Metodes izstrāde izvēlētu farmaceitisko molekulu kristalizācijas kontrolei

Projekta nosaukums: Metodes izstrāde izvēlētu farmaceitisko molekulu kristalizācijas kontrolei, izmantojot templātus, un kontroles mehānisma pētījums / Development of method to control the crystallization of selected pharmaceutical molecules using templates and study of the control mechanism

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/1/16/195

Projekta sadarbības partneri: 

1. University College London, Department of Chemistry, Sally L. Price pētniecības grupa

2. University College London, Department of Chemical Engineering, Matteo Salvalaglio pētniecības grupa

3. Cardiff University, School of Chemistry, Kenneth Harris pētniecības grupa

Projekta īstenošanas termiņš: 2017. gada 1. novembris līdz 2020. gada 31. oktobris 

Projekta kopējais finansējums: 

133 806,00 EUR, no tā:

ERAF finansējums: 113 735,10 EUR

Valsts budžeta finansējums: 13 380,60 EUR

LU finansējums: 6 690,30 EUR

Projekta mērķis: Izstrādāt metodi izvēlētu aktīvo farmaceitisko vielu solvātu un/vai polimorfu kristalizācijas procesa kontrolei ar templātiem, izmantojot inovatīvu pieeju templātu dizainam un izvēlei, kā arī racionalizēt kristalizācijas mehānismu, izmantojot modernas un mūsdienīgas eksperimentālās metodes un datorsimulācijas.

Projekta rezultāti: 

Pētniecības pieteikuma darbības:

1. Eksperimentāls kristālisko formu skrīnings, fāžu stabilitātes noteikšana un kristālisko struktūru paredzēšanas pētījums;

2. Kristalizācijas procesa kontroles metodes, izmantojot templātus, izstrādāšana;

3. Kristalizācijas mehānisma templātu klātienē racionalizēšana

Veiktās darbības:

Laika posmā no 01.11.2017. līdz 31.01.2018. veiktās darbības:

• 2-hlor-4-nitrobenzoskābes (2C4NBA), 4-hlor-2-nitrobenzoskābes (4C2NBA) un 5-hlor-2-nitrobenzoskābes (5C2NBA) kristālisko formu eksperimentāls skrīnings, iegūto formu stabilitātes raksturošana.

• 4C2NBA un 4C2NBA kristālisko struktūru kvantitatīva un kvalitatīva analīze.
• Jaunākās literatūras apkopojums par kristalizāciju, izmantojot templātus, kā arī analizējamo molekulu kristāliskajām formām un to kristalizāciju.
• Nitrofurantoīna (NF) kristālisko struktūru kvantitatīva un kvalitatīva analīze

• Kvantu ķīmisko aprēķinu metodes izvēle un aprobēšana dimēru asociācijas Gibsa enerģijas aprēķināšanai. Dažādu teorētiski iespējamo NF dimēru ģeometrijas optimizācija un gāzes fāzes frekvenču aprēķins, nosakot aptuveno asociācijas enerģiju un Gibsa enerģiju gāzes fāzē.

Laika posmā no 01.02.2018. līdz 30.04.2018. veiktās darbības:

• Sadarbībā ar University College London, Department of Chemistry, Sally L. Price pētniecības grupu veikta 2C4NBA polimorfu kristālisko struktūru paredzēšana datorprogrammā CrystalPredictor un uzsākta paredzēšanā iegūto kristālisko struktūru optimizācija CrystalOptimizer programmā, lai noskaidrotu teorētisko kristālisko struktūtu daudzveidību un tajās pastāvošās starpmolekulārās mijiedarbības.
• Turpināta 2C4NBA, 4C2NBA un 2C5NBA kristālisko formu stabilitātes raksturošana.
• Veikta 2C4NBA monohidrāta termodinamiskās stabilitātes noteikšana dažādā relatīvajā mitrumā.
• Veikta 2C4NBA monohidrāta kristalizācijas apstākļu noskaidrošana no dažādiem šķīdinātāju maisījumiem, tai skaitā maisījumiem ar solvātus veidojošajiem 1,4-dioksānu un DMSO.
• Ar kvantu ķīmiskajiem aprēķiniem veikta dažādu teorētiski iespējamo NF dimēru asociācijas Gibsa enerģijas aprēķināšana kopumā 10 dažādos šķīdinātājos.
• Veikta 2C4NBA šķīdumu dažādos šķīdinātājos analīze ar IR spektroskopijas metodi gan ATR režīmā, gan caurejošā režīmā, iegūtajos spektros analizējot C=O dubultsaites signālu, kas sniedz informāciju par molekulu asociāciju šķīdumā. Ar kvantu ķīmiskajiem aprēķiniem veikta 2C4NBA monomēru un dāžadu stabilāko dimēru IR spektru simulācija dažādos šķīdinātājos.

Laika posmā no 01.05.2018. līdz 31.07.2018. veiktās darbības:

• Sadarbībā ar University College London, Department of Chemistry, Sally L. Price pētniecības grupu veikta 2C4NBA monohidrātu un 2C5NBA polimorfu kristālisko struktūru paredzēšana datorprogrammā CrystalPredictor, kā arī veikta paredzēšanā iegūto 2C4NBA polimorfu un monohidrātu, kā arī 2C5NBA polimorfu kristālisko struktūru optimizācija CrystalOptimizer programmā, lai noskaidrotu teorētisko kristālisko struktūtu daudzveidību un tajās pastāvošās starpmolekulārās mijiedarbības. 
• Kā stabilāko noteikto 2C4NBA polimorfu kristālisko struktūru ģeometrijas optimizācija ab initio datorprogrammā Quantum Espresso.
• Veikta 2C4NBA monohidrāta termodinamiskās stabilitātes noteikšana attiecībā pret 1,4-dioksāna un DMSO solvātiem.
• Veikta 2C4NBA polimorfo formu kristalizācijas apstākļu noskaidrošana no solvātus neveidojošajiem šķīdinātājiem.

Laika posmā no 01.08.2018. līdz 31.10.2018. veiktās darbības:

• Sadarbībā ar University College London, Department of Chemistry, Sally L. Price pētniecības grupu veikta 2Me4NBA un nitrofurantoīna polimorfu kristālisko struktūru paredzēšana datorprogrammā CrystalPredictor, kā arī paredzēšanā iegūto kristālisko struktūru optimizācija CrystalOptimizer programmā, lai noskaidrotu teorētisko kristālisko struktūtu daudzveidību un tajās pastāvošās starpmolekulārās mijiedarbības. Veikta 2C4NBA, 2C5NBA un 2Me4NBA kristālisko struktūru paredzēšanā iegūto kristālisko struktūru papildus analīze.
• Piedalīšanās konferencē 31st European Crystallographic Meeting, tās ietvaros prezentējot stenda referātu "Solid form landscapes and access to polymorphs and solvates of several chlorontrobenzoic acid isomers".
• Veikts 2Me4NBA kristālisko formu skrīnigs, kristalizējot no 30 dažādiem šķīdinātājiem ar dažādām fizikālķīmiskām īpašībām.
• Veikta 2Me4NBA polimorfo formu kristalizācijas apstākļu noskaidrošana no solvātus neveidojošajiem šķīdinātājiem.
• Veikts nitrofurantoīna kristālisko formu skrīnings, veicot kristalizāciju no 32 šķīdinātājiem ar dažādām fizikālķīmiskām īpašībām, identificējot jaunas solvatētās formas un nosakot iegūtās polimorfās formas atkarību no izmantotā šķīdinātāja.
• Ar kvantu ķīmiskajiem aprēķiniem veikta dažādu teorētiski iespējamo 2C4NBA dimēru, trimēru un tetramēru asociācijas Gibsa enerģijas aprēķināšana kopumā 11 dažādos šķīdinātājos.

Laika posmā no 01.11.2018. līdz 31.01.2019. veiktās darbības:

• uzsākta publikācijas sagatavošana par CNBA izomēru solvātu veidošanos un iespējām izmantot kristālisko struktūru paredzēšanu, lai skaidrotu atšķirības solvātu veidošanās raksturā. Publikācijas sagatavošanas nolūkos veikti papildus CNBA izomēru konformācijas enerģijas aprēķini un konformācijas analīze.
• Veikta CNBA izomēru solvātu kristālisko struktūru noteikšana no pulvera rentegendifrakcijas mērījumiem.
• Veikti papildus eksperimenti nitrofurantoīna kristalizācijas no dažādiem šķīdinātājiem skaidrošanai un iegūto fāžu stabilitātes noteikšanai. Uzsākta nitrofurantoīna hidrātu kristalizācijas izpēte, kristalizāciju veicot no 8 šķīdinātāju maisījumiem ar ūdeni, izmantojot kristalizāciju dažādā ātrumā un temperatūrā, kā arī dažādā piesātināta šķīdums:ūdens attiecībā.
• Veikta detalizēta 2C4NBA asociācijas analīze, pamatojoties uz IR spektriem. Izmantoti gan jau iepriekš uzņemti spektri, gan uzņemti IR spektri jaunos šķīdinātājos, lai gūtu skaidrību par šķīdinātāja lomu uz iegūto asociātu.
• Uzsākta 2Me4NBA un 2OH4NBA kristalizācija no organisko šķīdinātāju/ūdens maisījuma, papildus pētot kristalizācijas iniciācijas iespējas ar 2C4NBA monohidrātu.
• Veikta CNBA izomēru kristālisko struktūru paredzēšanā iegūto struktūru papildus analīze – citiem izomēriem izostrukturālo kristālisko formu sagatavošana, optimizēšana CrystalOptimizer programmā un identificēšana starp polimorfu kristālisko struktūru paredzēšanā iegūtajām struktūrām.

Laika posmā no 01.02.2019. līdz 30.04.2019. veiktās darbības:

• Turpināts darbs pie publikācijas sagatavošana par CNBA izomēru solvātu veidošanos un iespējām izmantot kristālisko struktūru paredzēšanu, lai skaidrotu atšķirības solvātu veidošanās raksturā. Publikācijas sagatavošanas nolūkos veikta detalizēta nesolvatēto formu un solvātu kristālisko struktūru analīze, analizējot starpmolekulārās mijiedarbības un molekulu pakojuma īpašības. Veiktas dažas papildus šo vielu kristālisko formu analīzes.
• Pabeigta nitrofurantoīna hidrātu kristalizācijas izpēte, kristalizāciju veicot no 8 šķīdinātāju maisījumiem ar ūdeni, izmantojot kristalizāciju dažādā ātrumā un temperatūrā, kā arī dažādā piesātināta šķīdums:ūdens attiecībā.
• Veikta 2C4NBA asociātu ar dažādām šķīdinātāja un templātu molekulām ģeometrijas optimizācijas un asociācijas Gibsa enerģijas aprēķināšana šķīdinātājā.
• Veikta 2C4NBA kristalizācijas raksturošana, nosakot precīzu šķīdību dažādās temperatūrās nitrometānā, toluolā un hloroformā, un veicot kristalizāciju ar dažādu kristalizācijas ātrumu no šiem šķīdinātājiem.
• Turpināta 2Me4NBA un 2OH4NBA kristalizācija no organisko šķīdinātāju/ūdens maisījuma, papildus pētot kristalizācijas iniciācijas iespējas ar 2C4NBA monohidrātu.
• Veikta nitrofurantoīna kristalizācija no 5 dažādiem šķīdinātājiem 7 dažu izvēlēto templātu klātienē.
• Veikta nitrofurantoīna hidrātu kristalizācija 4 dažādu polimēru templātu klātienē no 4 šķīdinātājiem pie dažādas polimēru koncentrācijas un ūdens – organiskā šķīdinātāja attiecības.

Laika posmā no 01.05.2019. līdz 31.07.2019. veiktās darbības:

• Veikta nitrofurantoīna hidrātu kristalizācija 4 dažādu mazmolekulāru templātu klātienē no 4 šķīdinātājiem pie dažādas temlātu koncentrācijas un ūdens – organiskā šķīdinātāja attiecības.
• Sadarbībā ar University College London, Department of Chemical Engineering, Matteo Salvalaglio pētniecības grupu apgūta molekulārās dinamikas datorprogrammas Gromacs un rezultātu analīzes rīka Plumed lietošana. Veikta molekulārās dinamikas simulācija 2C4NBA šķīdumam 7 šķīdinātājos ar dažādām fizikālajām īpašībām. Veikta simulāciju analīze, nosakot šķīdumā pastāvošos asociātus un to dzīves ilgumu, ūdeņraža saišu veidu, kā arī 2C4NBA konformāciju un tās mainības ātrumu.
• Iesākts molekulārās dinamikas simulāciju pētījums par iespējam ar molekulāriem templātiem ietekmēt 2C4NBA molekulu asociāciju šķīdumā, veicot simulācijas ar 4 molekulāriem templātiem 3 šķīdinātājos, kā arī papildu ar 7 benzoskābes atvasinājumiem acetonitrilā.
• Iesākts molekulārās dinamikas simulāciju pētījums par nitrofurantoīna asociāciju šķīdumā, veicot simulācijas 3 šķīdinātājos ar dažādām fizikālajām īpašībām.
• Piedalīšanās konferencē 10th Crystal forms at Bologna, tās ietvaros prezentējot stenda referātu “Experimental and computational investigation of solid form landscapes of several nitrobenzoic acid derivatives”.
• Piedalīšanās konferencē BACG 50th Annual Conference, tās ietvaros prezentējot stenda referātu “Spectroscopic and computational study of association of 2-chloro-4-nitrobenzoic acid in solution”.

Laika posmā no 01.08.2019. līdz 31.10.2019. veiktās darbības:

• Piedalīšanās konferencē 32nd European Crystallographic Meeting, tās ietvaros prezentējot stenda referātu Use of crystal structure prediction to design template crystallization experiments of nitrobenzoic acid derivatives.
• Turpināts molekulārās dinamikas simulāciju pētījums par iespējam ar molekulāriem templātiem ietekmēt 2C4NBA molekulu asociāciju šķīdumā, veicot simulācijas acetonitrilā ar karbonskābes atvasinājumiem, kas kristāliskajā struktūrā neveido karbonskābju dimērus.
• Turpināts molekulārās dinamikas simulāciju pētījums par nitrofurantoīna asociāciju šķīdumā, veicot simulācijas 4 šķīdinātājos ar dažādām fizikālajām īpašībām pie dažādas nitrofurantoīna koncentrācijas, kā arī veicot simulācijas 3 organisko šķīdinātāju un ūdens maisījumos.
• Veikta nitrofurantoīna hidrātu kristalizācija 4 papildus ūdenī šķīstošo polimēru un 2 molekulāru templātu klātienē no 4 šķīdinātājiem pie dažādas templātu koncentrācijas un ūdens – organiskā šķīdinātāja attiecības.
• Veikts desublimācijas uz templātiem eksperimenta dizains, un eksperimenti 2C4NBA desublimācijai uz 2Me4NBA un 2OH4NBA.
• Pārbaudīta nitrofurantoīna kristalizācija no 3 dažādiem šķīdinātājiem 3 polimēru templātu klātienē. Pēc rezultātu izvērtēšanas veikta kristalizācija no acetonitrila šķīdumiem ar dažādu koncentrāciju 5 polimēru templātu klātienē.
• Veikta 2Me4NBA kristalizācija no dažādiem šķīdumiem PEG klātienē, iegūtās fāzes attīrīšana no PEG un raksturošana.
• Iesniegta zinātniskā publikācija On the rationalization of formation of polymorphs and solvates: experimental and computational study of solid forms of several nitrobenzoic acid derivatives.

Laika posmā no 01.11.2019. līdz 31.01.2020. veiktās darbības:

• Veikti nitrofurantoīna šķīdumu molekulārās dinamikas simulāciju analīze, nosakot nitrofurantoīna molekulu asociāciju raksturojošos parametrus un konformāciju. Veikta molekulārās dinamiskas simulācija nitrofurantoīna polimorfa α un DMSO solvāta kristāliskajai struktūrai, analizējot konformāciju un tās maiņu.
• Veikta nitrofurantoīna polimorfo formu precīzas šķīdības noteikšana 5 dažādos organiskos šķīdinātājos. Pētīta suspendēšanas inducēta polimorfu pāreja izvēlētos šķīdinātājos un apstākļos. Veikta nitrofurantoīna kristalizācija no 4 šķīdinātājiem bez templātu klātienes dažādās pārsātinājuma pakāpēs gan maisot, gan nemaisot.
• Veikta nitrofurantoīna kristalizācija no acetonitrila dažādās izvēlētās pārsātinājuma pakāpes templātu klātienē, detalizēti izvērtējot kristalizācijas procesa, pārsātinājuma pakāpes un templāta ietekmi. Kristalizācija veikta 15 izvēlētu nešķīstošu templātu klātienē kā arī 7 šķīstošu templātu klātienē pie dažādas templātu koncentrācijas šķīdumā.
• Veikta nitrofurantoīna kristalizācija no tetrahidrofurāna un 1,4-dioksāna izvēlētu šķīstošu un nešķīstošu templātu klātienē, noskaidrojot šķīdinātāja un tā kontrolēta nukleācijas ātruma lomu uz templāta spēju kontrolēt kristalizācijas iznākumu.
• 2C4NBA pašasociācijas pētījumu rezultātu apkopošana, papildus KMR spektroskopijas eksperimentu veikšana. Asociācijas Gibsa enerģijas aprēķināšana dimēru-izvēlētu šķīdinātāju asociātiem, izvērtējot šķīdinātāja iespējamo lomu ūdeņraža saišu dimēru nenovērošanai lielākajā daļā šķīdinātāju. Uzstāšanās seminārā 1st International Seminar on Molecular Crystals ar ziņojumu A combined spectroscopic and computational study of association of 2-chloro-4-nitrobenzoic acid in solution.
• Veikta 2Me4NBA kristalizācija no dažādiem šķīdinātājiem izvēlētu lineāru polimēru klātienē. Iegūtās fāzes attīrīšanas no polimēriem izpēte. Iegūto produktu raksturošana.

Laika posmā no 01.02.2020. līdz 30.04.2020. veiktās darbības:

• Veikti DFT aprēķini, lai novērtētu dažādu teorētiski iespējamo asociātu veidošanās ietekmi uz ¹H un ¹³C ķīmiskajām nobīdēm 2C4NBA šķīdumā. Līdz šim iegūto rezultātu par 2C4NBA asociāciju šķīdumā (ab initio aprēķini, MD simulācijas, KMR un IR spektroskopijas mērījumi) apkopošana.
• Veikti nitrafurantoīna aprakstam izmantotā Amber spēka lauka parametrizācijas uzlabojumi, lai iegūtu sakritību ar ab initio metodēm iegūtām konformācijas enerģijām, un šo parametru ticamības novērtēšana, veicot nitrofurantoīna šķīduma simulācijas.
• Veikti nitrofurantoīna polimorfo formu morfoloģijas analīze, nosakot dominējošās kristalogrāfiskās plaknes. Veikta molekulārās dinamikas simulāciju sagatavošana, lai analizētu šo virsmu mijiedarbību ar izvēlētām piedevām izvēlētos šķīdinātājos, sākotnējās simulācijās apskatot piedevu mijiedarbību ar izvēlētajām nitrofurantoīna virsmām, kas iegūtas nošķeļot attiecīgu kristalogrāfisko plakni, un kas simulācijā ir kontaktā ar piedevu šķīdumu izvēlētā šķīdinātājā. Uzsākta molekulārās dinamikas simulāciju veikšana.
• Veikti papildus pētījumi nitrofurantoīna kristalizācijai no izvēlētiem šķīdinātājiem izvēlētu šķīstošu un nešķīstošu templātu klātienē, noskaidrojot šķīdinātāja un tā kontrolēta nukleācijas ātruma lomu uz templāta spēju kontrolēt kristalizācijas iznākumu. Uzsākti eksperimenti, lai noteiktu nitrofurantoīna nukleācijas ātrumu raksturojošos parametrus un šķīdību izvēlētos šķīdinātājos izvēlētu templātu klātienē.
• Meklējot Kembridžas Kristālisko struktūru datubāzē identificēti tādi benzoskābju atvasinājumi, kas vismaz vienā no eksperimentāli iegūstamajām kristāliskajām formām neveido karbonskābju dimērus. Veikta starp šiem savienojumiem komerciāli pieejamo savienojumu polimorfo formu kristālisko struktūru analīze, t.sk. morfoloģiskā analīze, lai novērtētu iespēju kristālisko formu kontrolē izmantot templātus, kā arī iespēju izmantot molekulārās dinamikas simulācijas reāli darbojošos templātu identificēšanā.

Laika posmā no 01.05.2020. līdz 31.07.2020. veiktās darbības:

• Veiktas nitrofurantoīna polimorfo formu molekulārās dinamikas simulācijas, pētot šo formu izvēlētu kristalogrāfisko virsmu mijiedarbību ar izvēlētām piedevām divos šķīdinātājos. Molekulārās dinamikas simulāciju analīzes kodu sagatavošana un simulāciju analīzes veikšana, rezultātu izvērtēšana.
• Veikti papildus pētījumi nitrofurantoīna kristalizācijai no acetonitrila izvēlētu šķīstošu un nešķīstošu templātu klātienē, noskaidrojot papildus informāciju par templātu spēju kontrolēt kristalizācijas iznākumu.
• Veikta nitrofurantoīna nukleāciju raksturojošo parametru noteikšanai piemērotu eksperimentālo apstākļu optimizācija. Nitrofurantoīna nukleācijas eksperimentu veikšana tīrā acetonitrilā, kā arī acetonitrilā 8 dažādu templātu klātienē, nosakot gan nukleācijas laiku, gan kristalizācijā iegūto fāzi.
• Iepriekšējos pētījumos izvēlētu benzoskābes atvasinājumu molekulārās dinamikas simulāciju sagatavošana un veikšana, pētot šo vielu konkurējošu polimorfo formu izvēlētu kristalogrāfisko virsmu mijiedarbību ar izvēlētām piedevām divos šķīdinātājos. Molekulārās dinamikas simulāciju analīzes kodu sagatavošana un simulāciju analīzes veikšana, rezultātu izvērtēšana.

Laika posmā no 01.08.2020. līdz 31.10.2020. veiktās darbības:

• Veikta nitrofurantoīna nukleācijas kinētisko parametru noteikšana no nukleācijas varbūtības sadalījuma, kas iegūti no nukleācijas mērījumiem tīrā acetonitrilā, kā arī acetonitrilā dažādu templātu klātienē.
• Veikt nitrofurantoīna polimorfo formu šķīdības noteikšana un šķīdinātāja mediētas polimorfo formu pārejas pētījums acetonitrilā izvēlētu templātu klātienē.
• Publicēšanai iesniegts zinātniskais raksts: Semjonova, A.; Bērziņš, A. "Influence of Crystallization Additives on Morphology of Selected Benzoic Acids – a Molecular Dynamics (MD) Simulation Study".
• Zinātniskā raksta Bērziņš, A.; Semjonova, A.; Actiņš, A.; Salvalaglio, M. "Association of several substituted benzoic acids in solution: evaluation of several spectroscopic and computational methods for identification of associates and their role in the crystallization" sagatavošana iesniegšanai.