Snelle methode voor synthese van kandidaat-geneesmiddelen

RUG hoogleraar Geneesmiddelenontwerp Alex Dömling heeft een methode ontwikkeld om razendsnel duizenden nieuwe moleculen te maken en hun eigenschappen te onderzoeken. In een artikel dat op 5 juli verscheen in Science Advances laat hij zien dat zijn methode prima werkt met boorzuur-chemie, een belangrijke techniek in de synthetische organische chemie. Het onderzoek leverde een remmer op van fosfatase MptpB, een cruciaal enzym voor de bacterie die tuberculose veroorzaakt. Niet eerder is een middel gevonden dat dit doelwit aanpakt.

‘We gebruiken sterk verkleinde technologie om op een schaal van nanoliters geneesmiddelen te zoeken’, legt Dömling uit. ‘Daarmee kunnen we een groot aantal varianten maken van kandidaat-geneesmiddelen en ze screenen op de gewenste eigenschappen in een high-throughput systeem.’ Hij noemt het systeem dat hij eerder dit jaar presenteerde uniek voor de organische chemie: ‘Dit veld van onderzoek heeft high-throughput systemen nog niet echt omarmd, in tegenstelling tot andere vakgebieden.’

Bouwstenen

Dömling gebruikt acoustic dispensing (acoustische verdeling), een techniek die al ruim tien jaar bekend is in de celbiologie en biochemie. Opgeloste chemicaliën zitten in kleine ‘cups’ in zogeheten multititerplaten. Met pulsjes ultrageluid is het mogelijk druppels van enkele nanoliters uit zo’n cupje te schieten, naar een ander cupje in een omgekeerde plaat erboven. De druppeltjes blijven hierin plakken. Een computersysteem plaatst de ontvangende cupjes op de goede plek om daarin verschillende chemicaliën bij elkaar te brengen. De verschillende chemische bouwstenen kunnen dan met elkaar reageren.

‘Met deze methode kun je heel snel duizenden varianten van moleculen maken, door een groot aantal bouwstenen te gebruiken die net iets van elkaar verschillen’, vertelt Dömling. Voor een molecuul dat bestaat uit vier bouwstenen, die elk in duizend varianten beschikbaar zijn, kun je dus 10¹² varianten krijgen. ‘Met gewone methoden voor organische chemie zou het onmogelijk veel tijd kosten die allemaal te synthetiseren en te screenen.’

Eenpans methode

In het systeem van Dömling vormen zich een groot aantal varianten, elk in een apart cupje met een paar nanoliter vloeistof. De inhoud van die cupjes wordt vervolgens geanalyseerd met een massaspectrometer, om te zien of het gewenste molecuul ook echt is ontstaan. ‘Dat is onze kwaliteitscontrole, die bovendien informatie oplevert over de reactiviteit van de bouwstenen.’ Vervolgens worden de nieuw gemaakte moleculen getest op de gewenste eigenschappen.

In twee eerdere publicaties heeft Dömling beschreven hoe zijn methode werkt voor de synthese van twee klassen moleculen, isoquinolines en indoolverbindingen. Nu toont hij aan dat de methode ook werkt voor boorzuur-chemie, een belangrijk stuk gereedschap in de organische chemie. Boorzuren zijn belangrijk bij het maken van verschillende koolstofverbindingen, daarnaast kunnen ze ook de activiteit van eiwitten remmen.

In zijn nieuwe onderzoek hebben Dömling en zijn collega’s aangetoond dat de boorzuurchemie goed werkt in hun systeem. Normaal gesproken is synthese met behulp van boorzuur complex en kost het veel tijd, omdat de synthese stapje voor stapje plaatsvindt. De onderzoekers gebruiken een eenpans methode, waarbij alle ingrediënten tegelijk bij elkaar brengen onder milde condities. Daarom zijn er niet allerlei stappen nodig om het boorzuur te beschermen, wat de synthese eenvoudiger maakt.

Tuberculose

Wat de onderzoekers ook laten zien is dat de synthese is op te schalen, van de nanoliter naar milliliter schaal, met behoud van een goede opbrengst. De screening van de moleculen die in het nieuwe onderzoek zijn geproduceerd hebben een interessante verbinding opgeleverd, die werkt als remmer van het enzym MptbB fosfatase. Dit is een enzym dat zeer belangrijk is voor Mycobacterium tuberculosis. Dömling: ‘Tot nu toe werd deze klassen van fosfatases gezien als een waartegen geen enkel geneesmiddel effect kon hebben, vanwege de sterke lading van het enzym.’

Samenvattend tonen de nieuwe experimenten aan dat de ‘eenpans’ reactie met boorzuur onder milde condities in nano-hoeveelheden succesvol is en een goede opbrengst aan nieuwe verbindingen oplevert. ‘Wij denken dat onze aanpak het mogelijk maakt meer gebruik te maken van boorzuur-chemie voor toepassingen in synthese, chemische biologie en geneesmiddelenonderzoek’, zegt Dömling. De resultaten laten ook zien dat één high-throughput methode goed werkt voor verschillende soorten chemische reacties. ‘Ons uiteindelijke doel is om een geautomatiseerd systeem te ontwikkelen waarin kunstmatige intelligentie de mogelijke geneesmiddelen optimaliseert.’

Referentie: Constantinos G. Neochoritis et al: Rapid approach to complex boronic acids. Science Advances 5 July 2019.