Met een geautomatiseerd systeem bouwt en analyseert een Groningse onderzoeksgroep razendsnel duizenden moleculen met potentieel gunstige eigenschappen voor de farmaceutische industrie.

‘Een autofabriek is nu compleet anders dan veertig jaar geleden, maar een chemisch lab ziet er al honderden jaren hetzelfde uit’, stelt Alex Dömling, leider van de drug design-groep aan de Rijksuniversiteit Groningen. Hij vindt het tijd voor verandering. ‘Toen ik mijn postdoc had afgerond, ontstond het idee om de drug discovery cycle te automatiseren, maar de instrumenten waren toen niet goed genoeg.’ Inmiddels – twintig jaar later – zijn ze dat wel en begint het idee van Dömling werkelijkheid te worden. ‘Huidige technieken maken miniatuurchemie en analyse op hoge snelheid mogelijk, dus het was tijd om mijn oude idee uit zijn winterslaap te halen.’

Automatisch

De drug discovery cycle is een meerjarig proces waarin je stap voor stap moleculen bouwt, analyseert en verbetert met als doel nieuwe geneesmiddelen te ontwikkelen. De zogenoemde syntheserobot van Dömlings onderzoeksteam verkort die cyclus drastisch. Het high throughput-systeem synthetiseert in sneltreinvaart een hele bibliotheek aan kandidaat-geneesmiddelen en screent die meteen op gewenste eigenschappen.

‘De chemie die we hier doen, ziet er compleet anders uit dan klassiek labwerk’, zegt Shabnam Shaabani, postdoc bij de drug design-groep en leider van het project. ‘Je maakt eerst oplossingen van de startmaterialen en die pipetteer je in een multititerplaat, daarna doet de computer de rest.’

De onderzoekers gebruiken een techniek genaamd acoustic dispensing. Je start met een serie opgeloste chemicaliën in piepkleine cups in multititerplaten. Met pulsjes ultrageluid schieten druppeltjes van 2,5 nl omhoog naar een cupje dat erboven hangt, waar ze blijven plakken. Het computersysteem draait de platen, zodat je chemicaliën kunt toevoegen. En dan is het aan de bouwstenen om met elkaar te reageren, of niet. Een massaspectrometer analyseert vervolgens – met een snelheid van drie oplossingen per seconde – welke moleculen er zijn gemaakt en of die verbindingen de gewenste eigenschappen hebben.

Chemici streven bij analyses meestal naar heel precieze gegevens en een zo hoog en zuiver mogelijke opbrengst. Die wens moet je loslaten, want het kost enorm veel tijd en is niet nuttig, meent Dömling. ‘Wij gebruiken ongezuiverde stoffen en dat werkt. In dit stadium van het onderzoek willen we alleen weten of er product is gevormd en hoe de kwaliteit ongeveer is. We labelen data met een paar kleuren in plaats van precieze cijfers.’

‘Er heerst een aversie tegen chemie die je niet kunt aanraken’

De technieken die de onderzoeksgroep gebruikt, zijn allesbehalve nieuw, maar de inzet ervan binnen de organische chemie is dat wel. ‘Je vindt acoustic dispensing-machines in ziekenhuizen voor bijvoorbeeld genetische screenings, maar wij zijn de eersten die het gebruiken voor chemische doeleinden’, zegt Dömling. Hij vermoedt dat de relatief langzame ontwikkeling binnen de scheikunde komt doordat chemici vaak conservatiever zijn dan wetenschappers in andere vakgebieden. ‘Er heerst een aversie tegen chemie die je niet kunt aanraken, zoals bij ons het geval is.’

Tijd is geld

Bij klassieke geneesmiddelzoektochten kost het assay opzetten, de stoffen synthetiseren en de high throughput-screening een half jaar tot een jaar. Chemici gaan vervolgens verder met de hits en optimaliseren de stoffen in verschillende rondes, waarbij ze eigenschappen verbeteren zoals de werkzaamheid en oplosbaarheid. Dömling: ‘Zo’n ronde duurt drie tot zes weken en je hebt er vaak vijftien of twintig nodig. Vertaal dat naar tijd en geld en je bent meerdere jaren verder en honderden miljoenen euro’s armer.’

Dömling wil een groot deel van dit klassieke farmaproces vervangen door intelligente software. ‘Het technologieplatform dat we ontwikkelen, doet alles automatisch en we zijn niet afhankelijk van farmabibliotheken. We synthetiseren stoffen ter plekke en gebruiken snelle screeningsmethodes. Vervolgens gaat de software aan de slag met de optimalisatierondes.’ Je start met een digitale receptor en een potentieel nieuw geneesmiddel. Net als in het echt moeten de eigenschappen van de digitale stof elke optimalisatieronde beter worden. De software mixt bouwstenen, test chemische reacties en stelt nieuwe verbindingen voor, gebaseerd op bestaande data. ‘Het bootst na wat farmaceutische wetenschappers in het echt doen, maar dan sneller en autonoom’, zegt Dömling. ‘Wat onderzoekers jaren werk kost, willen wij bereiken in minder dan een dag.’

De onderzoekers hopen dat die tijdswinst kansen oplevert voor geneesmiddelenonderzoek gericht op weesziektes. ‘Veel ziektes zijn dusdanig zeldzaam, dat een geneesmiddel te weinig geld oplevert voor de farmaceutische industrie’, legt Dömling uit. Hij is blij dat zijn onderzoeksgroep in het Groningse academisch ziekenhuis zit, in plaats van in het chemiegebouw elders in de stad. ‘Ik hoef me niet te verantwoorden aan conservatieve collega’s, maar krijg juist kansen van meedenkende artsen. Ze komen bijvoorbeeld naar me toe met de vraag of ik een specifieke stof kan maken. Het zijn heel interessante, toegepaste verzoeken en dit is precies waarvoor we de technologie willen gebruiken.’

Boorzuurontdekking

‘Ik heb inmiddels met een groep studenten ruim tien reacties gevalideerd en drie van de projecten zijn nu gepubliceerd’, vertelt Shaabani. Ze legt uit dat de methode werkt voor isochinolines en indoolverbindingen. De meest recente publicatie gaat over boorzuurchemie, een belangrijk stuk gereedschap in de organische synthese­chemie. Normaal gesproken gebeurt synthese met boorzuurbouwstenen stap voor stap, waarbij je het boorzuur steeds moet beschermen, maar in de syntheserobot komen alle bouwstenen in een keer bij elkaar onder milde condities. En dat werkt. Shaabani: ‘Boorzuur synthetiseren is lastig en tijdrovend, maar doordat we multicomponentenreacties doen, konden we relatief snel een bibliotheek met duizenden boorzuurverbindingen maken.’

‘We gebruiken ongezuiverde stoffen en dat werkt’

Boorzuurverbindingen remmen eiwitactiviteit, wat ze een interessante groep maakt voor geneesmiddelenontwikkeling. De onderzoekers screenden de boorzuurbibliotheek tegen een specifiek doel: het fosfa­tase-enzym MptbP. Dit is een cruciaal eiwit voor de bacterie die tuberculose veroorzaakt (Mycobacterium tuberculosis), maar de industrie laat pogingen om het enzym te bestrijden links liggen. Dömling: ‘Juist in die targets zijn we geïnteresseerd. Fosfatasen zijn heel krachtige doelwitten, maar er is geen enkel geneesmiddel op de markt dat ertegen werkt. Je hebt er een sterk negatief geladen stof voor nodig en zulke middelen hebben een heel lage biologische beschikbaarheid, onder meer omdat ze de celmembraan niet passeren.’ Voorheen werd gedacht dat er geen verbinding is die deze klasse fosfatases kan bestrijden vanwege hun sterke lading, maar Shaabani bewees het tegendeel. Haar boorzuurproject leverde een molecuul op, zónder lading, dat het enzym wel degelijk remt.

Duurzaam

In elke paper toont de onderzoeksgroep een specifiek voordeel van de technologie. Zo is het artikel over indoolsynthese gepubliceerd in Green Chemistry. Dömling: ‘De technologie is milieuvriendelijker dan de bestaande farmabibliotheken met miljoenen stoffen. Die worden gemaakt op milligramschaal en voor al die verbindingen zijn grote hoeveelheden oplosmiddelen en reagentia nodig. Door de chemie te miniaturiseren, reduceer je die materialen enorm.’

‘Wat we ook laten zien is dat je met de methode de synthese kunt opschalen naar millimolschaal’, voegt Shaabani toe. ‘Daar­mee maken we de klassieke chemicus toch een beetje blij’, besluit Dömling.