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

Medicijnen zijn geen statische objecten; het zijn chemische entiteiten die kunnen veranderen in de loop van de tijd, net zoals voedsel dat bederft of metaal dat roest. Wanneer een medicijn afbreekt, kunnen er nieuwe stoffen ontstaan die onzuiverheden of degradatieproducten worden genoemd. Zelfs in minuscule hoeveelheden kunnen deze nieuwe chemicaliën de effectiviteit van een medicijn beïnvloeden of, erger nog, het onveilig maken om in te nemen. Voor wetenschappers die nieuwe medicijnen ontwikkelen, is de uitdaging om precies te voorspellen wat deze ongewenste bijproducten zullen zijn voordat het medicijn ooit een patiënt bereikt. Dit is vooral moeilijk in de vroege stadia van ontwikkeling, wanneer er nog niet genoeg gegevens uit de echte wereld beschikbaar zijn over hoe het medicijn zich gedraagt over maanden of jaren. Om dit op te lossen, wenden onderzoekers zich steeds vaker tot een strategie genaamd "Safe and Sustainable by Design" (Veilig en Duurzaam door Ontwerp), die computermodellen en zorgvuldige tests gebruikt om risico's te voorzien en veiligheid vanaf het begin in het product in te bouwen.

Een team van onderzoekers van Farmanguinhos in Brazilië paste deze vooruitziende aanpak toe op een veelvoorkomend medicijn dat wordt gebruikt voor de behandeling van schistosomiasis, een parasitaire ziekte die miljoenen mensen wereldwijd treft. Het medicijn in kwestie is praziquantel, vaak verkocht als tabletten van 600 milligram. Het team ontwikkelde een nieuw kader genaamd PREVER om te achterhalen welke onzuiverheden er precies zouden kunnen verschijnen in deze tabletten en om strikte limieten vast te stellen voor de hoeveelheid waarvan de aanwezigheid is toegestaan. Hun doel was om een veiligheidsnet te creëren dat computervoorspellingen combineert met experimenten uit de praktijk, om ervoor te zorgen dat het medicijn gedurende zijn houdbaarheid zuiver en effectief blijft.

Het proces begon met een digitale voorspellingsfase. De onderzoekers gebruikten computersoftware om te simuleren hoe het praziquantelmolecuul uit elkaar zou kunnen vallen onder verschillende stressvolle omstandigheden, zoals blootstelling aan zuren, hitte of licht. Op basis van deze simulaties en een beoordeling van de bestaande wetenschappelijke literatuur identificeerden zij zes potentiële onzuiverheden die theoretisch zouden kunnen ontstaan. Deze omvatten een stof genaamd praziquanamine, een verbinding genaamd cyclofaancarbonzuur en verschillende andere moleculen met specifieke chemische gewichten. Op dit stadium waren dit slechts mogelijkheden, theoretische spoken van chemicaliën die zouden kunnen bestaan als het medicijn zou degraderen.

Om te zien of deze spoken echt waren, gingen de onderzoekers over naar de laboratoriumfase voor de reproductie. Ze namen daadwerkelijke praziquanteltabletten en onderwierpen deze aan extreme stresscondities die ontworpen waren om het medicijn sneller af te breken dan het dat zou doen in een normale medicijnkast. Ze exposeerden de tabletten aan sterke zuren, basen en oxiderende middelen, en verhitten ze tot hoge temperaturen. Met behulp van geavanceerde chemische analysetools hielden ze in de gaten welke van de voorspelde onzuiverheden daadwerkelijk verschenen. Het experiment bevestigde dat drie van de voorspelde stoffen inderdaad waren gevormd: praziquanamine en twee andere degradatieproducten die het team DP-1 en DP-2 noemde. Hoewel het team verwachtte dat cyclofaancarbonzuur samen met praziquanamine zou vormen, werd het experimenteel niet gedetecteerd, waarschijnlijk omdat het de chemische structuur mist die nodig is om door hun specifieke testapparatuur te worden waargenomen.

Met de lijst van echte onzuiverheden in handen, moesten de onderzoekers vervolgens bepalen of deze gevaarlijk waren. In plaats van elke onzuiverheid op dieren te testen, wat tijdrovend is en ethische bezwaren oproep, gebruikten zij een computergestuurde toxicologische beoordeling. Deze methode, bekend als in silico testen, vergelijkt de structuur van de nieuwe onzuiverheden met bekende chemicaliën met een vastgestelde veiligheidsprofiel. De computermodellen voorspelden dat geen van de onzuiverheden waarschijnlijk genetische mutaties of andere ernstige gezondheidsproblemen zou veroorzaken. Op basis van deze veiligheidsberekeningen stelde het team tijdelijke veiligheidslimieten vast voor elke onzuiverheid. Zo besloten zij dat praziquanamine de 0,2 procent van het totale tabletgewicht niet mag overschrijden, terwijl voor DP-1 tot 0,5 procent toegestaan zou kunnen zijn. Deze cijfers boden een voorlopige veiligheidsbarrière terwijl het product werd afgerond.

De laatste en meest cruciale stap was verificatie. Het team bewaarde de praziquanteltabletten in een gecontroleerde omgeving die de hete en vochtige omstandigheden van een tropisch klimaat nabootste gedurende twee volledige jaren. Ze testten de tabletten regelmatig om te zien of enige van de onzuiverheden die zij hadden voorspeld en tijdelijk beperkt, daadwerkelijk verscheen tijdens normale opslag. De resultaten waren opmerkelijk schoon. Na 24 maanden was geen van de vijf belangrijkste onzuiverheden waar zij op hadden gelet, in de tabletten gedetecteerd. Het medicijn bleef stabiel, en de voorspelde afbraakproducten vormden zich simpelweg niet onder opslagomstandigheden in de echte wereld.

Omdat de langetermijnstudie geen degradatie aantoonde, pasten de onderzoekers hun definitieve veiligheidsregels aan. In plaats van verschillende limieten voor elke specifieke onzuiverheid aan te houden, stelden zij één enkele, conservatieve regel vast: de totale hoeveelheid van een enkele onzuiverheid, en het totaal van alle onzuiverheden gecombineerd, mag 0,2 procent niet overschrijden. Deze beslissing was gebaseerd op het feit dat het medicijn stabieler was dan de worst-case scenario's suggereerden, maar het team wilde toch een hoge veiligheidsmarge behouden. De studie concludeerde dat het PREVER-kader de ontwikkeling van het medicijn succesvol had begeleid, waarbij een combinatie van computervoorspellingen en experimenteel bewijs werd gebruikt om te garanderen dat het eindproduct veilig, stabiel en klaar is voor patiënten die erop vertrouwen om een verwoestende ziekte te bestrijden.