PREVER framework for specification of related substances based on in silico prediction and forced degradation studies

Medikamente sind keine statischen Objekte; sie sind chemische Einheiten, die sich im Laufe der Zeit verändern können, ganz ähnlich wie Lebensmittel, die verderben, oder Metall, das rostet. Wenn ein Arzneimittel zerfällt, können neue Substanzen entstehen, die als Verunreinigungen oder Abbauprodukte bezeichnet werden. Selbst in winzigen Mengen können diese neuen Chemikalien die Wirksamkeit eines Medikaments verändern oder, schlimmer noch, es unsicher in der Einnahme machen. Für Wissenschaftler, die neue Medikamente entwickeln, besteht die Herausforderung darin, genau vorherzusagen, was diese unerwünschten Nebenprodukte sein könnten, noch bevor das Medikament den Patienten erreicht. Dies ist besonders schwierig in der frühen Phase der Entwicklung, wenn es noch nicht genügend reale Daten darüber gibt, wie sich das Medikament über Monate oder Jahre hinweg verhält. Um dies zu lösen, wenden Forscher zunehmend eine Strategie namens „Safe and Sustainable by Design“ an, die Computermodelle und sorgfältige Tests nutzt, um Risiken vorauszuschauen und Sicherheit von Beginn an in das Produkt einzubauen.

Ein Forschungsteam von Farmanguinhos in Brasilien wandte diesen zukunftsorientierten Ansatz auf ein gängiges Medikament zur Behandlung der Schistosomiasis an, einer parasitären Erkrankung, die Millionen von Menschen weltweit betrifft. Bei dem fraglichen Medikament handelt es sich um Praziquantel, das oft als 600-Milligramm-Tabletten verkauft wird. Das Team entwickelte ein neues Framework namens PREVER, um herauszufinden, welche Verunreinigungen genau in diesen Tabletten auftreten könnten, und um strenge Grenzwerte festzulegen, wie viel davon erlaubt ist. Ihr Ziel war es, ein Sicherheitsnetz zu schaffen, das Computervorhersagen mit realen Experimenten kombiniert, um sicherzustellen, dass das Medikament während seiner gesamten Haltbarkeit rein und wirksam bleibt.

Der Prozess begann mit einer digitalen Vorhersagephase. Die Forscher nutzten Computersoftware, um zu simulieren, wie das Praziquantel-Molekül unter verschiedenen Stressbedingungen, wie etwa der Einwirkung von Säure, Hitze oder Licht, zerfallen könnte. Basierend auf diesen Simulationen und einer Überprüfung der bestehenden wissenschaftlichen Literatur identifizierten sie sechs potenzielle Verunreinigungen, die theoretisch entstehen könnten. Dazu gehörten eine Substanz namens Praziquanamin, eine Verbindung namens Cyclohexancarbonsäure und mehrere andere Moleküle mit spezifischen chemischen Gewichten. In dieser Phase waren dies nur Möglichkeiten, theoretische Geister von Chemikalien, die existieren könnten, falls das Medikament degradieren würde.

Um zu sehen, ob diese Geister real waren, ging das Team für die Reproduktionsphase ins Labor. Sie nahmen echte Praziquantel-Tabletten und setzten sie extremen Stressbedingungen aus, die darauf ausgelegt waren, das Medikament schneller zerfallen zu lassen, als es in einem normalen Medikamentenschrank der Fall wäre. Sie setzten die Tabletten starken Säuren, Basen und Oxidationsmitteln aus und erhitzten sie auf hohe Temperaturen. Mithunter Einsatz fortschrittlicher chemischer Analysetools beobachteten sie, welche der vorhergesagten Verunreinigungen tatsächlich auftraten. Das Experiment bestätigte, dass drei der vorhergesagten Substanzen tatsächlich entstanden: Praziquanamin und zwei andere Abbauprodukte, die das Team als DP-1 und DP-2 bezeichnete. Obwohl das Team erwartet hatte, dass Cyclohexancarbonsäure zusammen mit Praziquanamin entstehen würde, wurde sie experimentell nicht nachgewiesen, wahrscheinlich weil sie nicht über die chemische Struktur verfügt, die nötig wäre, um von ihrer spezifischen Testausrüstung gesehen zu werden.

Mit der Liste der realen Verunreinigungen in der Hand mussten die Forscher dann bestimmen, ob diese gefährlich waren. Anstatt jede einzelne an Tieren zu testen, was zeitaufwendig ist und ethische Bedenken aufwirft, nutzten sie eine computerbasierte toxikologische Bewertung. Diese Methode, bekannt als In-silico-Testen, vergleicht die Struktur der neuen Verunreinigungen mit bekannten Chemikalien mit etablierten Sicherheitsprofilen. Die Computermodelle sagten voraus, dass keine der Verunreinigungen wahrscheinlich genetische Mutationen oder andere schwerwiegende Gesundheitsprobleme verursachen würde. Basierend auf diesen Sicherheitsberechnungen legte das Team vorläufige Sicherheitsgrenzwerte für jede Verunreinigung fest. Zum Beispiel entschieden sie, dass Praziquanamin 0,2 Prozent des Gesamtgewichts der Tablette nicht überschreiten sollte, während DP-1 bis zu 0,5 Prozent zugelassen werden könnte. Diese Zahlen boten eine vorläufige Sicherheitsleitplanke, während das Produkt finalisiert wurde.

Der letzte und kritischste Schritt war die Verifizierung. Das Team lagerte die Praziquantel-Tabletten in einer kontrollierten Umgebung, die die heißen und feuchten Bedingungen eines tropischen Klimas nachahmte, für zwei volle Jahre. Sie testeten die Tabletten regelmäßig, um zu sehen, ob tatsächlich einige der von ihnen vorhergesagten und vorläufig begrenzten Verunreinigungen während der normalen Lagerung auftraten. Die Ergebnisse waren bemerkenswert sauber. Nach 24 Monaten wurden keine der fünf Hauptverunreinigungen, auf die sie geachtet hatten, in den Tabletten nachgewiesen. Das Medikament blieb stabil, und die vorhergesagten Abbauprodukte bildeten sich unter realen Lagerbedingungen einfach nicht.

Da die Langzeitstudie keine Degradation zeigte, passten die Forscher ihre endgültigen Sicherheitsregeln an. Anstatt die verschiedenen Grenzwerte für jede spezifische Verunreinigung beizubehalten, legten sie eine einzige, konservative Regel fest: Die Gesamtmenge einer einzelnen Verunreinigung sowie die Gesamtmenge aller Verunreinigungen zusammen darf 0,2 Prozent nicht überschreiten. Diese Entscheidung basierte auf der Tatsache, dass das Medikament stabiler war als die Worst-Case-Szenarien vermuten ließen, dennoch wollte das Team eine hohe Sicherheitsmarge beibehalten. Die Studie kam zu dem Schluss, dass das PREVER-Framework die Entwicklung des Medikaments erfolgreich geleitet hat, indem es eine Mischung aus Computervorhersagen und experimentellen Beweisen nutzte, um sicherzustellen, dass das Endprodukt sicher, stabil und bereit für die Patienten ist, die darauf angewiesen sind, diese verheerende Krankheit zu bekämpfen.