固態NMR藥物技術的發展與新動向展望

通過在學術及工業環境中的研究，特別是由于各大實驗室繼續在更廣泛的SSNMR領域中實現并擴展其最新成就，固態NMR波譜（SSNMR）在藥物分析中的發展與應用正持續獲得進展{ 1, 2 }。
 
特別是高靜態場強、基于同核偶極解耦序列的實驗以及基于動態核極化（DNP）的實驗，在具有相似性質的固體藥物材料和有機材料中的應用日益增加{1-5}。
 
以上方法加之其它最新發展，實現了對以前未獲充分利用的各種核的利用，如1H、14N、17O以及35Cl，它們都得到藥物領域的共同關注，并且還得以在各種結晶和非晶相的研究中實現更高的靈敏度{6-8}。魔角旋轉（MAS）以及靜態方法在這些應用中仍然存在價值。
 
本文著重介紹兩種最近開發的方法，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
 
使用高場強靜態磁場的1H SSNMR能對某些效應進行仔細觀察，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，當分離物也是固相時，通常涉及兩個或多個成分的分子復合物。
 
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子位置的1H信號{9}。
  圖1：在35kHz MAS旋轉速率、16.4T靜態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。有關這些波譜的詳細解釋，請參閱{9}。
 
約9ppm到15ppm間的波譜區域通常由分配給氫鍵質子的共振填充，由于這些相的晶體結構內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，同時還能提供關于所得到的氫鍵動向的信息，所有這些都無需了解晶體結構。
 
除了更高的場強之外，在1H波譜觀察中應用同核偶極解耦，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脈沖序列實現同核1H解耦獲得的1H波譜進行比較。
 
在非結晶鹽酸喹那普利的實例中，使用DUMBO解耦揭示出在氫鍵區域中存在至少兩個質子共振，這很可能與非結晶固體中的羧酸和質子化胺基團有關。 圖2：在16.4T靜態磁場中，使用常規MAS與DUMBO偶極解耦獲得的非結晶鹽酸喹那普利（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，這些觀察結果也突顯出了SSNMR在探測非結晶藥物材料結構上的能力。通過使用高場強和同核偶極解耦獲得的優異分辨率，能實現對直接獲得的、或通過1H-1H、1H-13C及其它2D相關方法，利用或不利用晶體結構以及伴隨的DFT化學屏蔽計算獲得的1H波譜的詳細分配 { 1, 2 }。
 
動態核極化
 
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}、以及對非結晶有機分子的研究中{5}實現顯著的信號增強。在DNP儀器以及穩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晶固態分散體（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連續波回旋管源產生的微波輻射、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%二氟尼柳的非結晶固態分散體的13C CP-MAS波譜，分別在應用DNP（微波開啟）和無DNP（微波關閉）條件下獲取。使用1,1,2,2-四氯乙烷溶劑（在70-80ppm區域中產生信號），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。中心頻帶出現在180至10ppm區域。每個頻譜是16 掃描結果。使用7秒的弛豫延遲，在施加微波輻射時發生DNP積聚。波譜在8kHz MAS速率、9.4T靜態場強下獲得，檢測溫度為100K。
 
可以看到非結晶藥物產生的強裂信號，例如在140到100ppm區域，經微波輻射下的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。非結晶固態分散體代表了藥物開發中一個極具吸引力的領域，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獲得更多結構信息成為可能。
 
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記的更廣泛使用、更佳的波譜預測與分析計算方法，以及多維方法的更多應用。
 
將這些方法轉化用于藥物材料，提供了對這些材料的結構乃至最終對其性能的更深理解。隨著SSNMR方法的繼續進步，其在藥物系統上的應用也有望繼續發展。
 
致謝
 
Shane Pawsey博士和Jochem Struppe博士（Bruker Biospin）為協助進行實驗并提供數據，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NMR藥物技術的發展與新動向
 
通過在學術及工業環境中的研究，特別是由于各大實驗室繼續在更廣泛的SSNMR領域中實現并擴展其最新成就，固態NMR波譜（SSNMR）在藥物分析中的發展與應用正持續獲得進展{ 1, 2 }。
 
特別是高靜態場強、基于同核偶極解耦序列的實驗以及基于動態核極化（DNP）的實驗，在具有相似性質的固體藥物材料和有機材料中的應用日益增加{1-5}。
 
以上方法加之其它最新發展，實現了對以前未獲充分利用的各種核的利用，如1H、14N、17O以及35Cl，它們都得到藥物領域的共同關注，并且還得以在各種結晶和非晶相的研究中實現更高的靈敏度{6-8}。魔角旋轉（MAS）以及靜態方法在這些應用中仍然存在價值。
 
本文著重介紹兩種最近開發的方法，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
 
使用高場強靜態磁場的1H SSNMR能對某些效應進行仔細觀察，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，當分離物也是固相時，通常涉及兩個或多個成分的分子復合物。
 
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子位置的1H信號{9}。

圖1：在35kHz MAS旋轉速率、16.4T靜態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。有關這些波譜的詳細解釋，請參閱{9}。
 
約9ppm到15ppm間的波譜區域通常由分配給氫鍵質子的共振填充，由于這些相的晶體結構內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，同時還能提供關于所得到的氫鍵動向的信息，所有這些都無需了解晶體結構。
 
除了更高的場強之外，在1H波譜觀察中應用同核偶極解耦，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脈沖序列實現同核1H解耦獲得的1H波譜進行比較。
 
在非結晶鹽酸喹那普利的實例中，使用DUMBO解耦揭示出在氫鍵區域中存在至少兩個質子共振，這很可能與非結晶固體中的羧酸和質子化胺基團有關。

圖2：在16.4T靜態磁場中，使用常規MAS與DUMBO偶極解耦獲得的非結晶鹽酸喹那普利（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，這些觀察結果也突顯出了SSNMR在探測非結晶藥物材料結構上的能力。通過使用高場強和同核偶極解耦獲得的優異分辨率，能實現對直接獲得的、或通過1H-1H、1H-13C及其它2D相關方法，利用或不利用晶體結構以及伴隨的DFT化學屏蔽計算獲得的1H波譜的詳細分配 { 1, 2 }。
 
動態核極化
 
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}、以及對非結晶有機分子的研究中{5}實現顯著的信號增強。在DNP儀器以及穩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晶固態分散體（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連續波回旋管源產生的微波輻射、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%二氟尼柳的非結晶固態分散體的13C CP-MAS波譜，分別在應用DNP（微波開啟）和無DNP（微波關閉）條件下獲取。使用1,1,2,2-四氯乙烷溶劑（在70-80ppm區域中產生信號），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。中心頻帶出現在180至10ppm區域。每個頻譜是16 掃描結果。使用7秒的弛豫延遲，在施加微波輻射時發生DNP積聚。波譜在8kHz MAS速率、9.4T靜態場強下獲得，檢測溫度為100K。
 
可以看到非結晶藥物產生的強裂信號，例如在140到100ppm區域，經微波輻射下的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。非結晶固態分散體代表了藥物開發中一個極具吸引力的領域，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獲得更多結構信息成為可能。
 
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記的更廣泛使用、更佳的波譜預測與分析計算方法，以及多維方法的更多應用。
 
將這些方法轉化用于藥物材料，提供了對這些材料的結構乃至最終對其性能的更深理解。隨著SSNMR方法的繼續進步，其在藥物系統上的應用也有望繼續發展。
 
致謝
 
Shane Pawsey博士和Jochem Struppe博士（Bruker Biospin）為協助進行實驗并提供數據，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。