Mediciner som Ozempic och Mounjaro är sammansatta av molekyler som kallas acylerade peptider som är designade för att cirkulera i kroppen och reglera insulinproduktionen. Detta gör det möjligt för vuxna med typ 2-diabetes att ta en injektion varje vecka istället för att övervaka sina insulinnivåer med några timmars mellanrum. Med en liten modifiering är denna klass av terapier också godkänd för viktminskning vid behandling av fetma.
Men dessa molekyler blir ibland instabila när de kommer i kontakt med vissa behållarytor, vilket gör formulering och tillverkning av dessa typer av mediciner utmanande.
University of Delaware Professor Norman Wagner och ett team av forskare arbetade med partners vid läkemedelsföretaget Eli Lilly för att studera varför denna klass av material upplever denna instabilitet, ett fenomen som kallas ouzobildning, som kan göra lösningen grumlig när den kommer i kontakt med vissa ytor utformad för att stöta bort vatten, vilket gör medicinen oanvändbar.
Forskargruppen studerade hur peptiderna betedde sig när de kom i kontakt med ytor som glas, termoplaster och syntetiska polymerer, för att förstå den grundläggande mekaniken bakom vad som hände för att kunna erbjuda lösningar för att minska misslyckande vid tillverkning av läkemedel.
Forskarna rapporterade sina resultat i en artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), som erbjuder värdefulla insikter för att styra peptidsyntes, formulering, tillverkning och lagring av denna klass av molekyler. Det är arbete som skulle kunna hjälpa över denna klass av mediciner.
Förutom Wagner, medförfattare på tidningen från Eli Lilly and Company inkluderar Ken Qian, regissör, och Kevin Seibert, vice president. Andra medförfattare från UD inkluderar tidningens huvudförfattare Qi Li, en före detta postdoktor vid UD:s avdelning för kemisk och biomolekylär ingenjörsteknik och Center for Neutron Science, och Vasudev Tangry, en före detta student i projektet.
Det gemensamma, förklarade Wagner, är att läkemedelsformuleringar måste förbli stabila i lösning, så att molekylerna inte bildar stora aggregat, som kan vara skadliga om de injiceras i kroppen.
"Det är en ganska knepig väg att gå från en stabil molekyl i lösning och formulering till en instabil", säger Wagner, Unidel Robert L. Pigford ordförande, kemi- och biomolekylär ingenjör vid UD. "Det innebär att molekylen adsorberar, eller fäster, på en yta som en behållare och skapar små aggregat som blir en kärna för tillväxt av synliga aggregat, vilket leder till en lösning som ser ut som den klassiska drycken ouzo."
Ouzo är en grekisk sprit som är stabil i sig men blir grumlig när den blandas med vatten. Grumligheten uppstår eftersom anisen i vätskan inte är vattenlöslig, så dropparna stannar kvar i lösningen, vilket skapar dryckens grumliga utseende.
Det här kan vara okej för en uppfriskande konsumtion, men när det händer med molekyler i läkemedelsindustrin är det problematiskt. Det kan också bli dyrt.
"Så, jag kanske har ett kärl där jag gör den här molekylen och i slutskedet kan det här kärlet innehålla något som motsvarar en läkemedelssubstans för över en miljon dollar", sa Wagner. "Om den lösningen bildar en ouzo har du ett verkligt problem. Du har nu förlorat den produktionen."
Det är inte bara ett produktionsproblem heller. Om en formulering av läkemedel bildade en ouzo när den transporterades till eller förvarades på en läkarmottagning, skulle resultatet bli detsamma – det skulle behöva kastas ut. Så både på produktionssidan och på lagrings- och leveranssidan av formuleringen är det viktigt att förhindra att detta inträffar.
Wagnergruppens arbete fokuserade på att förutsäga vilka ytor som orsakar problem och hur snabbt denna ouzoeffekt kan uppstå. Forskargruppen använde ljus- och röntgenspridning tillsammans med andra tekniker för att undersöka hur molekylerna interagerar med varandra och lösningen. De tittade också på hur molekylerna interagerar med många olika typer av ytor, allt från glas till polystyren och polytetrafluoreten, alla vanliga material som används i industrin.
Forskarna mätte också den sfäriska formen, storleken, strukturen och den interna sammansättningen av dropparna i lösningen. Deras analys avslöjade att droppbildningen utlöstes av ytornas vattenavvisande natur och berodde på den hastighet med vilken partiklarna omrördes och blandades. Storleken på partiklarna påverkades av lösningens saltkoncentration, oberoende av ytmaterialet.
Intressant nog verkar det som att partiklarna förblev i lösning (istället för att sjunka till botten) på grund av interaktion mellan lösningens ytspänning och partiklarnas elektriska laddning.
När han förklarade gav Wagner exemplet med olja och vatten - ett klassiskt exempel på två typer av molekyler som separeras när de lämnas ifred. I salladsdressing emulgeras två lösningar, skakas och blandas, medan produkter som kallas ytaktiva ämnen sitter i gränssnittet mellan lösningarna för att förhindra att molekylerna aggregerar och separerar. Detta gör att salladsdressingar kan förbli blandade under långa tidsperioder.
"I det här fallet har vi dock inga ytaktiva ämnen för att skapa detta, så det är nyfiket. Om det ska separera, bör det bara separeras som olja och vatten. Men det har de inte, molekylerna stannar i denna emulsion, sa Wagner.
UD-teamet tillämpade en väletablerad teori från Lord Rayleigh, en känd matematiker och fysiker från University of Cambridge, som visade att droppstorleken och stabiliteten kunde förutsägas och därmed kontrolleras, vilket kopplade fenomenen till många andra naturligt observerade fenomen. Lord Rayleigh tilldelades 1904 Nobelpriset i fysik för undersökningar av densiteten hos de viktigaste gaserna och upptäckten av argon.
Wagner pekade på UD:s djupa historia inom kolloid- och gränssnittsvetenskap, självsammansättning av ytaktiva ämnen och styrkor i biofysiska och biomolekylära system, som fördelar med att utforska denna typ av mångfacetterade problem.
"Det finns ett vetenskapligt och ingenjörsmässigt ekosystem här i Delaware som positionerar oss för att ta itu med sådana här problem, eftersom det här är fysiska kemiska problem med tekniska implikationer inom biofarmaceutisk och läkemedelsindustri", sa han. "Du behöver alla dessa bitar tillsammans för att förstå dessa specifika molekyler med mycket specifik kemi som är ytaktivt liknande på något sätt."
Att veta hur en ouzo bildas är en faktor, att förstå hur lång tid det tar för en ouzo att bildas är en separat fråga. Detta beror på att mediciner, liksom många andra material som används i vår vardagliga värld, inte är statiska. De åldras långsamt.
Tänk till exempel på hur plaster kan vara böjliga när de är nya, men blir spröda när de åldras. Om du pratar om ett par trådlösa öronsnäckor kanske materialets förväntade livslängd inte spelar så stor roll. Ingen förväntar sig att de ska finnas kvar om hundra år, så det går bra att konstruera plasten för att hålla i fem eller tio år.
Men för medicinering spelar specificitet roll.
Det är viktigt att förstå hur snabbt dessa molekyler åldras eller hur lång tid det tar för en aggregation att bildas under rätt förhållanden. Att förstå hur länge mediciner förblir lagringsstabila kan påverka distribution och användningstid.
"Just nu vet vi bara att den här kemin och den kemin inte spelar bra ihop, och vi kan förutsäga det," sa Wagner. "Nu när vi sätter ihop bitarna ur ett kemiperspektiv vill vi förstå vad som händer på molekylär nivå som orsakar detta och under vilka förhållanden."
Framtida arbete av Wagner-gruppen kommer att använda neutronspridningstekniker för att titta inuti dropparna i detalj för att fråga vad som händer inom molekylerna och deras struktur. Att förstå vad som händer inuti dropparna, på ett gränssnitt i en lösning kan ge insikter om sätt att modifiera eller ändra läkemedlets molekylära formulering för att förhindra ouzoeffekten från att uppstå trots behållaren den är i.
"Just nu kan vi kontrollera det här problemet genom att ändra ytorna," sa Wagner. "Den vetenskapliga frågan som vi ställer härnäst är om det finns något specifikt med den här molekylära strukturen som vi skulle kunna modifiera eller ändra som skulle eliminera problemet i själva molekylerna."
Forskargruppen planerar också att undersöka material relaterat till detta arbete som skickades mer än 250 miles över jorden till den internationella rymdstationen, för att avgöra om gravitationen hade någon inverkan på uppkomsten av ouzoeffekten.
Mer information: Qi Li et al, Ytförmedlad spontan emulgering av den acylerade peptiden, semaglutid, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2305770121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Delaware
