Je leest:

Race tegen resistentie

Race tegen resistentie

Auteurs: en | 1 april 2001

Snel, sneller, snelst. Scheikundigen maken in steeds hoger tempo varianten van nieuwe geneesmiddelen. Zo hopen ze de wapenwedloop te winnen van bacteriën, die ongevoelig worden voor veelgebruikte antibiotica. De snelheid waarmee bacteriën zich kunnen aanpassen verandert immers niet; het tempo van de onderzoekers wel. Scheikundigen gooien een nieuw, supersnel wapen in de strijd: vaste dragers.

Sommige ziekteverwekkende bacteriesoorten die artsen tot nu toe konden bestrijden met antibiotica, beginnen een probleem te worden. Ze worden ongevoelig voor veel gebruikte middelen; het arsenaal aan werkzame medicijnen raakt uitgeput. Een geduchte vijand is de zogenaamde ziekenhuisbacterie MRSA (methicilline-resistente Staphylococcus aureus), die alleen nog maar te stuiten is met het antibioticum vancomycine. Voor andere bacterietypes, zoals VRE (vancomycine-restistente enterococci), biedt zelfs vancomycine geen soelaas meer.

Methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA). Beeld: phillyhealthinfo.org

Om deze zorgelijke ontwikkeling te keren, brengt Pharmacia-Upjohn binnenkort het nieuwe antibioticum Linezolide op de markt. Het is, zo verwacht men, een succesvol wapen tegen MRSA en VRE omdat het de bacteriën op een andere plaats treft dan de oude antibiotica. Linezolide blokkeert in een zeer vroeg stadium de eiwitproductie in de bacteriecel; vroegere middelen, waaronder vancomycine en penicilline, remmen de groei van de celwand.

Linezolide is een succes van de chemie; het is het eerste voorbeeld van een geheel nieuwe klasse van antibiotica in dertig jaar. Maar hoe succesvol waarschijnlijk ook, op korte termijn zijn ongetwijfeld nog andere en betere antibiotica van deze klasse nodig. Want bacteriën ondergaan voortdurend willekeurige erfelijke veranderingen (mutaties), en op een gegeven moment ontstaan er individuen die ook ongevoelig zullen zijn voor het nieuwe middel. De anti-bacteriële strijd zal daardoor wel nooit staken.

Onderzoekers proberen nu een zeer groot aantal varianten van Linezolide te maken in de hoop dat daartussen stoffen zitten die de bacteriën nog effectiever uitschakelen of die meer soorten bacteriën doden. Dankzij nieuwe, vaak geautomatiseerde chemische technieken kan dat heel snel. Maakte een scheikundige een decennium geleden nog zo’n vijftig tot honderd nieuwe stoffen per jaar, nu haalt hij met gemak een veelvoud van dit aantal in enkele dagen.

Het tempo waarin chemici nieuwe verbindingen maken, komt zo weer in evenwicht met de snelheid waarmee biologen de werking ervan onderzoeken. Het effect van antibiotica testen ze bijvoorbeeld in een bacteriekweek. Dat testen was vroeger een echte bottleneck. Biologen hebben inmiddels methoden ontwikkeld waarmee ze vele tienduizenden stoffen per dag kunnen screenen; de chemici bleven achter met het aanleveren van nieuwe kandidaat-medicijnen. Ze lopen die achterstand nu weer in.

Van poeder tot gel

Het nieuwe antibioticum Linezolide behoort tot de klasse van de oxazolidinonen. Dit zijn relatief eenvoudige moleculen met een centrale ringvormige structuur en twee zijgroepen. Linezolide is een synthetisch product.

Sleutelen aan Linezolide. De bouw van het nieuwe antibioticum Linezolide: een centrale ring en twee zijgroepen.

Voor de biologische werking is een aantal bestanddelen van dit molecuul essentieel en die laten we dus ongemoeid. Aan de twee zijgroepen kunnen we sleutelen. Om nieuwe varianten te maken, bouwen we er chemische groepen in die totaal verschillend van aard zijn en ook weer verder veranderd kunnen worden.

Varianten. De chemische structuur van een oxazolidinonmolecuul, waarvan we Linezolide-varianten maken. De rechter zijketen wijst naar achteren en moet ook in de varianten naar achteren wijzen. Zou deze naar voren steken, dan hadden we een spiegelbeeld van het molecuul. De biologische activiteit daarvan zou heel anders zijn. Verder zijn de met rode pijlen gemerkte plaatsen essentieel voor de biologische werking. De met paars en oranje aangegeven groepen R1 en R2 kunnen we variëren.

Het gaat ons in de eerste plaats om het ontwikkelen van de methode. We willen weten of onze methode veelzijdig genoeg is om met al die verschillende groepen te werken zodat het in de toekomst vele varianten van de oxazolidinonstructuur kan opleveren. We houden daarbij de biologische veelzijdigheid in het oog. Er zijn wat aanwijzingen over welke variaties veelbelovend zijn.

We bouwen de aan Linezolide verwante moleculen op uit kleine bouwstenen en doen dat op een nieuwe manier: we maken gebruik van een vaste drager. We stappen daarmee af van de oude en nog steeds gebruikelijke methode. De uitgangsstoffen en de activerende stoffen – bijvoorbeeld katalysatoren – worden daarbij allemaal in een oplossing bijeengebracht (katalysatoren versnellen de reactie, die spontaan meestal erg langzaam zou verlopen).

Een vaste drager is veelal een polymeer, een soort plastic, waaraan één van de stoffen die bij de reactie betrokken zijn gekoppeld wordt. Het polymeer is onoplosbaar en ziet er uit als een poeder. Breng je het in de oplossing, dan zuigt het zich als een spons vol en krijgt het een gel-achtig aanzien. Het voordeel van een vaste drager is, dat het de synthese aanzienlijk versnelt.

Tijdwinst

We kunnen een vaste drager op twee manieren gebruiken. De eerste manier is, om er één van de uitgangsstoffen aan te verankeren. De andere bouwstenen en de activerende stoffen zitten dan in een oplosmiddel, zodat ze goed met de verankerde stof in contact kunnen komen. Aan de drager vinden dan de nodige reacties plaats. Na afloop is het gevormde product automatisch ook aan deze drager verankerd.

Voordelen van een vaste drager. Het maken ofwel synthetiseren van nieuwe stoffen is een zeer belangrijk onderdeel van de scheikunde. Daarbij koppelen we bijvoorbeeld twee uitgangsstoffen aaneen tot een nieuwe verbinding, het product. Vroeger bracht een chemicus vrijwel altijd de uitgangsstoffen in een oplossing bij elkaar, vaak samen met activerende stoffen die de de koppeling sneller doen verlopen. Tegenwoordig gebruiken we bij het synthetiseren ook vaak vaste dragers. In het schema zit aan die vaste drager een van de uitgangsstoffen vast. Het product komt uiteindelijk ook aan de drager vast te zitten. Omdat reacties vrijwel nooit helemaal efficiënt verlopen, ontstaan er ongewenste bijproducten en moeten we het gewenste product zuiveren. Hier heeft een vaste drager een voordeel boven synthetiseren in oplossing: als we filteren, verdwijnen bijproducten met activerende stoffen in het oplosmiddel. De vaste drager met het gewenste product blijft op het filter achter. Het zuivere product wordt tenslotte van de vaste drager afgesplitst.

Het grote voordeel van het gebruik van een vaste drager komt nu naar voren: het is zeer eenvoudig om het product te zuiveren van overgebleven uitgangsstoffen, activerende stoffen en bijproducten. Bijproducten ontstaan altijd, omdat een reactie vrijwel nooit honderd procent efficiënt verloopt.

In de gemakkelijke zuiveringsstap zit een grote tijdwinst. Als beide uitgangsstoffen in oplossing zitten, komt namelijk ook het eindproduct in oplossing en zijn tijdrovende en omslachtige zuiveringsmethoden nodig om het in handen te krijgen. Nu verwijderen we de bijproducten simpelweg door het reactiemengsel te filteren. Het product – gebonden aan het onoplosbare polymeer – blijft achter op het filter. We hoeven het alleen nog van het dragerpolymeer af te splitsen.

Hoewel de synthese als geheel – de verschillende reacties en de zuivering van het product – sneller is dankzij de snelle zuivering, verlopen de reacties op zichzelf vaak minder snel dan in oplossing. De belangrijkste reden daarvoor is dat de uitgangsstoffen minder makkelijk met elkaar in contact komen. Dit is een nadeel, want daardoor valt de opbrengst aan product vaak tegen. Maar bij de vroege ontwikkeling van nieuwe medicijnen geeft dat niet. De opbrengst is dan ondergeschikt aan het snel verkrijgen van nieuwe kandidaat-medicijnen.

Linezolide-varianten

We pasten bovenstaand principe – een van de uitgangsstoffen op een vaste drager – toe op het maken van varianten van Linezolide. De door ons ontwikkelde methode heeft een extra voordeel. De centrale ring sluit zich namelijk tijdens de afsplitsingsreactie, dus het loskoppelen valt samen met het vormen van de ring. Zouden we het product in een aparte reactie afsplitsen, dan zouden de fragmenten die het gewenste product níet bevatten ook worden afgesplitst. Daardoor zouden er verontreinigingen in het uiteindelijke product zitten. Ons gecombineerde proces van cyclisatie én afsplitsing in één stap heeft dit nadeel niet: alleen volledig gevormde producten hebben de juiste structuur om de cyclisatie te ondergaan.

Synthese aan vaste drager. De vaste drager bestaat uit polystyreen met een groot aantal sulfonylchloride-groepen (SO2Cl) eraan gebonden. 1) Eerste zijgroep koppelen Aan deze groepen verankeren we 1,2-dialcohol waaraan de eerste zijgroep vastzit. Door deze koppeling wordt de primaire alcoholgroep geactiveerd, wat een vereiste is voor de laatste stap. _2) Tweede zijgroep aanbrengen _Aan de secundaire alcoholgroep koppelen we isocyanaat, en brengen daarmee de tweede zijgroep aan. Er ontstaat een carbamaatfunctie die de eigenschap bezit in de aanwezigheid van een base een geactiveerde alcoholgroep te kunnen substitueren. 3) Ringsluiting en afsplitsing Dat gebeurt in de laatste stap van de synthese; de nieuwe verbinding sluit zich en splitst tegelijkertijd af. Alleen volledig gevormde lineaire producten die de juiste structuur hebben om de ringsluiting te kunnen ondergaan, kunnen worden afgesplitst. Affiltreren. Wat overblijft na affilteren van de vaste drager is zeer zuiver product.

De tweede manier waarop we de vaste drager gebruiken is: een katalysator eraan te verankeren. Zo kun je een doorstroomproces opzetten waarbij het oplosmiddel met de uitgangsstoffen door een reactievat stroomt, waarin zich de vaste drager bevindt met de katalysator eraan gebonden. Aan de ene kant van een reactievat stromen de uitgangsstoffen in, aan de andere zijde tap je het reactieproduct af.

Voor onze reacties ontwikkelden we een speciale katalysator, een b-aminoalcohol, waarvan de synthese een paar dagen tijd vergt en die dus kostbaar is. Binden we die katalysator aan de vaste drager, dan heeft dat tot voordeel dat we de katalysator na de reactie eenvoudig door filtreren kunnen terugwinnen en meerdere malen opnieuw gebruiken. Het eindproduct kunnen we sneller zuiveren omdat de katalysator al door middel van een filtratie verwijderd wordt. De reactie verloopt bovendien goed, zodat alle uitgangsstoffen worden verbruikt en er geen bijproducten ontstaan.

Commercieel

Een bijkomend voordeel van het werken met vaste dragers is, dat robots de reacties kunnen uitvoeren. Dit versnelt het proces nog verder. De verdere ontwikkeling van deze revolutionaire synthesetechniek is nog volop aan de gang: van allerlei bekende processen ontwikkelen onderzoekers momenteel alternatieve routes aan vaste dragers, zodat het repertoire aan vaste-drager-reacties snel groeit.

De verscheidenheid aan verkrijgbare vaste dragers, alle met hun eigen specifieke toepassing, blijft stijgen en de ontwikkeling van verankerde katalysatoren en andere reactie-activerende stoffen speelt een steeds belangrijkere rol. Veel van deze stoffen, waaronder de door ons ontwikkelde katalysator, zijn nu commercieel verkrijgbaar en staan dus ter beschikking van alle onderzoekers. Willen we aan de vraag aan een groot aantal nieuwe stoffen voldoen, dan is de vaste-drager-methode eenvoudig en snel.

Hiermee is niet gezegd dat de traditionele synthese in oplossing overbodig is geworden. Als uit testen is gebleken dat een van de kandidaat-medicijnen de gewenste biologische werking heeft, gaat men kijken hoe de productie op te schalen en de syntheseroute te optimaliseren. Dan is synthese in oplossing vaak weer de beste optie.

Dit artikel verscheen eerder in Natuurwetenschap & Techniek, jaargang 2001, aflevering 4

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 april 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.