CC BY
100
УДК 615.214:548.33+54.161,162
О. В. Карпухина, К. З. Гумаргалиева, С. Б. Бокиева, А. Н. Иноземцев, О. Н. Кузнецова, Г. Е. Заиков
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОГО ПОЛИМОРФИЗМА ПИРАЦЕТАМА
Ключевые слова: пирацетам, полиморфизм, тяжёлые металлы.
Исследованы две полиморфные структуры пирацетама. Установлено, что в водном растворе структура пирацетама в присутствии солей тяжелых металлов претерпевает изменения с образованием промежуточных продуктов, которые значительно влияют на функциональные свойства лекарственного препарата.
Keywords: piracetam, polymorphism, heavy metals.
The two polymorphic structures of piracetam has been investigated . The structure of piracetam in water solution of heavy metals is changing with the formation of intermediate products that affect the functional properties of the drug.
Введение
Большое число современных лекарственных препаратов полиморфны по своей физической структуре при одном и том же химическом составе, и в процессе перехода из одной формы в другую возможны существенные изменения лечебных свойств. [1-2]. Структурный полиморфизм определён у широко используемого в терапии нервных болезней ноотропного препарата -пирацетама [3-4].
Согласно Кембриджской базе кристалло-структурных данных, пирацетам (2-оксо-1-пирролидинацетамид) может существовать в виде 1 псевдополиморфной и 3 полиморфных форм. Боковая цепь в молекуле пирацетама за счет вращения может принимать несколько положений (рис. 1).
Рис. 1 - Вращение углов между атомами C2-N1-C6-C7 и N1-C6-C7-N8 в молекуле пирацетама (Nowell, Price, 2005)
Гибкие молекулы пирацетама с различными конформациями (рис. 2) формируют различные типы упаковки, что определяет наличие полиморфных форм пирацетама.
Рис. 2 - Конформации молекулы пирацетама в различных полиморфных формах препарата (ТаЬЫаш й а1., 2005)
Необходимо учитывать, что различия в кристаллических структурах полиморфных форм могут значительно влиять на физико-химические
параметры лекарственного вещества и, как следствие, изменять фармацевтические свойства препарата [1-2, 5]
Терапевтическое действие пирацетама оценивается неоднозначно [6-7], что, может быть связано со структурным полиморфизмом ноотропного препарата. Последние исследования показали, что важную роль в структурных изменениях пирацетама играет растворитель [8]. Физико-химические характеристики растворителя -воды, в частности её солевой состав, могут приводить к таким структурным изменениям пирацетама, которые, в свою очередь, повлияют на его функциональные свойства [9].
Экспериментальная часть
Нами был проведён хроматографический анализ растворов пирацетама в дистиллированной воде с добавлением и без добавления солей тяжёлых металлов. Для структурных исследований готовили 2%-ный по массе раствор пирацетама и растворы диацетата свинца сульфита кобальта и хлорида кадмия концентраций ниже ПДК, определённых для солей металлов в питьевой воде. По изменению хроматограммы анализировали изменение состояния растворов во времени. Хроматограммы получены на хроматографе фирмы "Beckman": носитель - отрицательная фаза ОСД, элюирование -изократическое, 1мм/мин, элюент метанол-вода (15:85, объемное соотношение), детектирование осуществлялось при длине волны 220 нм.
Методом УФ - спектроскопии (спектрофотометр SP8-100 PYE UNICAM) исследовалась кинетика растворения
кристаллического пирацетама (0,5 мг/мл) в физиологическом растворе и в воде, содержащей одну из солей тяжелого металла: диацетат свинца, или сульфит кобальта (0,08 мг/мл), или хлорид кадмия (0,08 мг/мл). Растворы исследовались при температуре 23 °С ± 1°С. Оптическую плотность растворов измеряли в интервале длин волн от 200 до 280 нм. Толщина кварцевых кювет была равна 0,1 см. Фотометрическая точность при измерении оптической плотности D равна ± 0,001.
Нами установлено, что диацетат свинца, сульфит кобальта и хлорид кадмия выступают в
роли катализаторов структурных перестроек пирацетама.
В присутствии соли тяжелого металла в растворе пирацетама резко увеличивается содержание биологически активных продуктов диссоциации препарата. Ранее нами был определен временной интервал [10], в котором в результате структурных изменений в растворе появляются определённые полиморфные формы пирацетама.
^ ^
V
Рис. 3: а) структура низкоплавкой полиморфной формы пирацетама I; Ь) структура высокоплавкой полиморфной формы II (РаЬЫаш й а1., 2005)
.........- водородные связи
При растворении пирацетама в водном растворе диацетата свинца примерно за 30 минут происходит распределение на две стабильные полиморфные структуры, являющиеся аналогами структур, присутствующих и в твердой субстанции ноотропа.
Схему формирования кристаллических полиморфных форм пирацетама в растворе можно представить следующим образом:
освобождающиеся при разрыве водородных связей внутри слоя карбонильные группы образуют межслоевые сопряженные связи с такими же карбонильными группами соседних слоев. Основными структурными элементами пирацетама являются бесконечные слои (рис. 3 а, б), состоящие из двух видов циклов для каждой полиморфной модификации, которые имеют различные физико-химические характеристики, в частности разные температуры плавления.
В низкоплавкой полиморфной
модификации I пирацетама представлены цикл Я(8) из 6 химических и 2 водородных связей (димер ацетамида) и цикл Я(18) из 14 химических и 4 водородных связей, а для высокоплавкой полиморфной формы II пирацетама характерны цикл Я(22) из 18 химических и 4 водородных связей и цикл Я(18) из 14 химических связей и 4 водородных (рис.3). Наиболее стабильными из циклов, образованных водородными связями, являются димеры ацетамида с 8 атомами. Водородные связи (КН -СО) других циклов Я(22) в водных растворах могут легко разрываться и также легко, из-за слабой подвижности освободившихся полярных фрагментов, снова образовываться.
Наши исследования показали, что кристаллическая полиморфная структура I пирацетама (характеризующаяся меньшей температурой плавления), в растворе, не содержащем соли тяжелых металлов, изменяется от исходной структуры, основанной на водородных связях в отдельных слоях и межслойных сопряженных связях, до структуры без сопряженных связей, но с сохранением системы водородных связей (т. н. аморфной структуры). В то же время полиморфная форма II пирацетама с большей температурой плавления сохраняет полностью упорядоченную структуру независимо от концентрации препарата и времени хранения раствора.
Аморфные структуры, как правило, обладают большей растворимостью и химически более активны, чем кристаллические вещества. Термообработка (нагрев на силиконовой бане до 525 К с последующей закалкой при 300 К) кристаллического пирацетама приводит к значительной аморфизации препарата, за счёт разупорядочения более высокоплавкой структурной компоненты лекарственной формы.
Таким образом, лекарственная субстанция пирацетама содержит несколько полиморфных форм. В процессе диссоциации в присутствии солей тяжелых металлов полиморфная форма I пирацетама претерпевает такие изменения с образованием промежуточных продуктов, которые значительно влияют на функциональные свойства ноотропа.
Поскольку полиморфные формы лекарственного средства могут обладать различными функциональными свойствами, мы провели дополнительные исследования влияния двух полиморфных разновидностей пирацетама: эталонного кристаллического и специально аморфизированного пирацетама на формирование адаптивных реакций у крыс с использованием стандартных методик [11].
Аморфизированная форма пирацетама ускоряла обучение условным рефлексам, но оказалась малоэффективной при функциональных нарушениях выработанного навыка. В соответствии с ноотропной концепцией, наибольшее влияние пирацетама на гностические и мнестические процессы проявляется в условиях, затрудняющих их осуществление. В опытах с использованием обратимых функциональных нарушений реакций избегания структурно-изменённый пирацетам не оказал ожидаемый стресспротекторный эффект на выработанный рефлекс. В то же время эталонный пирацетам способствовал быстрому преодолению последствий стресса, вызванных внезапными изменениями в экспериментальной среде. Таким образом, установлена существенная разница в эффективности действия полиморфных
модификаций пирацетама.
Заключение
Полиморфные формы пирацетама различны по фармакологическому действию. Существует связь между кинетикой структурных преобразований пирацетама, обусловленных
каталитическим действием некоторых солей тяжёлых металлов, и специфическим ноотропным влиянием лекарственного средства. В водном растворе структура пирацетама в присутствии диацетата свинца, сульфита кобальта и хлорида кадмия (концентрации равные или ниже ПДК для питьевой воды) претерпевает изменения с образованием промежуточных продуктов, которые значительно влияют на функциональные свойства ноотропа.
Техногенное загрязнение водной среды тяжелыми металлами обычно приводят к его многократному повышению в объектах окружающей среды, что часто обуславливает повышение его содержания в питьевой воде. Загрязнение питьевой воды связано не просто с присутствием в ней токсичных веществ, но и с изменением ряда физико-химических показателей воды. Поскольку в качестве растворителя лекарственных средств часто используется питьевая вода, следует учитывать её физико- химические параметры.
Литература
1. Byrn S.R., Pfeiffer R.R., Stowell J.G., "Solid-State Chemistry of Drugs", SSCI Inc., West Lafayette, Indiana, 1999, pp. 259-366
2. H. G. Brittain and E. F. Fiese. Effect of pharmaceutical processing on drug polymorphs and solvates. In H. G. Brittain (ed.) Polymorphism in Pharmaceutical Solids. Marcel Dekker, Inc., New York, 1999, pp. 331-362
3. Nowell Harriott, Price Sarah L. Validation of a search technique for crystal structure prediction of flexible molecules by application to piracetam.-
Acta crystallographica.- Section B, Structural science -2005-61(5)- pp.558-568
4. Fabbiani F. P. A., Allan, D. R., Parsons, S. & Pulham, C. R. An Exploration of the Polymorphism of Piracetam Using High Pressure. - 2005- Cryst Eng Comm. - 7 - pp.179-186.
5. Краснюк И.И., Валевко С.А., Михайлова Г.В. Фармацевтическая технология: Технология лекарственных форм.//2006г.- Изд. Центр «Академия»,-592 с.
6. Аведисова А.С., Ахапкин Р.В., Ахапкина В.И., Вериго Н.И. Анализ зарубежных исследований ноотропных препаратов (на примере пирацетама) // Рос. психиатр. журн. — 2001. — №1. — С. 46-53.
7. Иноземцев А.Н., Бокиева С.Б., Карпухина О.В., Гумаргалиева К.З.. Влияние сочетанного воздействия тяжелых металлов и пирацетама на обучение и память крыс // Доклады РАН. 2008. т.422. №5. с. 700-703.
8. DeMatos LL, Williams AC, Booth SW, et al. Solvent influences on metastable polymorph lifetimes: realtime interconversions using energy dispersive X-ray diffractometry.
J. Pharm. Sci., -2007. -№ 96 -рр.1069-1078
9. Соловьев Г.А., Гумаргалиева К.З., Иноземцев А.Н., Бокиева С.Б., Чопикашвили Л.В. Влияние ацетата свинца на структурные превращения и функциональные характеристики пирацетама // Химическая физика. 2000. Т. 19. № 10. С. 112-115.
10. Карпухина О.В., Соловьев А.Г., Гумаргалиева К.З., Иноземцев А.Н. Структурно-функциональная организация пирацетама в водном растворе. // Химическая физика, 2006, том 25, № 5, с.77-80.
11. Воронина Т. А., Островская Р. У. Методические указания по изучению ноотропной активности фармакологических веществ // Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ Минздрав РФ. ЗАО ИИА Ремедиум, 2000, 36 с.
© О. В. Карпухина - канд. биол. наук, ст. науч. сотр., Институт химической физики им.Н.Н.Семёнова РАН, [email protected]; К. З. Гумаргалиева - д-р хим. наук, проф., зав. лаб., Институт химической физики им.Н.Н.Семёнова РАН, [email protected]; С. Б. Бокиева - канд. биол. наук, доц., рук. каф. анатомии и физиологии человека и животных Северо-Осетинского госуд. ун-та им. К.Л. Хетагурова; А. Н. Иноземцев - д-р биол. наук, рук. лаб. эволюции механизмов памяти, Московского гоуд. ун-та, им. М.В. Ломоносова, [email protected]; О. Н. Кузнецова - канд. хим. наук, доц. каф. ТПМ КНИТУ; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. зав. отделом Института биохимической физики РАН.
