固態(tài)NMR藥物技術(shù)的發(fā)展與新動向展望

通過在學(xué)術(shù)及工業(yè)環(huán)境中的研究，特別是由于各大實驗室繼續(xù)在更廣泛的SSNMR領(lǐng)域中實現(xiàn)并擴展其最新成就，固態(tài)NMR波譜（SSNMR）在藥物分析中的發(fā)展與應(yīng)用正持續(xù)獲得進展{ 1, 2 }。
 
特別是高靜態(tài)場強、基于同核偶極解耦序列的實驗以及基于動態(tài)核極化（DNP）的實驗，在具有相似性質(zhì)的固體藥物材料和有機材料中的應(yīng)用日益增加{1-5}。
 
以上方法加之其它最新發(fā)展，實現(xiàn)了對以前未獲充分利用的各種核的利用，如1H、14N、17O以及35Cl，它們都得到藥物領(lǐng)域的共同關(guān)注，并且還得以在各種結(jié)晶和非晶相的研究中實現(xiàn)更高的靈敏度{6-8}。魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）以及靜態(tài)方法在這些應(yīng)用中仍然存在價值。
 
本文著重介紹兩種最近開發(fā)的方法，它們對于藥物研究具有廣泛的潛在適用性，涉及：（1）1H SSNMR在高場強與同核偶極解耦；和（2）DNP增強藥物SSNMR波譜，例如使用非晶相固體分散體（一種常用藥物輸送固體劑型）。
 
高場強1H SSNMR與同核偶極解耦
 
使用高場強靜態(tài)磁場的1H SSNMR能對某些效應(yīng)進行仔細觀察，如一些感興趣的藥物材料中的氫鍵。這在藥物共晶體的研究中特別相關(guān)，當(dāng)分離物也是固相時，通常涉及兩個或多個成分的分子復(fù)合物。
 
用特定藥物形成多種共晶體提供了靈活性，而且在某些情況下還能定制所產(chǎn)生的共晶相的物理特性，并為不適合于形成鹽類的藥物分子提供新的可能性。
 
例如，圖1顯示了在16.4T靜態(tài)場強、35kHz MAS速率下獲得的藥物替諾昔康的四種共晶體的1H波譜{9}。該波譜是使用2.5mm雙共振探針獲得的，該探針還能夠觀察到具有較低回磁比的異核體，例如14N、17O和35Cl。該波譜提供了相對高的分辨率，并且能觀察到許多有意義的質(zhì)子位置的1H信號{9}。
  圖1：在35kHz MAS旋轉(zhuǎn)速率、16.4T靜態(tài)磁場強度下獲得藥物替諾昔康的四種共晶體的1H SSNMR波譜，測量溫度為283K。有關(guān)這些波譜的詳細解釋，請參閱{9}。
 
約9ppm到15ppm間的波譜區(qū)域通常由分配給氫鍵質(zhì)子的共振填充，由于這些相的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的氫鍵具有強烈影響，因而這在共晶研究中通常具有一定意義。
 
利用高場強1H SSNMR實驗，可以快速評估共晶體的成功形成，同時還能提供關(guān)于所得到的氫鍵動向的信息，所有這些都無需了解晶體結(jié)構(gòu)。
 
除了更高的場強之外，在1H波譜觀察中應(yīng)用同核偶極解耦，也為對藥物材料的研究提供了很多益處。
 
許多感興趣的藥物材料是非結(jié)晶、非長程有序的，這限制了衍射法在研究中的適用性。這些系統(tǒng)仍可以使用1H SSNMR進行有益的研究。
 
在圖2中，將在16.4T下單獨使用MAS獲得的非結(jié)晶鹽酸喹那普利的1H SSNMR波譜，與在同一磁場中使用加窗eDUMBO-122脈沖序列實現(xiàn)同核1H解耦獲得的1H波譜進行比較。
 
在非結(jié)晶鹽酸喹那普利的實例中，使用DUMBO解耦揭示出在氫鍵區(qū)域中存在至少兩個質(zhì)子共振，這很可能與非結(jié)晶固體中的羧酸和質(zhì)子化胺基團有關(guān)。 圖2：在16.4T靜態(tài)磁場中，使用常規(guī)MAS與DUMBO偶極解耦獲得的非結(jié)晶鹽酸喹那普利（Sigma-Aldrich Co.；美國密蘇里州圣路易斯市）的1H SSNMR波譜。分別使用35kHz和30 kHz MAS速率獲得的MAS波譜和DUMBO波譜。測量溫度為283K。
 
即使不做詳細解釋，這些觀察結(jié)果也突顯出了SSNMR在探測非結(jié)晶藥物材料結(jié)構(gòu)上的能力。通過使用高場強和同核偶極解耦獲得的優(yōu)異分辨率，能實現(xiàn)對直接獲得的、或通過1H-1H、1H-13C及其它2D相關(guān)方法，利用或不利用晶體結(jié)構(gòu)以及伴隨的DFT化學(xué)屏蔽計算獲得的1H波譜的詳細分配 { 1, 2 }。
 
動態(tài)核極化
 
對DNP方法的使用已表明，能在對具有較長1H T1值的微晶固體的研究中{4}、以及對非結(jié)晶有機分子的研究中{5}實現(xiàn)顯著的信號增強。在DNP儀器以及穩(wěn)定自由基分子方面的最新進展，進一步擴展了DNP方法的實用性{10}。
 
圖3顯示了DNP方法應(yīng)用潛力的一個實例，即在聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中含30%（w/w）藥物二氟尼柳的非結(jié)晶固態(tài)分散體（也被稱為玻璃溶液）{7}。通過與圖3中的交叉極化（CP）MAS波譜進行比較，可觀察到顯著的增強，這是在100K下、使用263GHz連續(xù)波回旋管源產(chǎn)生的微波輻射、微波傳輸線、3.2mm低溫MAS探針，以及400MHz Bruker Avance III大口徑SSNMR波譜儀所獲得的{10}。
  圖3：PVP{7}中含30%二氟尼柳的非結(jié)晶固態(tài)分散體的13C CP-MAS波譜，分別在應(yīng)用DNP（微波開啟）和無DNP（微波關(guān)閉）條件下獲取。使用1,1,2,2-四氯乙烷溶劑（在70-80ppm區(qū)域中產(chǎn)生信號），以16mM bCTbK自由基（bis-TEMPO-bis-ketal，其中TEMPO為 [2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基]氧化釔）浸漬分散體。中心頻帶出現(xiàn)在180至10ppm區(qū)域。每個頻譜是16 掃描結(jié)果。使用7秒的弛豫延遲，在施加微波輻射時發(fā)生DNP積聚。波譜在8kHz MAS速率、9.4T靜態(tài)場強下獲得，檢測溫度為100K。
 
可以看到非結(jié)晶藥物產(chǎn)生的強裂信號，例如在140到100ppm區(qū)域，經(jīng)微波輻射下的16掃描之后，突顯了快速1D分析以及更高2D實驗靈敏度的潛力。非結(jié)晶固態(tài)分散體代表了藥物開發(fā)中一個極具吸引力的領(lǐng)域，DNP增強13C核和其它低靈敏度核信號的能力將使從這些系統(tǒng)獲得更多結(jié)構(gòu)信息成為可能。
 
未來方向
 
這里所描述的例子僅代表了SSNMR波譜最新發(fā)展的一小部分，其特征也在于更高的四極核利用、順磁探針和同位素標(biāo)記的更廣泛使用、更佳的波譜預(yù)測與分析計算方法，以及多維方法的更多應(yīng)用。
 
將這些方法轉(zhuǎn)化用于藥物材料，提供了對這些材料的結(jié)構(gòu)乃至最終對其性能的更深理解。隨著SSNMR方法的繼續(xù)進步，其在藥物系統(tǒng)上的應(yīng)用也有望繼續(xù)發(fā)展。
 
致謝
 
Shane Pawsey博士和Jochem Struppe博士（Bruker Biospin）為協(xié)助進行實驗并提供數(shù)據(jù)，特此致謝。
 
 
參考文獻
 

1. Geppi, M.、Mollica, G.、Borsacchi, S.、Veracini, C. A.； Spectrosc. Rev. 2008；43, 202-302。
2. Vogt, F. G.； Med. Chem.；2010, 2, 915-921。
3. Madhu, P. K.；Solid State Nucl. Magn. Reson. 2009, 35, 2-11。
4. Rossini, A. J.、Zagdoun, A.、Hegner, F.、Schwarzwalder, M.、Gajan, D.、Coperet, C.、Lesage, A.Emsley, L. J. ； Chem. Soc. 2012, 134, 16899-16908。
5. Ong, T. C.、Mak-Jurkauskas, M. L.、Walish, J. J.、Michaelis, V. K.、Corzilius, B.、Smith, A. A.、Clausen, A. M.、Cheetham, J. C.、Swager, T. M.、Griffin, R. G.； Phys. Chem. B；2013, 117, 3040-3046。
6. Tatton, A. S.、Pham, T. N.、Vogt, F. G.、Iuga, D.、Edwards, A. J.、Brown, S. P.； Pharm. 2013, 10, 999-1007。
7. Vogt, F. G.、Yin, H.、Forcino, R. G.、Wu, L.； Pharm. 2013, 10, 3433-3446。
8. Hamaed, H.、Pawlowski, J. M.、Cooper, B. F. T.、Fu, R. Q.、Eichhorn, S. H.、Schurko, R. W.； Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11056-11065。
9. Patel, J. R.、Carlton, R. A.、Needham, T. E.、Chichester, C. O.、Vogt, F. G.； J. Pharm. 2012, 436, 685-706。
10. Rosay, M.、Tometich, L.、Pawsey, S.、Bader, R.、Schauwecker, R.、Blank, M.、Borchard, P. M.、Cauffman, S. R.、Felch, K. L.、Weber, R. T.、Temkin, R. J.、Griffin, R. G.、Maas, W. E.；Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 5850-5860。

 
固態(tài)NMR藥物技術(shù)的發(fā)展與新動向
 
通過在學(xué)術(shù)及工業(yè)環(huán)境中的研究，特別是由于各大實驗室繼續(xù)在更廣泛的SSNMR領(lǐng)域中實現(xiàn)并擴展其最新成就，固態(tài)NMR波譜（SSNMR）在藥物分析中的發(fā)展與應(yīng)用正持續(xù)獲得進展{ 1, 2 }。
 
特別是高靜態(tài)場強、基于同核偶極解耦序列的實驗以及基于動態(tài)核極化（DNP）的實驗，在具有相似性質(zhì)的固體藥物材料和有機材料中的應(yīng)用日益增加{1-5}。
 
以上方法加之其它最新發(fā)展，實現(xiàn)了對以前未獲充分利用的各種核的利用，如1H、14N、17O以及35Cl，它們都得到藥物領(lǐng)域的共同關(guān)注，并且還得以在各種結(jié)晶和非晶相的研究中實現(xiàn)更高的靈敏度{6-8}。魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）以及靜態(tài)方法在這些應(yīng)用中仍然存在價值。
 
本文著重介紹兩種最近開發(fā)的方法，它們對于藥物研究具有廣泛的潛在適用性，涉及：（1）1H SSNMR在高場強與同核偶極解耦；和（2）DNP增強藥物SSNMR波譜，例如使用非晶相固體分散體（一種常用藥物輸送固體劑型）。
 
高場強1H SSNMR與同核偶極解耦
 
使用高場強靜態(tài)磁場的1H SSNMR能對某些效應(yīng)進行仔細觀察，如一些感興趣的藥物材料中的氫鍵。這在藥物共晶體的研究中特別相關(guān)，當(dāng)分離物也是固相時，通常涉及兩個或多個成分的分子復(fù)合物。
 
用特定藥物形成多種共晶體提供了靈活性，而且在某些情況下還能定制所產(chǎn)生的共晶相的物理特性，并為不適合于形成鹽類的藥物分子提供新的可能性。
 
例如，圖1顯示了在16.4T靜態(tài)場強、35kHz MAS速率下獲得的藥物替諾昔康的四種共晶體的1H波譜{9}。該波譜是使用2.5mm雙共振探針獲得的，該探針還能夠觀察到具有較低回磁比的異核體，例如14N、17O和35Cl。該波譜提供了相對高的分辨率，并且能觀察到許多有意義的質(zhì)子位置的1H信號{9}。

圖1：在35kHz MAS旋轉(zhuǎn)速率、16.4T靜態(tài)磁場強度下獲得藥物替諾昔康的四種共晶體的1H SSNMR波譜，測量溫度為283K。有關(guān)這些波譜的詳細解釋，請參閱{9}。
 
約9ppm到15ppm間的波譜區(qū)域通常由分配給氫鍵質(zhì)子的共振填充，由于這些相的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的氫鍵具有強烈影響，因而這在共晶研究中通常具有一定意義。
 
利用高場強1H SSNMR實驗，可以快速評估共晶體的成功形成，同時還能提供關(guān)于所得到的氫鍵動向的信息，所有這些都無需了解晶體結(jié)構(gòu)。
 
除了更高的場強之外，在1H波譜觀察中應(yīng)用同核偶極解耦，也為對藥物材料的研究提供了很多益處。
 
許多感興趣的藥物材料是非結(jié)晶、非長程有序的，這限制了衍射法在研究中的適用性。這些系統(tǒng)仍可以使用1H SSNMR進行有益的研究。
 
在圖2中，將在16.4T下單獨使用MAS獲得的非結(jié)晶鹽酸喹那普利的1H SSNMR波譜，與在同一磁場中使用加窗eDUMBO-122脈沖序列實現(xiàn)同核1H解耦獲得的1H波譜進行比較。
 
在非結(jié)晶鹽酸喹那普利的實例中，使用DUMBO解耦揭示出在氫鍵區(qū)域中存在至少兩個質(zhì)子共振，這很可能與非結(jié)晶固體中的羧酸和質(zhì)子化胺基團有關(guān)。

圖2：在16.4T靜態(tài)磁場中，使用常規(guī)MAS與DUMBO偶極解耦獲得的非結(jié)晶鹽酸喹那普利（Sigma-Aldrich Co.；美國密蘇里州圣路易斯市）的1H SSNMR波譜。分別使用35kHz和30 kHz MAS速率獲得的MAS波譜和DUMBO波譜。測量溫度為283K。
 
即使不做詳細解釋，這些觀察結(jié)果也突顯出了SSNMR在探測非結(jié)晶藥物材料結(jié)構(gòu)上的能力。通過使用高場強和同核偶極解耦獲得的優(yōu)異分辨率，能實現(xiàn)對直接獲得的、或通過1H-1H、1H-13C及其它2D相關(guān)方法，利用或不利用晶體結(jié)構(gòu)以及伴隨的DFT化學(xué)屏蔽計算獲得的1H波譜的詳細分配 { 1, 2 }。
 
動態(tài)核極化
 
對DNP方法的使用已表明，能在對具有較長1H T1值的微晶固體的研究中{4}、以及對非結(jié)晶有機分子的研究中{5}實現(xiàn)顯著的信號增強。在DNP儀器以及穩(wěn)定自由基分子方面的最新進展，進一步擴展了DNP方法的實用性{10}。
 
圖3顯示了DNP方法應(yīng)用潛力的一個實例，即在聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中含30%（w/w）藥物二氟尼柳的非結(jié)晶固態(tài)分散體（也被稱為玻璃溶液）{7}。通過與圖3中的交叉極化（CP）MAS波譜進行比較，可觀察到顯著的增強，這是在100K下、使用263GHz連續(xù)波回旋管源產(chǎn)生的微波輻射、微波傳輸線、3.2mm低溫MAS探針，以及400MHz Bruker Avance III大口徑SSNMR波譜儀所獲得的{10}。
 
圖3：PVP{7}中含30%二氟尼柳的非結(jié)晶固態(tài)分散體的13C CP-MAS波譜，分別在應(yīng)用DNP（微波開啟）和無DNP（微波關(guān)閉）條件下獲取。使用1,1,2,2-四氯乙烷溶劑（在70-80ppm區(qū)域中產(chǎn)生信號），以16mM bCTbK自由基（bis-TEMPO-bis-ketal，其中TEMPO為 [2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基]氧化釔）浸漬分散體。中心頻帶出現(xiàn)在180至10ppm區(qū)域。每個頻譜是16 掃描結(jié)果。使用7秒的弛豫延遲，在施加微波輻射時發(fā)生DNP積聚。波譜在8kHz MAS速率、9.4T靜態(tài)場強下獲得，檢測溫度為100K。
 
可以看到非結(jié)晶藥物產(chǎn)生的強裂信號，例如在140到100ppm區(qū)域，經(jīng)微波輻射下的16掃描之后，突顯了快速1D分析以及更高2D實驗靈敏度的潛力。非結(jié)晶固態(tài)分散體代表了藥物開發(fā)中一個極具吸引力的領(lǐng)域，DNP增強13C核和其它低靈敏度核信號的能力將使從這些系統(tǒng)獲得更多結(jié)構(gòu)信息成為可能。
 
未來方向
 
這里所描述的例子僅代表了SSNMR波譜最新發(fā)展的一小部分，其特征也在于更高的四極核利用、順磁探針和同位素標(biāo)記的更廣泛使用、更佳的波譜預(yù)測與分析計算方法，以及多維方法的更多應(yīng)用。
 
將這些方法轉(zhuǎn)化用于藥物材料，提供了對這些材料的結(jié)構(gòu)乃至最終對其性能的更深理解。隨著SSNMR方法的繼續(xù)進步，其在藥物系統(tǒng)上的應(yīng)用也有望繼續(xù)發(fā)展。
 
致謝
 
Shane Pawsey博士和Jochem Struppe博士（Bruker Biospin）為協(xié)助進行實驗并提供數(shù)據(jù)，特此致謝。
 
 
參考文獻
 

1. Geppi, M.、Mollica, G.、Borsacchi, S.、Veracini, C. A.； Spectrosc. Rev. 2008；43, 202-302。
2. Vogt, F. G.； Med. Chem.；2010, 2, 915-921。
3. Madhu, P. K.；Solid State Nucl. Magn. Reson. 2009, 35, 2-11。
4. Rossini, A. J.、Zagdoun, A.、Hegner, F.、Schwarzwalder, M.、Gajan, D.、Coperet, C.、Lesage, A.Emsley, L. J. ； Chem. Soc. 2012, 134, 16899-16908。
5. Ong, T. C.、Mak-Jurkauskas, M. L.、Walish, J. J.、Michaelis, V. K.、Corzilius, B.、Smith, A. A.、Clausen, A. M.、Cheetham, J. C.、Swager, T. M.、Griffin, R. G.； Phys. Chem. B；2013, 117, 3040-3046。
6. Tatton, A. S.、Pham, T. N.、Vogt, F. G.、Iuga, D.、Edwards, A. J.、Brown, S. P.； Pharm. 2013, 10, 999-1007。
7. Vogt, F. G.、Yin, H.、Forcino, R. G.、Wu, L.； Pharm. 2013, 10, 3433-3446。
8. Hamaed, H.、Pawlowski, J. M.、Cooper, B. F. T.、Fu, R. Q.、Eichhorn, S. H.、Schurko, R. W.； Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11056-11065。
9. Patel, J. R.、Carlton, R. A.、Needham, T. E.、Chichester, C. O.、Vogt, F. G.； J. Pharm. 2012, 436, 685-706。
10. Rosay, M.、Tometich, L.、Pawsey, S.、Bader, R.、Schauwecker, R.、Blank, M.、Borchard, P. M.、Cauffman, S. R.、Felch, K. L.、Weber, R. T.、Temkin, R. J.、Griffin, R. G.、Maas, W. E.；Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 5850-5860。