Flutikazon – strukturalne różnice form leku a skuteczność terapeutyczna

Flutikazon – klucz do skutecznej terapii?

Flutikazon to jeden z najczęściej przepisywanych leków na świecie, stosowany w leczeniu alergicznego nieżytu nosa, astmy i przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP). W 2021 roku zajmował 23. miejsce wśród najczęściej przepisywanych leków w Stanach Zjednoczonych, obejmując niemal 8 milionów pacjentów i 25 milionów recept rocznie. Występuje w dwóch głównych formach: jako flutikazon furoesan 1 oraz flutikazon propionian 2, które mimo podobnej struktury wykazują istotne różnice w działaniu terapeutycznym. Naukowcy po raz pierwszy zastosowali innowacyjną technikę mikroelektronowej dyfrakcji (MicroED) do szczegółowego zbadania struktur krystalicznych obu form flutikazonu, co pozwoliło na lepsze zrozumienie ich właściwości farmakologicznych.

Badania strukturalne leków sterydowych, takich jak flutikazon, stanowią wyzwanie ze względu na ograniczenia tradycyjnych metod krystalograficznych. Dotychczasowe analizy często wykorzystywały dyfrakcję rentgenowską monokryształów (SC-XRD), która wymaga dużych kryształów, co stanowiło istotne ograniczenie. “Technika MicroED pozwala ominąć ograniczenia związane z wielkością kryształów i jest szczególnie odpowiednia dla mikro- lub nanokryształów, czyli kryształów o wielkości zaledwie miliardowej części wielkości zwykle stosowanej w SC-XRD” – wyjaśniają badacze. Ta metoda okazała się przełomowa, umożliwiając uzyskanie wysokiej jakości modeli strukturalnych porównywalnych z wynikami SC-XRD, mimo wykorzystania jedynie mikrokryształów.

Naukowcy zastosowali MicroED do zbadania nieznanych wcześniej struktur krystalicznych flutikazonu furoesanu 1 oraz udoskonalenia znanych już struktur flutikazonu propionianu 2 w stanie stałym, bez udziału cząsteczek rozpuszczalnika. Mikroskopowe igłowe kryształy obu związków uzyskano przez rekrystalizację z metanolu w temperaturze pokojowej. Dane uzyskane metodą MicroED pozwoliły na dokładne określenie pozycji atomów, włącznie z atomami wodoru, co jest szczególnie istotne dla zrozumienia oddziaływań międzycząsteczkowych i właściwości farmakologicznych.

Czy strukturalne detale leku mają kluczowe znaczenie?

Chemicznie, zarówno 1 jak i 2 wykazują spójny szkielet steroidowy z identycznymi grupami podstawnikowymi; jedyna różnica polega na 17α-estryfikacji, z estrem furoesanowym w 1 i estrem propionianowym w 2. Ta podobna struktura chemiczna pozwala obu formom flutikazonu pełnić tę samą funkcję biologiczną jako agonistów receptora glikokortykoidowego (GR). Po związaniu z receptorem, kompleks GR przechodzi zmiany konformacyjne i translokację do jądra komórkowego, co moduluje ekspresję genów. Badania wykazały jednak, że powinowactwo do receptora GR różni się między obiema formami – 1 wykazuje niemal 70% silniejsze wiązanie niż 2.

Flutikazon jest dostępny w trzech formach farmaceutycznych: jako aerozol donosowy (w roztworze), inhalator proszkowy (stan stały) oraz maść (w oleju mineralnym). Leki w stanie stałym muszą zostać rozpuszczone przed wejściem w interakcję z białkiem docelowym, dlatego struktura w roztworze stanowi stan przejściowy przed konformacją związaną z białkiem. Modelowanie struktury w roztworze jest jednak wyzwaniem, ponieważ istnieje równowaga między wieloma konformacjami. Autorzy zastosowali obliczenia w ramach teorii funkcjonałów gęstości (DFT) do modelowania wpływu rozpuszczalnika i przewidywania preferowanych geometrii 1 i 2 w wodzie.

Przeprowadzono optymalizację geometryczną przy użyciu kombinacji funkcjonał/baza B3LYP/6-31G(d,p), z efektami rozpuszczalnika wody modelowanymi przez model kontinuum polaryzowanego przewodnika (CPCM) oraz model solwatacji oparty na gęstości (SMD). Struktury zoptymalizowane metodą B3LYP/6-31G(d,p) zostały dodatkowo zwalidowane przez porównanie z modelami obliczonymi z ωB97X/6-311G(d,p) i B3LYP/6-311G(d,p), nie wykazując zauważalnych różnic spowodowanych przez różne zestawy funkcjonał/baza.

Porównanie struktur 1 i 2 w ich stanach stałych z przewidywanymi strukturami w roztworze wykazało niewielkie zmiany konformacyjne w grupach podstawnikowych. Na przykład, w 1, kąt O4–C22–C23–O6 ulega rotacji o 16°, skręcając pierścień furoesanowy z 15,4° do -0,6°; w 2, grupa 3-keto (O2) i ester propionianowy (C23, C24) wykazują ruch o najwyżej 0,4 Å z powodu rozciągania molekularnego. Te niewielkie zmiany konformacyjne sugerują, że zarówno 1 jak i 2 są konformacyjnie ograniczone w stanie stałym i w roztworze.

Czy bariery rotacyjne decydują o efektywności leku?

Porównanie struktur flutikazonu w trzech stanach (stan stały, roztwór i konformacja związana z białkiem) pozwoliło na śledzenie zmian konformacyjnych. Zidentyfikowano trzy kąty torsyjne (α, β i γ) jako odpowiedzialne za główne zmiany konformacyjne. Co istotne, kąty torsyjne β i γ w 1 oraz kąty α i β w 2 wykazywały zmiany bliskie 180° podczas przejścia ze stanu stałego do konformacji związanej z białkiem.

Aby ilościowo ocenić bariery rotacyjne i profile energetyczne, naukowcy obliczyli względne energie potencjalne dla różnych kątów torsyjnych. “Rotacja kąta torsyjnego α znacząco wpływa na ogólną konformację grupy 17β-fluorometylotioestru i wiąże się z barierą rotacyjną około 14 kcal/mol” – zauważają badacze. W 1, kąt α pozostaje względnie stały, zmieniając się zaledwie o kilka stopni (284° w stanie stałym, 288° w roztworze i 295° w konformacji związanej z białkiem), co przekłada się na zmianę energii mniejszą niż 1 kcal/mol. Natomiast w 2 występuje rotacja kąta α o ponad 150° (109° w stanie stałym do około 260° w konformacji związanej z białkiem), wymagająca pokonania bariery energetycznej około 13 kcal/mol.

Te różnice energetyczne mogą wyjaśniać wolniejszą szybkość asocjacji z receptorem dla 2 w porównaniu do 1. Ponadto, większa swoboda konformacyjna grupy 17β-fluorometylotioestru w 2 sprawia, że jest ona bardziej podatna na metabolizm do pochodnej kwasu 17β-karboksylowego o znikomej aktywności glikokortykoidowej niż 1, co może tłumaczyć krótszy biologiczny okres półtrwania 2.

Rotacja kąta torsyjnego β wpływa na pozycję terminalnego atomu fluoru (F3). W strukturze kompleksu GR/1, atom F3 uczestniczy w słabym oddziaływaniu elektrostatycznym z resztą Asn564 (3,84 Å w 3CLD; 3,23 Å w 7PRV), a także w dwóch oddziaływaniach hydrofobowych z resztami Phe749 i Thr739. Wiązanie C–F wykazuje tendencję do elastyczności konformacyjnej, co potwierdzono eksperymentalnie przez słabszą gęstość elektronową w tym regionie. Obliczenia profili energii potencjalnej dla kąta β w 1 i 2 wykazały małą barierę rotacyjną (około 2,5 kcal/mol) w zakresie od 75° do 285° oraz dużą barierę rotacyjną (około 8,7 kcal/mol) w pozostałych zakresach.

Wcześniejsze badania wykazały lepsze dopasowanie pierścienia furoesanowego w 1 do kieszeni 17α receptora niż estru propionianowego w 2, co prowadzi do różnych szybkości asocjacji i dysocjacji. W kieszeni 17α pierścień furoesanowy oddziałuje hydrofobowo z resztami Met560, Leu563, Met639 i Met646. Ta geometria wynika z rotacji kąta γ w 1 (z 13° w stanie stałym do około 204° w konformacji związanej z białkiem), co wiąże się z barierą rotacyjną około 10 kcal/mol. Może również występować słabe wiązanie wodorowe (3,93 Å) między atomem O6 pierścienia furoesanowego a resztą Gln642. Natomiast część etylowa estru 17α-propionianowego w 2 jest bardziej elastyczna i posiada niższą barierę rotacyjną (około 1,4 kcal/mol).

Czy strukturalne różnice wpływają na wybór terapii?

Analiza upakowania krystalicznego wykazała istotne różnice między strukturami 1 i 2 uzyskanymi metodą MicroED. W 1, cząsteczki są ściśle upakowane poprzez powtarzające się wiązanie wodorowe O2–H···O1 (2,71 Å) między grupą 11β-hydroksylową (O2) a grupą 3-keto (O1) wzdłuż osi b. Podobne wiązanie wodorowe O2–H···O1 (2,76 Å) występuje również w 2. Słabe kontakty, takie jak kontakty C–H···F (H···F < 3,0 Å), rozszerzają upakowanie wzdłuż innych kierunków, ale różnią się między 1 i 2. Badanie wykazało również, że 8,7% objętości komórki elementarnej (55 ų na cząsteczkę) w 1 jest dostępne dla rozpuszczalnika, podczas gdy w 2 tylko 0,8% objętości komórki elementarnej (4,5 ų na cząsteczkę) jest dostępne dla wody, co wskazuje na ściślejsze upakowanie w 2 w porównaniu do 1 i lepszą przepuszczalność wody w 1 niż w 2.

Badanie to pokazuje, jak mikroskopowe różnice strukturalne między dwiema formami tego samego leku mogą przekładać się na istotne różnice w ich działaniu farmakologicznym. “Duża bariera rotacyjna pierścienia furoesanowego w 1 wskazuje, że jest on konformacyjnie stosunkowo sztywny w kieszeni 17α i byłby niechętny do dysocjacji; jednak nawet jeśli istnieje mniejsza bariera rotacyjna w 2, występuje zwiększenie entropii podczas dysocjacji z możliwą zwiększoną tendencją do uwolnienia” – podsumowują autorzy.

Czy te strukturalne różnice między formami flutikazonu mogą wpływać na decyzje terapeutyczne w praktyce klinicznej? Wyniki badań sugerują, że flutikazon furoesan 1 może oferować przewagę w postaci silniejszego i dłuższego działania przy niższych dawkach w porównaniu do flutikazonu propionianu 2. Dla lekarzy oznacza to możliwość bardziej precyzyjnego doboru terapii w zależności od potrzeb pacjenta – na przykład, gdy priorytetem jest dłuższe działanie leku lub gdy pożądana jest mniejsza dawka przy zachowaniu skuteczności terapeutycznej.

Badanie to stanowi przykład, jak połączenie zaawansowanych technik obrazowania strukturalnego (MicroED) z obliczeniami teoretycznymi (DFT) może dostarczyć kompleksowego zrozumienia zmian konformacyjnych i energetycznych, które mogą wyjaśniać różne właściwości farmaceutyczne związków podczas przechodzenia ze stanu stałego do konformacji związanej z białkiem. Takie podejście otwiera nowe możliwości w projektowaniu leków i optymalizacji ich właściwości terapeutycznych.

Podsumowanie

Flutikazon, jeden z najczęściej przepisywanych leków na świecie, występuje w dwóch głównych formach: jako furoesan i propionian. Wykorzystując innowacyjną technikę mikroelektronowej dyfrakcji (MicroED), naukowcy szczegółowo zbadali struktury krystaliczne obu form, co pozwoliło lepiej zrozumieć ich właściwości farmakologiczne. Badania wykazały, że furoesan ma silniejsze powinowactwo do receptora glikokortykoidowego i wykazuje dłuższe działanie terapeutyczne niż propionian. Jest to związane z różnicami w barierach rotacyjnych i konformacji cząsteczek. Furoesan charakteryzuje się również lepszą przepuszczalnością wody i stabilnością metaboliczną. Te strukturalne różnice przekładają się na praktyczne zastosowanie – furoesan może być stosowany w niższych dawkach przy zachowaniu skuteczności terapeutycznej. Badanie pokazuje, jak połączenie zaawansowanych technik obrazowania z obliczeniami teoretycznymi może przyczynić się do optymalizacji właściwości terapeutycznych leków.

Bibliografia

Lin Jieye, Unge Johan and Gonen Tamir. MicroED Structures
of Fluticasone Furoate and Fluticasone
Propionate Provide New Insights into Their Function. Crystal Growth & Design 2025, 25(5), 1588-1596. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.cgd.4c01683.