Forskare från Storbritannien och Danmark har utvecklat en ny metod för att förutsäga den fysiska stabiliteten hos läkemedelskandidater, som skulle kunna hjälpa till med utvecklingen av nya och mer effektiva läkemedel för patienter. Tekniken har licensierats till Cambridge spin-out-företaget TeraView, som utvecklar det för användning inom läkemedelsindustrin för att göra läkemedel som lättare frigörs i kroppen.

Forskarna, från universiteten i Cambridge och Köpenhamn, har utvecklat en ny metod för att lösa ett gammalt problem:hur man förutsäger när och hur ett fast ämne kommer att kristallisera. Med hjälp av optiska och mekaniska mättekniker, de fann att lokal rörelse av molekyler inom ett fast ämne är ytterst ansvarig för kristallisation.

Denna lösning på problemet föreslogs först 1969, men det har först nu blivit möjligt att bevisa hypotesen. Resultaten redovisas i två artiklar i Physical Chemistry Chemical Physics och Journal of Physical Chemistry B .

Fasta ämnen beter sig olika beroende på om deras molekylära struktur är ordnad (kristall) eller oordnad (glas). Kemiskt, kristall- och glasformerna för ett fast ämne är exakt samma, men de har olika egenskaper.

En av de önskvärda egenskaperna hos glas är att de är mer lösliga i vatten, vilket är särskilt användbart för medicinska tillämpningar. Att vara effektiv, läkemedel måste vara vattenlösliga, så att de kan lösas upp i kroppen och nå sitt mål via blodomloppet.

"De flesta av de läkemedel som används idag är i kristallform, vilket innebär att de behöver extra energi för att lösas upp i kroppen innan de kommer in i blodomloppet, " sa studiens medförfattare professor Axel Zeitler från Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik. "Molekyler i glasform absorberas lättare av kroppen eftersom de kan lösas upp lättare, och många glasögon som kan bota sjukdomar har upptäckts under de senaste 20 åren, men de görs inte till mediciner eftersom de inte är tillräckligt stabila."

Efter en viss tid, alla glas kommer att genomgå spontan kristallisation, då kommer molekylerna inte bara att förlora sin oordnade struktur, men de kommer också att förlora de egenskaper som gjorde dem effektiva i första hand. Ett långvarigt problem för forskare har varit hur man förutsäger när kristallisering kommer att inträffa, som, om det löses, skulle möjliggöra en utbredd praktisk tillämpning av glasögon.

"Detta är ett mycket gammalt problem, " sade Zeitler. "Och för läkemedelsföretag, det är ofta en för stor risk. Om de utvecklar ett läkemedel baserat på en molekyls glasform och det kristalliserar, de kommer inte bara att ha förlorat en potentiellt effektiv medicin, men de skulle behöva göra en massiv återkallelse."

För att avgöra när och hur fasta ämnen kommer att kristallisera, de flesta forskare hade fokuserat på glasets övergångstemperatur, vilket är den temperatur över vilken molekyler kan röra sig mer fritt i det fasta ämnet och lätt kan mätas. Genom att använda en teknik som kallas dynamisk mekanisk analys samt terahertz-spektroskopi, Zeitler och hans kollegor visade att istället för glasövergångstemperaturen, de molekylära rörelserna som sker fram till en lägre temperaturtröskel, är ansvariga för kristallisation.

Dessa rörelser begränsas av lokala krafter i den molekylära miljön och, i motsats till de relativt stora rörelser som sker över glasets övergångstemperatur, de molekylära rörelserna över den lägre temperaturtröskeln är mycket subtilare. Även om den lokala rörelsen är svår att mäta, det är en viktig del av kristallisationsprocessen.

Med tanke på de framsteg inom mätteknik som utvecklats av teamen från Cambridge och Köpenhamn, läkemedelsmolekyler som tidigare kasserats i det prekliniska skedet kan nu testas för att avgöra om de kan föras ut på marknaden i en stabil glasform som övervinner kristallformens löslighetsbegränsningar.

"Om vi ​​använder vår teknik för att screena molekyler som tidigare kasserats, och vi finner att temperaturen associerad med början av den lokala rörelsen är tillräckligt hög, vi skulle ha hög tilltro till att materialet inte kommer att kristallisera efter tillverkning, ", sa Zeitler. "Vi skulle kunna använda kalibreringskurvan som vi beskriver i den andra artikeln för att förutsäga hur lång tid det kommer att ta materialet att kristallisera."