Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Department of Molecular and Analytical Chemistry (University of Szeged)
Starting date
2019-12-01
Closing date
2022-11-30
Funding (in million HUF)
25.048
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Egy gyógyászati célra szánt hatóanyag kifejlesztésekor nem elegendő csupán a feltételezett támadásponton való hatékonyságát vizsgálni, hanem szükséges azon paraméterek számbavétele is, amelyek a támadáspontig való eljutást, illetve az onnan való távozást befolyásolják. Ezeket összefoglalóan farmakokinetikai tulajdonságoknak nevezzük melyekre alapvetően kihatnak a kifejlesztett hatóanyag fizikai-kémiai jellemzői (pl. oldhatóság, protonáltsági állapot és lipofilitás az adott környezetben) és a vérszérum szállító fehérjéihez (pl. humán szérum albumin, humán transzferrin, α1-savas glikoprotein) való kötődése is. Ez utóbbi kölcsönhatás késlelteti a szervezetből való ürülést és bizonyos esetekben a hatóanyag célba juttatásában is részt vesz. A pályázatban rákellenes hatású Ru(II)-polipiridil komplexek és tirozin kináz inhibitorok, valamint antipszichotikus aktivitású kumarin származékok klasszikus oldategyensúlyi jellemzését szeretném elvégezni és szérumfehérjékkel való kölcsönhatásukat szeretném vizsgálni. Az eredmények segíteni fogják ezen fémkomplexek és nemfémes vegyületek szervezeten belüli viselkedésének, farmakokinetikai tulajdonságainak megértését, hozzájárulhat szerkezet-hatás összefüggések felállításához, és ezen eredmények segítségéven jobb hatásprofilú származékok előállítása válik lehetővé. Célom továbbá a makromolekula – kismolekula kölcsönhatás vizsgálatok kiterjesztése a vegyületek szélesebb körére a jövőben.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Egy hatóanyag in vivo hatékonyságát farmakokinetikai viselkedése (felszívódás, szervezetbeli eloszlás, metabolizmus és elimináció) épp annyira befolyásolja, mint a támadáspontjával való kölcsönhatása. Ezen tulajdonságokat részben az adott hatóanyag fizikai kémiai jellemzői és a szérumfehérjékhez való kötődése határozzák meg. Ezek a tulajdonságok – ha ismerjük a hatás kialakításában játszott szerepüket – akár optimalizálhatók is. Ezt szeretném vizsgálni Ru(II)-komplexek és tirozin kináz inhibítor hatóanyagok, illetve különböző kumarin származék hatóanyag jelöltek esetében. Ezen egyensúlyi folyamatokat és a fehérjékhez való kötődést különböző technikák, mint pl. pH-potenciometriás, spektroszkópiai (fluorimetria, UV-látható, NMR,), elválasztási (ultraszűrés, kapilláris elektroforézis) és izotermális titráló kalorimetria módszerek kombinált használatával fogom tanulmányozni. Az eredmények részletes elemzésével fel szeretném tárni, hogy milyen fizikai-kémiai jellemzőknek és mely fehérjékkel való kölcsönhatásoknak lehet szerepe a biológiai hatékonyság kialakításában.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A hatóanyag jelölt vegyületek fizikai-kémia tulajdonságainak és a vérszérum fehérjékkel való kölcsönhatásának vizsgálata a preklinikai tesztelés fontos részét képezik. Ezek a tulajdonságok alapvetően befolyásolják egy vegyület hatékonyságát. A szérumfehérjékkel való kölcsönhatást számos kutatócsoportban vizsgálják, azonban nem ritkán a vizsgálni kívánt fehérje helyett egy olcsóbb modell fehérjét használnak: pl. humán szérum albumin helyett szarvasmarha albumint. Továbbá nagyon gyakran csak spektroszkópiai módszerek, esetenként egyetlen módszer és méréstípus eredményei alapján következtetnek a kölcsönhatás helyére, erősségére és természetére. A kötési állandók számolásához jelentős elhanyagolásokkal élő grafikus, linearizációs módszereket használnak és nem céljuk az így meghatározott állandókat a kötés erősségének megbecsülésére, vagy modellszámolásokhoz felhasználni. Ezzel szemben a mi célunk a kötődés teljesebb körű jellemzése többféle spektroszkópiai és elválasztási módszer kombinációjával; a kötési állandókat numerikus úton számítógépes programokkal számoljuk és kifejezetten célunk a vérszérumbeli viszonyok között modellezni az adott hatóanyag eloszlását. A vizsgálataink során kapott egymással összehasonlítható paramétereket, mint pl. a különböző fizikai-kémiai tulajdonságok, szérumfehérjék felé mutatott affinitási adatok és in vitro aktivitás segítik a biológiai hatékonyságban és mellékhatásokban megfigyelhető különbségek jobb megértését. Munkánk így támogatja a hatóanyagok fejlesztését. A befogadó intézmény által biztosított kutatóhely infrastrukturálisan kiválóan alkalmas arra, hogy vizsgálataimat elvégezzem. A külföldi partnerek – akik az in vitro aktivitási adatok és a tanulmányozni kívánt vegyületek egy részét rendelkezésemre bocsátják – kutatási területükön nemzetközileg elismert szakemberek.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A hatóanyag jelölt molekulák korai tesztelésekor nem elegendő csupán a feltételezett támadásponton való hatásosság bizonyítása, hanem ezen vegyületek fizikai-kémiai tulajdonságait és a vérben való tartózkodásukat befolyásoló tényezőket is számba kell venni. Előfordulhat ugyanis, hogy az egyébként hatékonynak tűnő vegyület nem képes eljutni a támadáspontjához, mert pl. nem ér el megfelelő koncentrációt a vérben vagy nem képes belépni a sejtekbe. Alapvető fontosságú tehát az egyes hatóanyag jelöltek oldatkémiai jellemzése, lipidoldékonyságának vizsgálata és vérszérum fehérjékhez való kötődésének tanulmányozása. A vérfehérjékkel (pl. albumin) való kölcsönhatás természetének és mértékének ismerete magyarázattal szolgálhat a vizsgált hatóanyag szervezetben való eloszlására. Ebben a pályázatban különböző újonnan fejlesztett vagy már forgalomban lévő szerves vegyület és fémkomplex szervezetben való viselkedését befolyásoló tulajdonságait szeretnénk vizsgálni. Ennek érdekében részletesen fogom jellemezni az oldatkémiai tulajdonságaikat, valamint a vérben megtalálható szérum fehérjékkel való kölcsönhatásukat. Reményeim szerint eredményeink elemzésével a hatóanyagok eltérő viselkedését megérthetjük és hatékonyabb származékok fejlesztését javasolhatjuk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. During the development of a novel pharmaceutical agent investigation of the phamacokinetic behavior is as important as monitoring the pharmacodynamics of the compound. Pharmacokinetic properties, which determine the way of the drug molecule in human body, are essentially affected by the physico-chemical character (e.g. solubility, protonation state and lipophilicity in the given milieu) and by the binding ability towards blood serum proteins (pl. human serum albumin, transferrin, α1-acid glycoprotein). This latter interaction results in prolonged plasma half-life of the active compound and in some cases it can be exploited for targeted drug delivery as well. In this project I would like to investigate the biospeciation of anticancer Ru(II)-polypyridyl complexes and tyrosine kinase inhibitors and coumarin derivatives of antipsychotic activity. This investigation covers traditional solution equilibrium characterization and studies on the serum protein binding of the selected compounds. The results will help to elucidate the fate of these metal complexes and non-metallic compounds in the biofluids in order to understand the pharmacokinetic properties. It can provide useful data to reveal structure-activity relationships allowing the design of drug derivatives of better activity. My future aim is to extend our investigations on macromolecule – small molecule interactions for a larger scale of compounds.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The in vivo efficacy of a pharmaceutical agent is determined as much by its pharmacokinetic properties (absorption, distribution in the body, metabolism and elimination) as its effect on the target molecule. Pharmacokinetics of a drug are partly governed by its physico-chemical character (e.g. solubility, protonation state, lipophilicity) and the ability to bind towards blood serum proteins. These properties, if we know their in vivo relevance, can be optimized as well. I would like to study Ru(II)-polypyridyl complexes and tyrosine kinase inhibitors and coumarin derived drug candidates. I will investigate the solution chemistry and serum protein binding of these compounds by the combined use of pH-potentiometry, spectroscopic (spectrofluorometry, UV-visible and NMR spectroscopy), separation (ultrafiltration, capillary electrophoresis) and isothermal titration calorimetric techniques. I would like to reveal, which physico-chemical properties and which serum protein binding interactions could have an impact on the biological efficacy of these drugs.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Investigation of physico-chemical properties and serum protein binding of drug candidate molecules represent important part of preclinical testing. These properties affect essentially the in vivo efficacy of a drug. The interaction of active agents with serum proteins are investigated in numerous research groups, but sometimes cheaper models are used instead of the original protein (e.g. bovine albumin instead of human albumin). Furthermore, binding sites, binding mode and affinity are often concluded only on the basis of spectroscopic data or even on the basis of one technique and one type of measurement. Binding constants are calculated by highly simplified linearization methods and these data are not utilized to evaluate binding strength or create model calculations. On the other hand, our aim is to implement more detailed characterization on serum protein binding of active compounds by the combined use of spectroscopic and separation techniques. Binding constants are calculated numerically by computer programs and we definitively aim to model the distribution of the studied compounds at blood serum conditions. The collected parameters such as various physico-chemical properties, binding constants towards serum proteins and in vitro activity will be comparable to each other, and their careful analysis can contribute to the understanding of differences in drug’s efficacy and side effect profiles. This way our work will support the rational drug design. To perform this investigation an excellent infrastructure is provided at the host research units. My collaborators, who provide in vitro bioactivity data and some of the studied compounds, are internationally well recognized experts in their research field.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. During the early testing of drug candidates, it is not enough to prove the efficacy on their targets, but physico-chemical properties and factors affecting their residence in blood have to be considered as well. Otherwise it is possible that a compound, which appears to be effective at laboratory conditions, is not able to reach its target due to its low concentration in blood or because it cannot enter cells. This way, solution chemical characterization, investigation of lipophilicity and serum protein binding are also essential elements in drug development. The knowledge of the nature and extent of serum protein (e.g. albumin) binding of an active agent may provide useful information on the biodistribution of this molecule in human body. In this project various novel or marketed non-metallic agents and metallodrugs will be studied in order to explore features affecting their way in human body. For this reason, I will investigate solution chemical properties and blood serum protein binding of these compounds in detail. Hopefully, by careful analysis of our results we can understand the behavior of the various agents and can propose the development of more potent derivatives.
Final report
Results in Hungarian
A potenciális gyógyszerhatóanyagok tesztelésének fontos lépését képezik a farmakokinetikai viselkedésüket alapvetően befolyásoló fizikai-kémiai tulajdonságok és a vérszérum alkotóival való kölcsönhatásuk feltárása. A nagyon rossz vízoldhatóság, a lipid membránokon való korlátozott áthatolás képessége vagy a hatóanyag - kismértékű szérumfehérje kötődés miatti - gyors kiürülése a szervezetből a hatékonyság csökkenéséhez vezethet. Az ezen tulajdonságokat feltérképező preklinikai vizsgálatok eredményei magyarázhatják egy hatóanyag jelölt hatásosságát vagy annak hiányát. A pályázat keretein belül rákellenes hatású Ru(II)-polipiridil- és In(III)-komplexeket, illetve többféle kismolekulás szerves hatóanyag (rákellenes, antivirális, gombaellenes szerek) jellemzését végeztük el. Több vegyületcsoport esetében összefüggést mutattunk ki a szerkezet és a szérumfehérje kötődés mértéke között, továbbá egyes hatóanyagok nagyfokú szérumfehérje kötődését összefüggésbe tudtuk hozni a klinikumban tapasztalt hatékonyság vesztéssel is. Ezen ismeretek hozzájárulnak ahhoz, hogy a jövőben előnyösebb farmakokinetikai profilú hatóanyagok fejlesztését javasoljuk. A három éves pályázat öt, már megjelent (és egy bírálat alatt álló) tudományos közleménnyel zárult, melyek összesített hatástényezője 23.
Results in English
The elucidation of the physicochemical properties that fundamentally influence the pharmacokinetic behavior of a potential drug, is an important step in its preclinical testing. Very poor water solubility of a drug candidate, limited ability to cross lipid membranes or rapid elimination of the active substance from the body due to low serum protein binding may lead to reduced efficacy. The results of preclinical studies mapping these properties may explain the efficacy or lack of efficacy of the drug candidate. Within the framework of this project, we have carried out the characterization of Ru(II)-polypyridyl and In(III) complexes with anticancer activity and several small molecule organic active compounds (antitumor, antiviral, antimycotic compounds). For several groups of compounds, a correlation between structure and the degree of serum protein binding was found, and the high degree of serum protein binding of some agents was also associated with a loss of efficacy reported in the clinical use. This knowledge helps us to propose the development of active substances with a more advantageous pharmacokinetic profile in the future. The three-year project ended with five scientific publications (plus one paper being under review) with a summed impact factor of 23.
Anna Notaro, Marta Jakubaszek, Severin Koch, Riccardo Rubbiani, Orsolya Dömötör, Éva A. Enyedy, Mazzarine Dotou, Fethi Bedioui, Mickaël Tharaud, Bruno Goud, Stefano Ferrari, Enzo Alessio, Gilles Gasser: A Maltol‐Containing Ruthenium Polypyridyl Complex as a Potential Anticancer Agent, Chemistry A European Journal, Volume: 26 Issue: 22 4997-5009., 2020
Marlene Mathuber, Hemma Schueffl, Orsolya Dömötör, Claudia Karnthaler, Éva A. Enyedy, Petra Heffeter, Bernhard K. Keppler, Christian R. Kowol: Improving the Stability of EGFR Inhibitor Cobalt(III) Prodrugs, Inorganic Chemistry, Volume: 59, Issue: 23, 17794–17810, 2020
