Fremskridt i anvendelsen af nuklear magnetisk resonans-teknologi til påvisning af lægemidler
Nuklear magnetisk resonans (NMR)-spektroskopi er en analytisk metode baseret på absorption af radiofrekvent feltenergi svarende til energiforskellen mellem spaltningsenerginiveauerne i en bestemt atomkerne i et eksternt magnetfelt, hvilket resulterer i resonansfænomener. I 1946 belyste de amerikanske fysikere Purcell og Bloch fænomenet magnetisk resonans og vandt i fællesskab Nobelprisen i fysik. I den tidlige forskning blev bestemmelsen af lægemiddelstrukturen hovedsageligt opnået gennem forskellige kemiske reaktioner, såsom fremstilling af derivater, kemisk nedbrydning, farvereaktioner osv., hvilket hovedsageligt opnåede funktionelle grupper, men ikke var i stand til at bestemme hele strukturen. Den strukturelle identifikation af et komplekst molekyle krævede endda årtiers indsats. I de senere år er der for molekyler, der er vanskelige at krystallisere, blevet udviklet teknikker som krystalsvampemetoden og kryoelektronmikroskopi til bestemmelse af molekylær struktur. Men for amorfe og amorfe molekyler med lav gitterenergi er disse metoder stadig utilstrækkelige og vanskelige at håndtere. Med udviklingen og den udbredte anvendelse af spektroskopisk teknologi er der sket betydelige fremskridt i studiet af lægemidler, og kernemagnetisk resonans er blevet den mest praktiske og omfattende analysemetode. Dens præcise konformationsanalyse kan ikke sammenlignes med enkeltkrystaldiffraktion og elektronmikroskopi. Sammenlignet med andre analysemetoder har kernemagnetisk resonans følgende fordele: ① giver rig og nøjagtig strukturel information og opnår atomkerner fra Larmor-frekvenser; Kemisk forskydning introducerer funktionelle grupper; Spin-spin-kobling giver atomare korrelationer; Dipol-kobling opnår rumlige positionsforhold; Afslapningsfænomen bruges til dynamisk forskning Enkelhed, stoffer kræver ikke komplekse forbehandlingsprocesser, kan undgå fejl i behandlingen og har kort analysetid Ikke-destruktiv, i tilfælde af en meget begrænset prøvestørrelse, efter kernemagnetisk analyse, er der ingen skade eller affald, egenskaberne ændres ikke, og det kan genbruges. Især udviklingen af todimensionel kernemagnetisk resonans har gjort det til et ekstremt vigtigt værktøj til kemisk strukturforskning, samtidig med at det har åbnet nye vinduer for farmaceutisk og biomedicinsk forskning og afsløret forholdet mellem struktur og funktion i detaljer. I situationer, hvor endimensionelle spektralsignaler overlapper meget, ikke kan tilskrives nøjagtigt og er vanskelige at løse, er der brug for todimensionel kernemagnetisk resonansspektroskopiteknologi for at løse problemet. Bestem protonerne på forskellige positioner i molekylet gennem COSY- eller TOCSY-spektroskopi; Find det tilsvarende kulstofsignal på HSQC-spektret gennem protoner; Bekræft signaltilskrivningen ved hjælp af HMBC-spektret, og analyser forbindelsespositionen og sekvensen mellem kulstof og proton. Nuklearmagnetisk resonansspektroskopi imødekommer behovene i moderne lægemiddeludvikling og giver information om lægemiddelinteraktioner, specifikke molekylære mål og farmakologiske handlingssteder. Med den kontinuerlige udvikling af kernemagnetisk resonansinstrumenthardware og pulsmetoder kombineret med dens multifunktionalitet er den blevet et vigtigt værktøj til strukturel forskning, især lægemiddelforskning. Kernemagnetisk resonans kan give en multifunktionel eksperimentel metode, der giver vigtige oplysninger til lægemiddelopdagelse, fra karakterisering af syntetiske produkter, udvikling af naturlige produkter til undersøgelse af molekylære strukturer i biologiske systemer. Denne artikel gennemgår hovedsageligt anvendelsen af NMR-teknologi til påvisning af lægemidler og de dermed forbundne forskningsfremskridt.

 

I de sidste tredive år har udviklingen af kernemagnetisk resonansteknologi øget hastigheden af lægemiddelforskningen betydeligt, idet den giver enestående strukturel information og er blevet "guldstandarden" for strukturanalyse. Selvom HPLC-MS kan detektere en given analyt på femoligniveau under gunstige forhold, kræver selv det mest moderne udstyr til kernemagnetisk resonans brug af nanomolære prøver til analyse inden for en rimelig tidsramme. Faktisk er alle moderne højopløselige kernemagnetiske resonansspektrometre puls-Fourier-transformationsinstrumenter, der samtidig kan excitere alle typer atomkerner og indsamle rådata i form af frit induktionshenfald. Det gør det muligt at tilføje flere transienter af frit induktionshenfald for at forbedre signal-støj-forholdet i det høje spektrum. Derfor har lav følsomhed altid været (og vil fortsat være) den fatale svaghed ved biologisk analyse med kernemagnetisk resonans, og forbedring af følsomheden ved kernemagnetisk resonans har været fokus for de fleste teknologiske udviklinger i de sidste 40 år. På nuværende tidspunkt er verdens første 1,2 GHz højeste magnetfelt blevet installeret på Swiss Federal Institute of Technology, og det forventes, at flere NMR-spektrometre, der er større end 1 GHz, gradvist vil dukke op i fremtiden. Ved at øge magnetens magnetiske feltstyrke vil der ske betydelige gennembrud inden for strukturforskningen af lægemiddelmakromolekyler. Med anvendelsen af kernemagnetisk resonansspektroskopi i den strukturelle analyse af biomolekyler øges mængden og kompleksiteten af strukturel information fra kernemagnetisk resonansteknologi eksponentielt, og tredimensionel kernemagnetisk resonansteknologi vil blive udviklet. To-dimensionel kernemagnetisk resonans er blevet magtesløs i forhold til at håndtere konformationen i det tredimensionelle rum og interaktionerne mellem store og små molekyler. Derfor skal der udvikles molekylære modelleringsteknikker, som kan bruge den afstandsinformation mellem protoner i molekyler, som NOE giver, til at beregne den tredimensionelle rumlige struktur. Samtidig vil det også forbedre den iboende følsomhed af kernemagnetiske resonanssignaler og opløsningen af de brede og overlappende signaler, der er forbundet med biomolekyler over 35 kDa. Vi håber, at kernemagnetisk resonans fortsat kan bidrage til forskningen inden for medicin. Især med udviklingen af kernemagnetisk resonans i fast tilstand kan det give et unikt og omfattende perspektiv. Dens iboende kvantitative egenskaber, høje følsomhed til at skelne mellem individuelle kemikalier, atomare opløsning til at belyse lokale strukturer og komplekse interaktioner, evnen til at opdage molekylære fyldstoffer i amorfe materialer og evnen til at studere molekylær bevægelse på forskellige tidsskalaer gør kernemagnetisk resonans til et mere kraftfuldt analytisk værktøj. I fremtiden kan kernemagnetisk resonans kombineres med andre analyseteknikker som massespektrometri og røntgenkrystallografi for at lette hurtigere kontrol, bedre dynamisk område og større fleksibilitet og skalerbarhed, hvilket giver de mest avancerede strukturelle analysemetoder.