Про лекарства-рацематы. Как увеличить эффективность лекарств
Представьте себе картину: вы принимаете лекарство, в котором ровно половина от его действующего вещества (тех самых молекул, которые и оказывают терапевтическое действие) может не работать так, как нам нужно. А работает слабее или не работает вообще: чаще всего, обладает только побочными действиями.
Некоторые (при чем, даже врачи, подзабывшие основы химии) могут сказать: это, наверное, что-то из истории употребления некачественных дженериков. А что если я скажу, что большинство людей, даже изредка принимающих лекарства, неоднократно сталкивались с такими "лекарствами-полупустышками", вне зависимости от того, принимали ли они дженерик или оригинальный препарат?
В таких препаратах действующее вещество представляет собой рацемическую смесь (или рацемат).
Из широко применяемых препаратов, которые у многих на слуху, рацематами являются: ибупрофен, кетопрофен, цетиризин, амлодипин, омепразол, метопролол...
Что же такое рацематы?
Рацематы - это эквимолярные смеси двух энантиомеров.
С "эквимолярной смесью" все просто. Это значит, что в смеси молекулы этих самых энантиомеров находятся в количественном соотношении 1:1.
А что такое энантиомеры?
Энантиомеры - это пара изомеров (стереоизомеров), которые имеют зеркальное строение и не совмещаются в пространстве (не совпадают при наложении).
В качестве примера того, как это выглядит, можно привести правую и левую руку. Они являются зеркальным отражением друг друга и не совмещаются в пространстве. Свойство двух одинаковых объектов обладать зеркальным строением и называется хиральностью - от греческого названия руки.
Большинство органических соединений (и даже некоторые неорганические соединения) существуют в виде нескольких изомеров. Изомеры - это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но разный порядок связей либо пространственное расположение атомов.
В школе у некоторых были наборы из шариков-атомов и палочек-связей, из которых можно было собирать разные молекулы. Каждый шарик, моделирующий конкретный атом, имеет несколько дырочек, в которые можно вставить палочки-связи. Количество дырочек совпадает с типичным количеством связей, которые этот атом может образовывать (помним: валентность у многих атомов может быт разной, например, у азота она может быть 2, 3 или 4).
Пример на картинке ниже.
Черные шарики - углероды - 4 связи.
Синий - азот, в данном случае 3 связи (здесь не видно, но должна быть ещё одна связь: с водородом внизу).
Белый - водород - 1 связь.
Красный - кислород - 2 связи.
А так представляют эту шариковую модель современные дизайнеры "ятаквижу". Вероятно, задумывалась это азотная кислота. Но, как обычно, палок не хватило.
Раз наши шарики-атомы могут образовывать несколько связей, то логично предположить, что их можно совмещать по-разному, на манер деталек Лего. И, взяв одни и те же шарики мы в ряде случаев можем получить совершенно разные по своему строению молекулы.
Так и происходит. Например, есть молекула, состоящая из 6 атомов углерода, 6 атомов кислорода и 12 атомов водорода.
Некоторые вспомнят, что это формула простого сахара - глюкозы. Но, суть в том, что эта формула также описывает другие сахара: фруктозу (структурный изомер), галактозу, маннозу (стереоизомеры) и ещё десятки различных молекул!
Вот эти вещества и называются изомерами.
Вот это схематическое изображение структурных изомеров: глюкозы и фруктозы. Заодно - изображение сахарозы: молекулы-дисахарида. При гидролизе сахарозы мы получаем эквимолярную смесь этих изомеров (но это не рацематы!)
Так как структурная формула у этих веществ не совпадает, то они могут иметь разные физические, а также химические свойства, вступать в разные реакции.
Структурные изомеры также вносят вклад в профиль примесей лекарства, но, обычно они являются минорными (незначительными) компонентами.
Энантиомеры же - это уникальный тип изомеров. Как уже писал ранее, это пара изомеров, которые (в отличие от большинства других изомеров) имеют одинаковое строение, но отличаются зеркальным расположением заместителей в пространстве.
Поэтому оба энантиомера проявляют (почти) одинаковые физические свойства. Одинаковую температуру плавления/кипения, плотность, растворимость, спектры (УФ, ЯМР, ИК, масс и т.д.), показатели преломления и т.д.
И различают их, обычно, по одному показателю - вращению плоскости поляризации света (они проявляют оптическую активность).
Прибор называется поляриметр. Но что же будет, если мы померяем отклонение плоскости поляризованного света в рацемате?
С точки зрения химии в большинстве обычных химических реакций тоже нет разницы, с каким энантиомером взаимодействовать. Скорости и продукты реакций будут одинаковыми.
За важным для нас исключением. Так сложилось, что молекулы (ДНК, РНК, аминокислоты, сахара), из которых мы состоим, являются хиральными. Например, аминокислоты при прохождении поляризованного света - в целом, левовращающие. А ДНК, РНК сахара - правовращающие (хотя из этого правила есть и исключения).
С хиральными молекулами (или в хиральной среде) разные энантиомеры могут взаимодействовать по-разному.
Этим и объясняется разное действие наших энантиомеров на организм.
Тут уместна аналогия "ключа" и "замка". Один энантиомер может связаться с нужным рецептором и оказать действие ("вырезы" совпадают, "замочек" открывается). А второй - не может (подходит не той стороной, "вырезы" не совпадают). Или, если может, то делает это хуже. Или связывается вообще не с тем, чем надо. По итогу может так получиться, что половина дозы нашего лекарства вовсе нам не помогает, а даже может вредить.
Логический вывод: раз наше лекарство представляет смесь энантиомеров, то его можно разделить. И получить более чистое, более действенное лекарство со сниженными побочными эффектами.
Так и делается:
Обычный цетиризин (рацемат) и левоцетиризин - чистый рабочий энантиомер. Обратите внимание на дозировки препаратов.
И вот, мы получаем лучшие версии уже известных проверенных лекарств. Левоцетиризин, левамлодипин, эзомепразол, эсциталопрам, левомицетин и т.д.
Более того: новые препараты стараются сразу разрабатывать как чистые энантиомеры, без "предшественников-рацематов". Это клопидогрел, аторвастатин, сертралин, левотироксин и пр.
Но, тут возникает проблема: как разделить эти энантиомеры? Рацематы и получаются-то потому, что при обычном химическом синтезе (в ахиральной среде) вообще без разницы, как будут ориентированы молекулы. Поэтому и получаем смесь с идеальным соотношением 1:1.
Ну и как же получить чистый энантиомер?
Первый вариант - получить рацемат, а потом поделить его на отдельные энантиомеры. Плюс такого подхода в том, что мы уже знаем как быстро и дешево получать огромные количества рацематов.
Но, мы же помним, что разделить их обычными физическими методами не так просто (они же проявляют одинаковы свойства, их не разделишь по разности температур, плотности, растворимости).
И вот тут есть несколько методов:
Образование веществ с разными свойствами/кинетическое разделение. Это два сходных метода, основанных на том, что энантиомеры в хиральных средах могут реагировать по-разному. К рацемату добавляют другой реагент-энантиомер - вещество, с которым разные энантиомеры будут реагировать по-разному. Например, один энантиомер будет реагировать, а второй - нет, либо будут реагировать оба, но конечные соединения будут разными. В результате мы получим разные вещества, которые уже будут проявлять разные физические свойства. И их уже можно разделить простыми физическими методами, например, кристаллизацией. Недостаток метода - мы должны иметь большое количество чистого реагента-энантиомера, с которым и будет реагировать наш рацемат.
Физическое разделение на хиральных сорбентах. И здесь на сцену выходит препаративная хроматография. Растворяем наше соединение в подходящем растворителе и загоняем в хроматографическую колонку. Специальные колонки для хиральной хроматографии содержат хиральные сорбенты, которые по-разному взаимодействуют с каждым из энантиомеров. В итоге один из энантиомеров выйдет из колонки раньше, второй - позже. Их можно отобрать по отдельности. Есть разные варианты хроматографического разделения хиральных соединений, но общий принцип один.
Общий принцип хроматографического разделения.Для сравнения. Колонки, на которых работаем мы: хроматографисты-аналитики.А вот колонки (колонны?!), на которых работают наши коллеги-смежники (препаративщики).Ещё один пример. И, заодно, ссылка на статью на пикабу, в которой человек объясняет принцип работы: Как при помощи хроматографии жизни спасают
Эффективный в плане разделения метод (не зря жидкостная хроматография на современных хроматографах называется высокоэффективной). Но - дорогой и не сильно производительный, по сравнению с остальными. Нам нужны тонны субстанции, а тут килограммы в день (для конкретных задач есть возможность получить и больший выход, но такие технологии не всегда масштабируются).
3. Ферментативное разделение. Ну, раз в живом организме у нас разные энантиомеры реагируют по-разному, то мы можем добавить к рацемату те ферменты, которые и будут реагировать только с одним энантиомером, не трогая другой. Потом очищаем полученное соединение и получаем хирально чистый препарат. Достаточно простой и дешевый (по сравнению с другими) метод. Тут, главное, иметь подходящие ферменты.
4. Разделение с помощью микроорганизмов. Вносим наш рацемат в среду с микроорганизмами, которые "кушают" только один неправильный энантиомер, оставляя нам нужный второй. Или, ещё круче: в результате собственных ферментативных реакций превращают ненужный изомер в нужный. Тоже достаточно просто и дешево.
5. Разделение на мембранах. Раствор, содержащий рацемат, пропускают через специальные мембраны, которые сами по себе обладают хиральной активностью. Они хорошо пропускают только один энантиомер и задерживают другой. Тут большая проблема в том, что этот метод пока плохо масштабируется для промышленного использования. Слишком специфические материалы мембран.
6. Смешение методов, другие подходы. Тут уже идёт экзотика, вроде присоединения хиральных групп (как в первом примере), хроматографическое разделение (как во втором), а затем отщепление этих хиральных групп.
Второй вариант - сразу выпускать чистый энантиомер, минуя стадию рацемата. Но, тут сразу понятно, что классические способы синтеза не подходят.
Асимметричный катализ. Вот за это открытие прямо в 2026 году была присуждена Нобелевская премия по химии (Анри Каган и Кенсо Соаи). Точнее, данные ученые с помощью этого эффекта объяснили, как так получилось, что в биомолекулах доминируют только конкретные энатиомеры.
Суть метода в том, что в реакционную смесь вносят небольшое количество "хиральной затравки", которая направляет реакцию преимущественно в сторону образования одного энантиомера. Затравка не расходуется. Рабочий метод, которым и получают львиную долю чистых энантиомеров.
Катализ с использованием живых организмов/ферментов. История, похожая на разделение рацематов. Отличия только в том, что нам не нужно синтезировать рацематы: живые организмы изначально синтезируют (а ферменты - катализируют) то, что нам нужно.
Использование изначально хирально чистых молекул-прекурсоров. Прекурсоры - вещества, из которых путем синтеза получаются нужные нам молекулы. В части случаев у нас уже есть химически чистые прекурсоры, из которых мы можем получить сразу нужный энантиомер. Как уже упоминал, аминокислоты, сахара, органические кислоты (ДНК, РНК - это нуклеиновые кислоты) уже имеют заданную хиральность.
В общем, проблема рацематов, во многих случаях вполне решаема.
Так, если существуют более безопасные версии старых лекарств-рацематов в виде отдельных энантиомеров, почему же наши прилавки завалены этими самыми рацематами?
Думаю, ответ очевиден: это слишком дорого. Любая лишняя стадия производства - это всегда деньги. И цена того же левоцетиризина может быть более чем в 2 раза выше, чем обычного цетиризина. Плюс, не стоит забывать, что большое количество рацематов уже применяется десятилетиями. А регистрация нового препарата - это ОЧЕНЬ большие деньги.
Но, существуют и другие причины того, почему же не все рацематы нужно делить вообще.
Например как в истории с нашим любимым талидомидом. Как-раз, побочные эффекты вызывал только один энантиомер этого препарата-рацемата. Его можно было физически разделить. Но, засада в том, что прямо в нашем в организме "правильный" изомер может превратиться в "неправильный" (и наоборот: процесс идет в обе стороны). По итогу разделение не имеет смысла, если сам наш организм устроит такую засаду.
Но, в этом тоже может быть и положительный эффект. Например, ибупрофен тоже не имеет смысла очищать. Его неактивный изомер в организме же превращается в активный. При этом реакция идет строго в одну сторону.
Другой пример бесполезности разделения энантиомеров - это отсутствие преимуществ только активного изомера перед рацематом. Неактивный изомер не обладает выраженными побочными эффектами. Это просто балласт.











































