Badania fizyki ciała stałego pomagają projektować nowe leki

Badania z zakresu medycyny kojarzą się w NCBJ z Ośrodkiem Radioizotopów POLATOM. Nie jest to jedyny Zakład zajmujący się w Instytucie tą dziedziną nauki. Duży wkład w opracowanie nowych związków, przydatnych z punktu widzenia medycyny, mają również naukowcy z Zakładu Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego, dzięki zastosowaniu badań krystalograficznych.

Nowe, specjalistyczne leki są często opracowywane na podstawie badań aktywności biologicznej poszczególnych związków chemicznych. Mogą być one precyzyjnie syntetyzowane metodami chemii organicznej, co pozwala na porównanie oddziaływania z czynnikami biologicznymi związków różniących się w swojej budowie nawet pojedynczym atomem. Łącząc tego typu badania z oprogramowaniem pozwalającym modelować działanie syntetyzowanych cząstek, uzyskuje się szerokie możliwości wyszukiwania atrakcyjnych z punktu widzenia medycyny molekuł.

Przykładami związków chemicznych, nad którymi prowadzone są obecnie prace, mogą być tiazolidyny wraz z ich pochodnymi, jak również pochodne tiomocznika. Ich właściwości farmaceutyczne obejmują działania przeciwgrzybicze, przeciwzapalne, mogą również stanowić istotne środki w przypadku leczenia guzów i nowotworów. Ważną właściwością obu grup tych związków jest możliwość spowalniania działania niektórych enzymów – są ich inhibitorami. W tym przypadku testowane były zdolności inhibicyjne molekuł względem enzymów AChE (acetylocholinesterazy) i BChE (butyrylocholinesterazy), między innymi ze względu na ich istotną rolę w leczeniu np. jaskry i choroby Alzheimera.

Dla dokładnego zbadania i zrozumienia działania syntetyzowanych związków potrzebna jest doskonała znajomość ich właściwości fizycznych. W tym celu naukowcy z Uniwersytetu w Gujrat i Uniwersytetu COMSATS w Islamabad w Pakistanie połączyli siły z pracownikami Zakładu Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego NCBJ. Wytworzone przez Pakistańczyków związki musiały zostać poddane m. in. badaniom krystalograficznym z wykorzystaniem dyfraktometrii rentgenowskiej. W ten sposób można było precyzyjnie określić ich właściwości i dzięki temu modelować ich zachowanie względem enzymów.

„Wykorzystaliśmy technikę analityczną zwaną rentgenografią strukturalną, która pozwala na dokładne ustalenie struktury związku chemicznego, a w tym przypadku na ustalenie układu przestrzennego atomów w cząsteczce chemicznej oraz określenie, jakie jest wzajemne ułożenie cząsteczek chemicznych w analizowanym krysztale” – opisuje dr hab. n. farm. Jan K. Maurin, który przeprowadzał badania w Zakładzie Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego. „W tym celu kryształ naświetlaliśmy promieniami rentgenowskimi i rejestrowaliśmy natężenia promieniowania rozproszonego na badanym krysztale. Pomiary wykonaliśmy na czterokołowym dyfraktometrze monokrystalicznym z dwuwymiarowym detektorem CCD, który jest na wyposażeniu pracowni.”

Na zdjęciu powyżej zaprezentowany jest rentgenowski dyfraktometr monokrystaliczny wykorzystywany w rentgenografii strukturalnej. Ta technika analityczna pozwala krystalografom, chemikom i fizykom, na podstawie zarejestrowanych na tym urządzeniu obrazów dyfrakcyjnych określić strukturę krystaliczną badanego monokryształu. Wymiary pojedynczego kryształu powinny być w granicach 0,2 do 0,5 mm. Elementy zaznaczone na zdjęciu: 1. Lampa rentgenowska z kolimatorem formującym odpowiedni kształt wiązki promieniowania rentgenowskiego. 2. Stolik goniometru z zamocowanym monokryształem na główce goniometrycznej. 3. Dwuwymiarowy detektor promieniowania rentgenowskiego. 4. Kamera do obserwacji i ustawiania kryształu do pomiaru. 5. Wyświetlacz z obrazem z kamery. 6. Źródło promieniowania wykorzystywane do oświetlenia kryształu podczas ustawiania próbki. Światło wyprowadzone jest za pomocą światłowodów. 7. Głowica od przystawki niskotemperaturowej, dzięki temu urządzeniu można ustawić temperaturę na próbce i wykonać pomiar w temperaturze niższej od pokojowej.

Wyniki analiz krystalograficznych zostały również potwierdzone przez obliczenia chemii kwantowej wykonane na podstawie metody DFT (teoria funkcjonału gęstości) z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania. Badane związki były, następnie, analizowane pod kątem ich zdolności inhibicyjnych wobec wybranych enzymów AChE i BChE, jak również wykonano tzw. „docking studies”, czyli modelowanie przyłączenia syntetyzowanych związków do cząsteczek enzymu. Zarówno wytworzone pochodne tiazolidyny, jak i tiomocznika wykazały w tym zakresie obiecujące działanie. „Analizowane pochodne miały dobre własności inhibicyjne względem branych pod uwagę enzymów. W każdym przypadku modelowania przyłączenia, przynajmniej jeden z badanych związków oddziaływał w pożądany sposób z aminokwasami enzymów esterazy”– dodaje Jan Maurin. „Z przeprowadzonych badań wynika, że wytworzone w ramach obu prac związki mają duży potencjał biologiczny do zastosowań w medycynie”.

Badania zostały przedstawione w artykułach:

Aisha, Muhammad Asam Raza, Umme Farwa, Umer Rashid, Jan K. Maurin, Armand Budzianowski, Synthesis, single crystal, in-silico and in-vitro assessment of the thiazolidinones, Journal of Molecular Structure, Volume 1255, 2022, 132384, ISSN 0022-2860, https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2022.132384

Aisha, Muhammad Asam Raza, Sajjad Hussain Sumrra, Khadija Javed, Zenab Saqib, Jan K. Maurin, Armand Budzianowski, Synthesis, characterization and molecular modeling of amino derived thiazolidinones as esterase and glucosidase inhibitors, Journal of Molecular Structure, Volume 1219, 2020, 128609, ISSN 0022-2860, https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2020.128609

M. A. Raza, A. Sharif, M. Danish, S Ur Rehman, A. Budzianowski, J. K. Maurin, Theoretical and experimental investigation of thiourea derivatives: synthesis, crystal structure, in-silico and in-vitro biological evaluation, Bull. Chem. Soc. Ethiop. 2021, 35(3), 587-600; https://dx.doi.org/10.4314/bcse.v35i3.10