Заказать звонок
Приложение масс-спектрометрии в
фармакологии
Масс спектрометрия применяется на многих стадиях фармацевтических исследований. Сегодня масс-спектрометрические методы с хроматографическим разделением ГХ-МС, ЖХ-МС и жидкостная хроматография с тандемной масс-спектрометрией (ЖХ-МС-МС) в значительной степени заменили ранее используемые методы оптической и ИК-спектроскопии. Масс- спектрометрические методы оказались значительно чувствительнее, специфичнее и более экспрессными. В отличие от спектроскопии они позволяют анализировать смеси и обнаруживать микропримеси.
Поскольку размер фармацевтического бизнеса велик — в среднем новое лекарство приносит выпускающей компании несколько миллиардов долларов в год, — то значителен и масштаб фармацевтических исследований. Фарминдустрия чрезвычайно наукоемкая, и более половины этих средств возвращаются обратно на фармацевтические исследования, включая разнообразные стратегии поиска новых лекарственных препаратов и анализа с помощью масс-спектрометрических комплексов. Целью фармацевтических исследований является создание новых лекарственных препаратов.
Фармацевтические исследования можно разбить на следующие 4 стадии:
Drug Discovery. Стадия поиска новых ’’кандидатов" — потенциальных лекарственных препаратов (Lead Candidate). Эта стадия включает синтез новых соединений, скринирование экстрактов из натуральных источников, а также определение активности, специфичности и токсичности лекарств-кандидатов. Для предпочтительных кандидатов рассматриваются каналы метаболизма для быстрого отсева неблагоприятных соединений. На этой стадии масс-спектрометрия является основным аналитическим инструментом и включена в разнообразные научно-исследовательские подходы.
Preclinical Development. Стадия характеризации лекарств-кандидатов. На этой стадии проводят предварительные испытания на культурах клеток и на животных. Кроме того, определяют химические свойства соединения, проверяют, насколько технологичным может быть производство лекарства, и определяют деграданты и метаболиты соединения в биосредах. Определение метаболизма лекарств является важным и ресурсоемким анализом. Здесь абсолютно незаменимы (ЖХ-МС-МС)-методы.
Clinical Development. Стадия клинических испытаний. На этой стадии проводят количественный анализ метаболизма и накопления лекарств в органах и биосредах от пациентов (опять же с помощью ЖХ-МС-МС) из достаточно большого пула. Эти исследования совмещают с общими клиническими исследованиями и проводят корреляцию терапевтического эффекта с приемом лекарств, следят за возможными побочными действиями и определяют оптимальную дозу лекарств.
Производство. После утверждения лекарства происходят оптимизация его производства, определение микропримесей и последующий контроль качества промышленно выпускаемого лекарства. Как правило, используются ГХ-МС, ЖХ-МС - методы.
Drug Discovery — поиск новых лекарств
На первой фармацевтической стадии поиска новых кандидатов (lead candidate) разработан ряд производительных методов, включающих масс-спектрометрию не только как инструмент по контролю результата, но и как активный компонент — инструмент поиска. В 19-м и 20-м веках большинство лекарств экстрагировали из натуральных источников (например, пенициллин). С помощью методов выделения и разделения — экстракции растворителями, фильтрации и хроматографии — эти экстракты разделяли на фракции и выбирали наиболее активные и наименее токсичные фракции. По мере развития аналитической техники удалось определить активные начала (соединения) в таких фракциях, и к середине 20-го века сложилась парадигма, что большинство лекарств — это сравнительно небольшие соединения, которые можно воспроизвести синтетически. Вплоть до начала 90-х основная стратегия создания новых лекарств сводилась к синтезу новых соединений, их очистке, идентификации химической формулы, определению их активности и токсичности на определенном наборе биологических тестов (bio assay) и тем самым определению пригодности соединения как потенциального лекарства. Дальнейший отбор лекарств происходил в испытаниях на культурах клеток, на мышах и собаках, а для отобранных и безопасных лекарств — в клинических испытаниях. Поскольку синтез и очистка соединения занимали недели и месяцы, а количество синтезируемого вещества определялось многими миллиграммами, то аналитические методы тонко-слойной хроматографии и ИК-спектроскопии были приемлемыми для выполнения. Появившиеся в 70-х масс-спектрометрические методы ГХ-МС оказались — более информативными, более удобными и лучше автоматизированными.
Drug Discovery. Стадия поиска новых ’’кандидатов" — потенциальных лекарственных препаратов (Lead Candidate). Эта стадия включает синтез новых соединений, скринирование экстрактов из натуральных источников, а также определение активности, специфичности и токсичности лекарств-кандидатов. Для предпочтительных кандидатов рассматриваются каналы метаболизма для быстрого отсева неблагоприятных соединений. На этой стадии масс-спектрометрия является основным аналитическим инструментом и включена в разнообразные научно-исследовательские подходы.
Preclinical Development. Стадия характеризации лекарств-кандидатов. На этой стадии проводят предварительные испытания на культурах клеток и на животных. Кроме того, определяют химические свойства соединения, проверяют, насколько технологичным может быть производство лекарства, и определяют деграданты и метаболиты соединения в биосредах. Определение метаболизма лекарств является важным и ресурсоемким анализом. Здесь абсолютно незаменимы (ЖХ-МС-МС)-методы.
Clinical Development. Стадия клинических испытаний. На этой стадии проводят количественный анализ метаболизма и накопления лекарств в органах и биосредах от пациентов (опять же с помощью ЖХ-МС-МС) из достаточно большого пула. Эти исследования совмещают с общими клиническими исследованиями и проводят корреляцию терапевтического эффекта с приемом лекарств, следят за возможными побочными действиями и определяют оптимальную дозу лекарств.
Производство. После утверждения лекарства происходят оптимизация его производства, определение микропримесей и последующий контроль качества промышленно выпускаемого лекарства. Как правило, используются ГХ-МС, ЖХ-МС - методы.
Drug Discovery — поиск новых лекарств
На первой фармацевтической стадии поиска новых кандидатов (lead candidate) разработан ряд производительных методов, включающих масс-спектрометрию не только как инструмент по контролю результата, но и как активный компонент — инструмент поиска. В 19-м и 20-м веках большинство лекарств экстрагировали из натуральных источников (например, пенициллин). С помощью методов выделения и разделения — экстракции растворителями, фильтрации и хроматографии — эти экстракты разделяли на фракции и выбирали наиболее активные и наименее токсичные фракции. По мере развития аналитической техники удалось определить активные начала (соединения) в таких фракциях, и к середине 20-го века сложилась парадигма, что большинство лекарств — это сравнительно небольшие соединения, которые можно воспроизвести синтетически. Вплоть до начала 90-х основная стратегия создания новых лекарств сводилась к синтезу новых соединений, их очистке, идентификации химической формулы, определению их активности и токсичности на определенном наборе биологических тестов (bio assay) и тем самым определению пригодности соединения как потенциального лекарства. Дальнейший отбор лекарств происходил в испытаниях на культурах клеток, на мышах и собаках, а для отобранных и безопасных лекарств — в клинических испытаниях. Поскольку синтез и очистка соединения занимали недели и месяцы, а количество синтезируемого вещества определялось многими миллиграммами, то аналитические методы тонко-слойной хроматографии и ИК-спектроскопии были приемлемыми для выполнения. Появившиеся в 70-х масс-спектрометрические методы ГХ-МС оказались — более информативными, более удобными и лучше автоматизированными.
Метаболизм лекарств
При приеме лекарства происходит его распределение по организму, распределение по тканям с последующим вымыванием или расщеплением лекарства на метаболиты. Доза и частота приема регулируются в зависимости от индивидуальных скоростей этих процессов. При этом необходимо следить за возможностью возникновения токсичных метаболитов или постепенным накоплением лекарства или метаболитов в тканях. Многие из этих процессов могут быть изучены in vitro, например проникновение лекарств через мембрану клеток. Принципиально фармокинетика лекарства изучается на животных моделях in vivo. Однако наибольшее количество анализов приходится на клинические испытания, т. к. в соответствии с федеральными требованиями необходимо изучить диапазон кинетики метаболизма, вызванный особенностями пациентов. Это снижает риск возможных негативных последствий при последующем широком использовании лекарств.
При приеме лекарства происходит его распределение по организму, распределение по тканям с последующим вымыванием или расщеплением лекарства на метаболиты. Доза и частота приема регулируются в зависимости от индивидуальных скоростей этих процессов. При этом необходимо следить за возможностью возникновения токсичных метаболитов или постепенным накоплением лекарства или метаболитов в тканях. Многие из этих процессов могут быть изучены in vitro, например проникновение лекарств через мембрану клеток. Принципиально фармокинетика лекарства изучается на животных моделях in vivo. Однако наибольшее количество анализов приходится на клинические испытания, т. к. в соответствии с федеральными требованиями необходимо изучить диапазон кинетики метаболизма, вызванный особенностями пациентов. Это снижает риск возможных негативных последствий при последующем широком использовании лекарств.
Типичные назначаемые дозы составляют от единиц до десятков миллиграмм. Даже растворение лекарства в 5 л крови приводит к концентрации порядка мг/мл. Обычно динамика изменения концентрации прослеживается до уровня нг/мл .. В присутствии сложной биологической матрицы такие минорные концентрации могут быть определены только с помощью методов предварительной очистки с последующим применением ЖХ-МС-МС, чаще всего с использованием тройных квадруполей. Предварительно изучается состав фрагментов лекарства и выбираются несколько наиболее интенсивных фрагментов, минимально перекрывающихся с фоном (МС-МС)-спектров матрицы, т. е. биологических жидкостей — плазмы крови, экстрактов тканей. Зная массу родительского и нескольких фрагментных спектров, проводят так называемый мониторинг выделенной реакции (Selected Reaction Monitoring, SRM) во время хроматографического пика.
Тандемная масс-спектрометрия применялась для количественного анализа метаболизма лекарств с начала 80-х .. К середине 90-х метаболизм лекарств стал первым массовым приложением тандемной масс-спектрометрии в фармацевтике и послужил трамплином для освоения масс-спектрометрии химиками и биохимиками. В течение последних десятилетий тандемная масс-спектрометрия была не только освоена, но стала основным рабочим инструментом для фармацевтических и биохимических исследований. Создав обширный рынок приборов, биотехнология стала основным потребителем масс-спектрометрии и сегодня в значительной мере диктует направления ее развития.
