er de første ti år allerede gået, når man markedsfører sit produkt, så hvis man taber yderligere nogle år, er der efterhånden ikke lang tid tilbage til at opnå en indtjening, inden patentet løber ud,” forklarer Kim Nielsen. Hvis det aktive stof til et muligt lægemiddel eksisterer i polymorfe former, skal der som udgangspunkt være dokumentation for, at virksomheden er i stand til at fremstille stoffet på en måde, så kun den ønskede form forekommer. Skulle det imidlertid være umuligt at undgå en eller flere andre former, er det ikke udelukket at opnå godkendelse. Men så skal der være grundige kliniske undersøgelser for mulige effekter af de andre former. Desuden skal det nøjagtige forhold mellem de forskellige former i præparatet dokumenteres – og her kommer røntgenkrystallografien igen ind i billedet. ”Tingene bliver yderligere kompliceret af, at fordelingen mellem forskellige former af samme stof i et præparat kan ændre sig ved forskellige temperaturer. Undersøgelserne af strukturen hjælper os også med at finde ud af, hvor meget af de forskellige former af et stof, som vil findes under forskellige forhold,” siger Kim Nielsen. 

Røntgen fælder dommen 

Fordelingen af de polymorfe former har blandt andet betydning for den forventede holdbarhed af præparatet. Desuden kan fordelingen have stor betydning for, hvordan stoffet vil opføre sig, når det kommer ind i kroppen. Der kan være stor forskel på, hvor hurtigt de forskellige former opløses i kroppen, og hvor hurtigt de er til rådighed for kroppen – den såkaldte biotilgængelighed. Endelig er enkelt-krystal-undersøgelserne interessante dels for såkaldte hydrater, hvor der ligger vand i krystalgitteret efter produktionen, og solvater, hvor der ligger et opløsningsmiddel som for eksempel ethanol i gitteret. ”Solvater vil man egentlig helst undgå, men nogle gange kan det være umuligt. Så gælder det om at sikre sig, at opløsningsmidlet er effektivt bundet og ikke placeret i kanaler, så man risikerer, at det pludselig frigives og ændrer stoffets egenskaber. Røntgenundersøgelserne kan give os sikkerhed. Så ved vi, om vi kan arbejde videre med molekylet eller må afskrive det,” slutter Kim Nielsen.