Fortschritte bei der Anwendung der Kernspinresonanztechnologie für den Nachweis von Arzneimitteln
Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) ist eine Analysemethode, die auf der Absorption von Radiofrequenzenergie beruht, die dem Energieunterschied zwischen den sich aufspaltenden Energieniveaus eines bestimmten Atomkerns in einem äußeren Magnetfeld entspricht, was zu Resonanzerscheinungen führt. Die amerikanischen Physiker Purcell und Bloch klärten 1946 das Phänomen der magnetischen Resonanz auf und erhielten dafür gemeinsam den Nobelpreis für Physik. In der frühen Forschung erfolgte die Bestimmung der Struktur von Arzneimitteln hauptsächlich durch verschiedene chemische Reaktionen wie die Herstellung von Derivaten, chemischer Abbau, Farbreaktionen usw., wobei hauptsächlich funktionelle Gruppen erhalten wurden, aber nicht die gesamte Struktur bestimmt werden konnte. Die strukturelle Identifizierung eines komplexen Moleküls nahm sogar Jahrzehnte in Anspruch. In den letzten Jahren wurden für Moleküle, die schwer zu kristallisieren sind, Techniken wie die Kristallschwamm-Methode und die Kryo-Elektronenmikroskopie zur Bestimmung der Molekularstruktur entwickelt. Für amorphe und amorphe Moleküle mit niedriger Gitterenergie sind diese Methoden jedoch immer noch unzureichend und schwierig zu handhaben. Mit der Entwicklung und breiten Anwendung der spektroskopischen Technologie wurden erhebliche Fortschritte bei der Untersuchung von Arzneimitteln erzielt, und die kernmagnetische Resonanz hat sich zur praktischsten und umfassendsten Analysemethode entwickelt. Ihre präzise Konformationsanalyse ist mit der Einkristalldiffraktion und der Elektronenmikroskopie nicht vergleichbar. Im Vergleich zu anderen Analysemethoden hat die kernmagnetische Resonanz die folgenden Vorteile: ① Sie liefert reichhaltige und genaue Strukturinformationen und ermittelt Atomkerne aus Larmor-Frequenzen; durch chemische Verschiebung werden funktionelle Gruppen eingeführt; durch Spin-Spin-Kopplung werden atomare Korrelationen ermittelt; durch Dipol-Kopplung werden räumliche Positionsbeziehungen erhalten; Relaxationsphänomen wird für die dynamische Forschung genutzt Einfachheit, Medikamente erfordern keine komplexen Vorbehandlungsprozesse, können Fehler bei der Verarbeitung vermeiden und haben eine kurze Analysezeit Nicht destruktiv, im Falle einer sehr begrenzten Probengröße, nach der kernmagnetischen Analyse gibt es keine Schäden oder Abfälle, die Eigenschaften ändern sich nicht, und es kann wiederverwendet werden. Insbesondere die Entwicklung der zweidimensionalen kernmagnetischen Resonanz hat sie zu einem äußerst wichtigen Instrument für die chemische Strukturforschung gemacht und gleichzeitig neue Möglichkeiten für die pharmazeutische und biomedizinische Forschung eröffnet, indem sie die Beziehung zwischen Struktur und Funktion im Detail aufzeigt. In Situationen, in denen sich eindimensionale Spektralsignale stark überschneiden, nicht genau zugeordnet werden können und schwer aufzulösen sind, ist die zweidimensionale kernmagnetische Resonanzspektroskopie die Lösung des Problems. Bestimmen Sie die Protonen an verschiedenen Positionen im Molekül durch COSY- oder TOCSY-Spektroskopie; finden Sie das entsprechende Kohlenstoffsignal auf dem HSQC-Spektrum durch Protonen; bestätigen Sie die Signalzuordnung mit dem HMBC-Spektrum und analysieren Sie die Verbindungsposition und -sequenz zwischen Kohlenstoff und Proton. Die kernmagnetische Resonanzspektroskopie entspricht den Anforderungen der modernen Arzneimittelentwicklung und liefert Informationen über Arzneimittelinteraktionen, spezifische molekulare Ziele und pharmakologische Wirkorte. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Hardware von Kernspinresonanzgeräten und Pulsmethoden sowie ihrer Multifunktionalität ist sie zu einem wichtigen Instrument für die Strukturforschung, insbesondere die Arzneimittelforschung, geworden. Die kernmagnetische Resonanz ist eine multifunktionale experimentelle Methode, die wichtige Informationen für die Arzneimittelforschung liefert, von der Charakterisierung synthetischer Produkte über die Entwicklung natürlicher Produkte bis hin zur Untersuchung molekularer Strukturen in biologischen Systemen. Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit der Anwendung der NMR-Technologie bei der Erkennung von Arzneimitteln und den damit verbundenen Forschungsfortschritten.

 

In den letzten dreißig Jahren hat die Entwicklung der kernmagnetischen Resonanztechnologie die Geschwindigkeit der Arzneimittelforschung erheblich beschleunigt. Sie liefert unvergleichliche Strukturinformationen und ist zum "Goldstandard" für die Strukturanalyse geworden. Obwohl HPLC-MS einen bestimmten Analyten unter günstigen Bedingungen im Femolbereich nachweisen kann, müssen selbst mit den modernsten Kernspinresonanzgeräten nanomolare Proben für die Analyse in einem vernünftigen Zeitrahmen verwendet werden. Tatsächlich sind alle modernen hochauflösenden Kernspinresonanzspektrometer gepulste Fourier-Transformationsgeräte, die alle Arten von Atomkernen gleichzeitig anregen und Rohdaten in Form des freien Induktionszerfalls sammeln können. Dadurch ist es möglich, mehrere Transienten des freien Induktionszerfalls hinzuzufügen, um das Signal-Rausch-Verhältnis des hohen Spektrums zu verbessern. Daher war (und ist) die geringe Empfindlichkeit immer die fatale Schwäche der biologischen Analyseanwendungen der kernmagnetischen Resonanz, und die Verbesserung der Empfindlichkeit der kernmagnetischen Resonanz war der Schwerpunkt der meisten technologischen Entwicklungen der letzten vierzig Jahre. Gegenwärtig ist das weltweit erste Magnetfeld mit 1,2 GHz an der Eidgenössischen Technischen Hochschule installiert, und es wird erwartet, dass in Zukunft nach und nach weitere NMR-Spektrometer mit mehr als 1 GHz erscheinen werden. Durch die Erhöhung der Magnetfeldstärke des Magneten werden bedeutende Durchbrüche in der Strukturforschung von Arzneimittel-Makromolekülen erzielt werden. Mit der Anwendung der Kernspinresonanzspektroskopie bei der Strukturanalyse von Biomolekülen nehmen Menge und Komplexität der von der Kernspinresonanztechnologie gelieferten Strukturinformationen exponentiell zu, und die dreidimensionale Kernspinresonanztechnologie wird entwickelt werden. Die zweidimensionale kernmagnetische Resonanz ist nicht mehr in der Lage, die Konformation des dreidimensionalen Raums und die Wechselwirkungen zwischen großen und kleinen Molekülen zu erfassen. Daher müssen Techniken zur Molekülmodellierung entwickelt werden, um die von der NOE gelieferten Abstandsinformationen zwischen Protonen in Molekülen zur Berechnung der dreidimensionalen Raumstruktur zu nutzen. Gleichzeitig wird dies auch die Empfindlichkeit der kernmagnetischen Resonanzsignale und die Auflösung der breiten und überlappenden Signale von Biomolekülen über 35 kDa verbessern. Wir hoffen, dass die kernmagnetische Resonanz auch weiterhin einen Beitrag zur Forschung im Bereich der Medizin leisten kann. Insbesondere mit der Entwicklung der kernmagnetischen Resonanz in festem Zustand kann sie eine einzigartige und umfassende Perspektive bieten. Die inhärenten quantitativen Eigenschaften, die hohe Empfindlichkeit zur Unterscheidung einzelner Chemikalien, die atomare Auflösung zur Aufklärung lokaler Strukturen und komplexer Wechselwirkungen, die Fähigkeit zum Nachweis molekularer Füllstoffe in amorphen Materialien und die Fähigkeit zur Untersuchung molekularer Bewegungen auf verschiedenen Zeitskalen machen die kernmagnetische Resonanz zu einem leistungsfähigeren Analyseinstrument. In Zukunft könnte die kernmagnetische Resonanz mit anderen Analysetechniken wie der Massenspektrometrie und der Röntgenkristallographie kombiniert werden, um eine schnellere Kontrolle, einen besseren dynamischen Bereich sowie eine größere Flexibilität und Skalierbarkeit zu ermöglichen und so die fortschrittlichsten Methoden der Strukturanalyse bereitzustellen.