informacje



środa, 11 stycznia 2017

Ostatnio w laboratorium (54.)

Kryształy białka lizozymu, otrzymane metodą wiszącej kropli:
Lizozym to enzym bakteriobójczy, powodujący rozkład glikoprotein w ścianie komórkowej bakterii. Po uszkodzeniu ściany następuje pęknięcie i rozpłynięcie się komórki bakterii, czyli tzw. liza, stąd nazwa enzymu. Jego cząsteczka składa się ze 129 aminokwasów.

Lizozym należy do białek które stosunkowo łatwo krystalizują, dlatego wcześnie poznano jego strukturę.

Kryształy na zdjęciach są takie sobie, przede wszystkim bardzo małe, może za parę dni bardziej urosną. Natomiast zachwyciła mnie gra kolorów widoczna pod filtrem polaryzacyjnym. Jestem mimo wszystko trochę estetą.

* * *
Myślę, że dobrze by było przy tej okazji parę rzeczy objaśnić, bo może regularnie zaglądający zastanawiali się nad paroma kwestiami. Ponieważ prace typowo syntetyczne na pracowni prof. Czarnockiego nie bardzo mi wychodziły, ostatecznie zmieniłem promotora i temat pracy, bo istniało ryzyko, że ciągnąc dotychczasowy mógłbym nie otrzymać wyników na satysfakcjonującą pracę doktorską.
Tak że teraz zająłem się czymś bliższym chemii fizycznej, czyli badaniami krystalograficznymi. Prawdopodobnie ostateczny temat będzie zawierał cześć syntetyczną i część krystalograficzną. Na razie jednak nadrabiam teorię i praktykę, bo obsługi dyfraktometru rentgenowskiego na studiach nie miałem, przez pierwszy semestr chodzę też na zajęcia specjalizacyjne ze studentami.

Przygotowuję powoli wpis na temat tego krystalografii i tego jak można kryształom zrobić prześwietlenie.

sobota, 31 grudnia 2016

Kac okiem chemika

Każda przyjemność użyta w nadmiarze, ma swoje skutki, o czym z pewnością przekona się wielu sylwestrowiczów gdy już minie szampańska zabawa. I być może niektórych zastanowi wówczas - skąd bierze się kac? I czy można to jakoś, na przykład chemicznie, uśmierzyć?

Większość połkniętego alkoholu jest wchłaniana w żołądku, choć część już w jamie ustnej. Wchłaniany jest dosyć szybko - już 5-10 minut po wypiciu daje się go wykryć we krwi, oddziałując na układ nerwowy i wpływając na nastrój. Gdy alkohol trafi do wątroby, ta stara się go jakoś przerobić przede wszystkim utleniając do łatwych do wydalenia związków, z których część może być wykorzystana do produkcji energii. Proces ten przeprowadza przy pomocy dwóch enzymów w dwóch etapach, których przebieg i szybkość mają wpływ na późniejsze dolegliwości. A zatem etapami:

Enzym I - z alkoholu w aldehyd
Pierwszym etapem metabolizmu alkoholu jest utlenienie do aldehydu octowego, przy pomocy specjalnego enzymu - dehydrogenazy alkoholowej - i cząsteczki NAD jako dostarczyciela energii:
CH3CH2OH + NAD+CH3CHO + NADH + H+

Dehydrogenaza alkoholowa to prosty enzym białkowy z atomem cynku w roli kofaktora do którego kompleksuje się alkohol. To właśnie szybkość zachodzenia tej reakcji decyduje o tym, czy ktoś ma "mocną głowę", jeśli bowiem enzym ma u danej osoby dużą aktywność to alkohol jest szybko przerabiany. Taka osoba może więc wypić więcej zanim nie osiągnie zupełnego upojenia, choć zarazem działanie alkoholu będzie u takiej osoby krótsze.
Niestety, powstający w reakcji aldehyd octowy jest związkiem bardziej toksycznym niż sam alkohol. Ma działanie drażniące na układ nerwowy i tkanki, źle wpływa na błonę śluzową przewodu pokarmowego. To właśnie on wywołuje ból głowy, mdłości i nadwrażliwość, będące objawami kaca. Jest też podejrzewany o działanie rakotwórcze.

Organizm nie jest jednak taki głupi, aby metabolizm alkoholu kończyć na tym etapie - aldehyd jest przetwarzany dalej.

Enzym II - z aldehydu w kwas
Drugi etap powoduje przetworzenie tak szkodliwego związku w nietoksyczny kwas octowy. Odbywa się to przy udziale drugiego enzymu, dehydrogenazy aldehydowej. Powstający kwas powoduje przejściowe zakwaszenie krwi, co także ma pewien wpływ na późne objawy kaca.
Jonu octanowe mogą być dalej wykorzystane w cyklu Krebsa.

Mocna głowa - mocny enzym
Aktywność dwóch enzymów odpowiedzialnych za przemiany alkoholu, w dużym stopniu zależy od czynników genetycznych. To zaś jak sprawnie i szybko będą działały, ma wpływ na to jakich efektów dozna spożywający. Wolne działanie pierwszego enzymu to wolny przerób alkoholu, w efekcie szybko osiąga on we krwi duże stężenie i człowiek łatwo się upija. O takich osobach mówi się, że mają słabą głowę i mało im trzeba aby je zamroczyło. Zarazem jednak słaby przerób i spożycie mniejszej całkowitej ilości alkoholu, to także słabszy kac, pojawiający się później.

Inna sytuacja dotyczy osób u których pierwszy enzym ma dużą aktywność - alkohol jest przerabiany na bieżąco, w efekcie zanim osiągnie odpowiednie stężenie, użytkownik może wypić więcej. Właśnie tacy mocno-enzymowcy to ludzie o "mocnej głowie". Jest jednak pewien minus - szybki przerób alkoholu to także szybciej pojawiający się kac, a ponieważ ludzie tacy zazwyczaj jeśli już piją, to więcej, toteż i objawy są bardziej nasilone.

Kwestia tego jak długo trwa kac zależy znów od aktywności drugiego enzymu, i tutaj w różnych populacjach panuje duże zróżnicowanie. Jeśli u danej osoby drugi enzym, utleniający aldehyd do kwasu, jest bardzo aktywny, to objawy kaca będą utrzymywać się krócej, jeśli aktywność będzie niska, kac będzie się utrzymywał.
Z tej zmienności wyniknąć mogą cztery różne sytuacje. Najgorsza to oczywiście duża aktywność enzymu pierwszego i niska drugiego. Taka osoba ma "mocną głowę" i może więcej wypić, zarazem jednak alkohol szybko jest przerabiany na aldehyd, który znowu bardzo wolno utleniany jest do kwasu. W efekcie kac osiąga natężenie zatrucia klinicznego.
Przeciwna sytuacja to niska aktywność enzymu pierwszego i duża drugiego. Taka osoba szybko się upija i nie może pić dużo. Zarazem jednak kac pojawia się słaby i krótkotrwały.
Dla dużej aktywności obu enzymów mamy połączenie "mocnej głowy" i krótkotrwałego kaca.  Dla niskiej aktywności obu enzymów zachodzi szybkie upijanie się i słaby ale długotrwały kac.

Większość mieszkańców Europy posiada dość dobrą aktywność obu enzymów, przy czym dla dehydrogenazy alkoholowej zachodzi duża zmienność, związana z tym, że tak na prawdę jest to sześc podobnych enzymów, których wytwarzanie zmienia się zależnie od pochodzenia, wieku i płci. Na terenach środkowej Azji i w Korei rozpowszechnione są natomiast geny produkujące wariant enzymu o dużej aktywności. W przypadku drugiego enzymu - u większości europejczyków ma dobrą aktywność, u dużej części Azjatów występuje mutacja powodująca produkcję enzymu o bardzo małej aktywności.
Podwójnie poszkodowani Chińczycy i Japończycy nie upijają się zatem zbyt chętnie, ale też zarazem rzadziej popadają w alkoholizm, bo każde spożycie okupują przeciągłym kacem, toteż przyjemności nie przeważają nad skutkami. Skutkiem negatywnym jest u takich osób większe ryzyko raka przełyku i żołądka, związane zapewne ze szkodliwym działaniem aldehydu.[1], [2]

Ponieważ rozmieszczenie i czas upowszechnienia tych genów dobrze zgadza się z rozkładem upraw ryżu sądzi się, że jest to wynik specyficznego rodzaju doboru naturalnego. Rolnicy uprawiający ryż, chętnie z jego fermentacji otrzymywali wino ryżowe. Osoby o dużej aktywności drugiego enzymu mogły upijać się bez negatywnych skutków, łatwiej więc wpadały w alkoholizm i mogły mieć problem z dochowaniem potomstwa. Jeśli wytwarzanie i picie wina ryżowego było powszechne, ta sytuacja kulturowa faworyzowała ludzi o genach wariantowych.
W efekcie około połowy Chińczyków i Japończyków źle znosi alkohol. Na dodatek u pozostałych Azjatów rozpowszechniona jest mutacja zmniejszająca aktywność pierwszego enzymu, w efekcie jeśli ktoś nawet nie ma po spożyciu kaca-giganta, to i tak nie może wypić wiele.
W Europie to najwyraźniej nie działało, za pewne z powodu późniejszego zasiedlenia tego terenu po epokach lodowcowych i późniejszego przejścia na kulturę rolniczą.


Wpłynąć na enzymy
Skoro zasadniczo sytuacja z enzymami jest wyjaśniona, powstaje pytanie, czy da się jakoś na to wpłynąć? Poprawić słabo działających enzymów raczej się nie da, ale można któryś z tych dwóch zablokować. Zależnie od tego za który się zabierzemy, będzie to miało różne skutki.

Zablokowanie działania dehydrogenazy aldehydowej, czyli enzymu drugiego, będzie powodowało, że niezależnie od aktywności tego pierwszego, aldehyd octowy będzie się gromadził we krwi. Tym samym efekty toksyczne, a wiec kac, będą osiągały duże natężenie, wręcz niebezpieczne. Ponieważ zaś taka sytuacja raczej zniechęca do picia, inhibitory tego enzymu znalazły zastosowanie w leczeniu alkoholizmu.
Znanym takim środkiem jest Disulfiram, będący zasadniczo lekiem przeciwpasożytniczym. Stosowany w terapii awersyjnej znany jest tez pod nazwą Esperal. Podobne działanie mają niektóre cefalosporyny, pewne antybiotyki i leki antygrzybiczne, oraz wyciągi pewnych roślin. Blokowanie drugiego enzymu jest wywoływane także przez kopryny, zawarte w czernidlaku, dobrym grzybie jadalnym z wyglądu podobnym do nierozwiniętej kani. Efekt utrzymuje się do trzech dni od spożycia, dlatego mówi się o czernidlaku, że jest "jadalny warunkowo" - czyli dobry ale bez popitki.

A odwrotna sytuacja?
Gdyby udało się zablokować pierwszy enzym, ten utleniający alkohol do aldehydu, to kac by się tak szybko nie pojawiał. Taką substancją jest na przykład Fomepizol, stosowany jako lek na zatrucia metanolem i glikolem, który nie jest polecany do zażycia wraz z alkoholem. Powoduje znaczne zmniejszenie objawów kaca, ale też zarazem wzmacnia stan upojenia; w efekcie człowiek robi się mocno pijany  już po niewielkiej ilości alkoholu. Nie słyszałem aby był składnikiem jakiegoś preparatu, dla którego zwalczanie kaca jest głównym celem. Jest stosowany w medycynie ratunkowej w formie zastrzyków.
Ma też wyraźne skutki uboczne, takie jak uszkodzenia wątroby czy bóle głowy, dlatego nie ma tak dobrze.


Czy tylko aldehyd?
Wprawdzie jak się rzekło za większość objawów kaca odpowiada aldehyd octowy, ale wszystko wskazuje na to, że problem jest daleko bardziej złożony. Wszakże nie zawsze taka sama dawka, wywołuje taki sam skutek. Alkohole rafinowane zwykle dają objawy mniej uciążliwe, z kolei tanie alkohole robione z byle czego mogą być bardzo ciężkie do przetrawienia. Dlatego wskazuje się na rolę innych dodatków.
Podczas fermentacji i destylacji oprócz alkoholu etylowego powstaje też pewna ilość alkoholi wyższych, a więc butanolu, pentanolu, heksanolu, alkoholu izoamylowego i ich estry. Te tak zwane fuzle, oddzielane w ostatniej fazie pogonu, odpowiadają za niemiły posmak samogonu. Nie są też oddzielane od niektórych trunków szlachetnych, jak Brandy czy Whiskey.
Ogółem alkohole wyższe są znacznie bardziej toksyczne od alkoholu etylowego. Wprawdzie ten hamuje ich metabolizm, ale gdy już większość zostaje przerobiona, ich utlenianie nabiera znaczenia dla ciężkości objawów późnej fazy kaca. Dlatego

Innym produktem ubocznym fermentacji jest metanol, powstający głównie z moszczu owocowego jako produkt rozkładu pektyny. Powstający po utlenieniu metanolu przez dehydrogenazę alkoholową aldehyd mrówkowy, będący głównym składnikiem formaliny, jest znacznie bardziej toksyczny od aldehydu octowego. Tym samym niewielkie domieszki w napojach mogą pogorszyć objawy.
Ogółem badania sugerują że im "ciemniejszy" i mniej oczyszczony napój, tym gorsze efekty końcowe. [3]

Jak się często wskazuje za niektóre efekty może odpowiadać odwodnienie związane ze zwiększonym wytwarzaniem moczu, oraz wydzielanie czynników zapalnych związane z powstawaniem wolnych rodników, mają one jednak pomniejsze znaczenie.

Sposoby na kaca
Generalnie sposoby leczenia nieprzyjemnych skutków po spożyciu, są metodami objawowymi. Nie ma w pełni skutecznych metod zapobiegania - z wyjątkiem oczywiście unikania nadmiaru alkoholu. Często proponowana metoda popijania alkoholu wodą dla zmniejszenia odwodnienia nie ma jednoznacznych skutków - może zmniejszyć takie objawy jak suchość w ustach czy podrażnienie żołądka, ale jak wynika z ostatniego badania na ten temat, nie zapobiega pojawianiu się kaca. Podobnie nie zadziałała też obfita kolacja i zjedzenie czegoś tłustego przez piciem.[4]

Gdy ból głowy już się pojawi, można zwalczać go środkami przeciwbólowymi, z tym zastrzeżeniem, że aspiryna może dodatkowo podrażniać żołądek, a paracetamol obciążać wątrobę. Łączenie tabletek przeciwbólowych z alkoholem lub spożywanie ich gdy alkohol z nas jeszcze nie wywietrzał, może dawać cięższe skutki.
Pewne badania wskazują na zmniejszenie objawów przy użyciu leku przeciwmigrenowego Clotamu, który hamuje wydzielanie czynników zapalnych, ale nie można łączyć go z alkoholem.

W suplementach na kaca pojawia się niekiedy cysteina lub jej pochodna N-acetylowa. Mają one działanie przeciwrodnikowe i prawdopodobnie zmniejszają toksyczne działanie aldehydu, w badaniu na zwierzętach okazały się zapobiegać ciężkiemu zatruciu alkoholowemu. Trudno jednak przełożyć to na działanie przy przeciętnym spożyciu u ludzi.[5]
Ze środków naturalnych często w suplementach spotykany jest wyciąg z opuncji. Tutaj badania wskazują, że wprawdzie samym objawom wyciąg nie zapobiegał, ale zmniejszał nasilenie tych ciężkich[6].
Kawa i kofeina nie wpływają na pojawianie się kaca.
Pozostałe tradycyjne środki jak zsiadłe mleko, wapno czy sok pomidorowy mogą zmniejszać niektóre objawy, ale nie ma na ich temat zbyt wiele danych. Generalnie każdy powinien znaleźć sobie taki środek, który działa na niego.

Raczej nie pomoże
Do ziół często polecanych na kaca należy kudzu, roślina podobna do dzikiej fasoli. Wyciągi z kudzu zawierają składniki o działaniu przeciwzapalnym, dlatego mogą dobrze wpływać na niektóre późne objawy jak uczucie rozbicia czy ból głowy. Z drugiej strony inne składniki hamują działanie drugiego enzymu metabolizującego alkohol, dehydrogenazy ALDH2 eliminującej szkodliwy aldehyd. Zażycie "ziołowych tabletek" z kudzu przed lub tuż po wypiciu alkoholu da więc skutek odwrotny, objawy będą cięższe. [7]
----------
* Przegląd badań na temat kaca:  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3827719/

[1]  http://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol_flush_reaction
[2]  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene?Db=gene&Cmd=ShowDetailView&TermToSearch=217
[3] Rohsenow D.J. et al.  Intoxication with bourbon versus vodka: effects on hangover, sleep, and next-day neurocognitive performance in young adults. Alcohol Clin Exp Res. 2010 Mar 1;34(3):509-18
 [4]  Verster, J.C. et al.. The impact of consuming food or drinking water on alcohol hangover. European Neuropsychopharmacology, 25, (pp. 604) (1 p.)
 [5] Wang A. et al.  A dual effect of N-acetylcysteine on acute ethanol-induced liver damage in mice., Hepatology Research, 2006 Mar; 34 (3): 199-206.
[6] Wiese L. et al. Effect of Opuntia ficus indica on symptoms of the alcohol hangover. Arch Intern Med. 2004; (164): 1334/40.
[7] Neil R. McGregor  Pueraria lobata (Kudzu root) hangover remedies and acetaldehyde-associated neoplasm riskAlcohol. 41 (7): 469–478.

wtorek, 20 grudnia 2016

Inteligentne tabletki?




Reklamy środków przeciwbólowych są do siebie bardzo podobne i chętnie stosują ten sam schemat. Zwykle pojawia się tam bądź młoda kobieta oblegana przez wrzeszczące dzieci, starszy pan schylający się po upuszczony przedmiot, ewentualnie mechanik w warsztacie podnoszący coś ciężkiego. Wtem pojawia się ostrzegawczy sygnał - sielankowa muzyka zamienia się w dźwięk syreny, nasi bohaterowie krzywią się jak tylko mogą, a na skroni, dłoni lub plecach wykwita czerwone jądro bólu. Ale to nic, zaraz sięgają po tabletkę X, która na wizualizacjach od razu po wsunięciu w usta przeciska się przez organizm jak karabinowa kula i "dociera do źródła bólu" likwidując go natychmiastowo. Pod tym względem tabletki na ból głowy przebijają chyba tylko reklamy prozdrowotnych jogurtów, z biegającymi po wnętrznościach rycerzami z ochronną tarczą.

Tak przedstawione działanie leku jest jednak zbytnim uproszczeniem.

Gdy połkniemy tabletkę, rozpuści się ona w żołądku i wchłonie, dalsza droga substancji czynnej nie ma jednak zbyt wiele wspólnego z inteligentnym docieraniem do miejsca gdzie boli. Substancja nie wybiera sobie którą tętniczką chce popłynąć i wiedziona intuicją omija wiele innych odnóg by dotrzeć tam gdzie jest potrzebna. Zamiast tego zostaje przypadkowo rozprowadzona po całym organizmie, docierając do bolesnego miejsca w zasadzie przy okazji. Jest natomiast coś z prawdy w sloganie, że substancja z preparatu "działa w miejscu bólu".

Odczuwanie bólu, oprócz tylko podrażniania zakończeń nerwowych, jest powiązane z wydzielaniem czynników prozapalnych w miejscach zmienionych chorobowo lub w miejscu urazu, takich jak cytokiny i prostaglandyny. Środki z grupy niesteroidowych leków przeciwzapalnych, do których należy Aspiryna i Paracetamol, działają głównie przez hamowanie wydzielania tych substancji, odpowiedzialnych za lokalne dolegliwości, ale też na przykład za objawy infekcji. Dlatego też wiele środków przeciwbólowych znosi także objawy grypy i przeziębień. W przypadku lokalnej dolegliwości objawiającej się bólem, cytokiny wytwarzane są tylko tam, dlatego składnik leku hamujący ich wydzielanie faktycznie działa konkretnie w miejscu bólu.

Jednak reklamy mówiące o działaniu substancji czynnej w miejscu bólu poza tym, że upraszczają sprawę, niosą także pewne niebezpieczeństwo. Mianowicie sugerują, że ma ona działanie tylko tam i nigdzie indziej. Ponieważ jednak lek przeciwbólowy rozprowadza się po całym organizmie, może zacząć działać nie tylko w jednym miejscu i czasem może też nam poważnie zaszkodzić.

Leki dostępne bez recepty są generalnie traktowane jako bezpieczne, toteż po zakupie nie wczytujemy się specjalnie w ulotkę, najwyżej szukamy na opakowaniu informacji ile można brać w ciągu dnia. W rzeczywistości jednak nawet spożycie w zalecanej ilości może nieść pewne skutki uboczne. Znane są powszechnie problemy żołądkowe podczas długotrwałego użycia aspiryny. Oprócz hamowania stanów zapalnych powoduje ona także rozrzedzenie krwi i zmniejszenie krzepliwości a także zmniejszenie wydzielania śluzu przez ścianki żołądka. Kombinacja tych czynników może skutkować krwawieniami i owrzodzeniami. Podobne objawy, choć mniej nasilone, wywołuje ibuprofen. Długotrwałe użycie Pyralginy może spowodować spadek poziomu komórek układu odpornościowego, prowadząc do częstych i groźnych infekcji.

Spośród łatwo dostępnych środków najwięcej interwencji medycznych wywołuje jednak paracetamol. Powyżej dziennej dawki 4 g powoduje nieodwracalne uszkodzenie wątroby. A o przedawkowanie wbrew pozorom nie tak trudno, jest bowiem częstym składnikiem preparatów złożonych o różnych nazwach i z zalecanym innym wskazaniem. Jedne tabletki na noc, inne na dzień, jedne bardziej na bóle mięśniowe inne na menstruacyjne. Przy kombinacji różnych dolegliwości konsument może więc nieświadomie zażyć szkodliwą ilość substancji czynnej, sądząc że użył jedynie bezpieczne dawki kilku różnych leków.*

Aż do lat 90. najpopularniejszą u nas była "tabletka z krzyżykiem" zawierająca fenacetynę. Wycofano ją jednak bo przy dłuższym użyciu powodowała uszkodzenia wątroby i nerek. Jednym z jej częstych i paradoksalnym skutków ubocznych, były zmiany krwi powodujące niedotlenienie. Paradoks tkwił w tym, że jednym z pierwszych objawów niedotlenienia był... ból głowy.

Naprawdę inteligentna tabletka

Postęp biomedycyny sprawił, że już wkrótce na rynku pojawić się może tabletka, która rzeczywiście może być nazwana inteligentną. W zeszłym roku firma Philips zaprezentowała prototyp kapsułki zawierającej microchip, czujniki i zbiorniczek z lekiem[1]. Po połknięciu kapsułka wydziela ściśle określone dawki leku w zaordynowanym przez lekarza czasie, a ponadto mierzy temperaturę, kwasowość i wiele innych parametrów w ciele pacjenta, przesyłając je do odbiorników na zewnątrz. Dzięki temu możliwa jest kontrola stanu organizmu i odpowiednia zmiana dawkowania. Pozwala to ominąć częsty problem nieregularnego zażywania leków, zwłaszcza u osób mających problemy z pamięcią. Pytanie tylko czy ktoś odważy się połknąć tabletkę, która mogłaby się okazać mądrzejsza od niego?

[Tekst w nieco przeredagowaniej formie ukazał się w pierwszym numerze kwartalnika Przekrój]
---------------------
* Jednym z najgorszym powikłań nadużywania paracetamolu i innych niesteroidowych leków przeciwzapalnych, jest toksyczna nekroliza naskórka. Nieprawidłowa reakcja organizmu na lek powoduje martwicę, powstawanie pęcherzy i złuszczanie się naskórka dużymi płatami. Wizualnie przypomina to poparzenie drugiego stopnia. Zespół pojawia się nagle po okresie dłuższego, codziennego używania leku, zwykle od tygodnia do sześciu od rozpoczęcia przyjmowania. Cechuje się wysoką śmiertelnością ale na szczęście jest bardzo rzadki.

[1]  http://gadzetomania.pl/45814,ipill-tabletka-z-mikroprocesorem

sobota, 17 grudnia 2016

Alchemia w Przekroju

W przyszłym tygodniu, po trzech latach nieobecności na rynku, ponownie ukazać się ma znane  czasopismo Przekrój. A w nim między innymi mój artykuł.


Ponad miesiąc temu napisał do mnie pan Łukasz Kaniewski, dziennikarz udzielający się w działach naukowych różnych gazet, z propozycją napisania artykułu dla Przekroju. Jakkolwiek możliwość pisania dla innego, inaczej rozpowszechnianego medium była bardzo kusząca, to z początku pozostawałem nieco sceptyczny. Po tym gdy Przekrój zniknął już dwa razy słyszałem o reaktywacji i do niczego ostatecznie nie doszło, a jakoś nie widziało mi się napisać komuś artykuł do publikacji na "być może kiedyś". Redaktor jednak zapewniał, choć choć na razie oficjalnie o wznowieniu wydawnictwa ani słychu, to pierwszy numer ma się ukazać już w grudniu.

Jako temat zaproponował skład proszków do prania z różnokolorowymi kapsułkami, ale to mi trochę nie leżało. Zaproponowałem coś zbliżonego - "inteligentne" tabletki, które wedle reklam docierają do miejsca bólu. Problem z reklamami polega nie tylko na tym, że substancja czynna jest rozprowadzana po całym organizmie a nie tylko w miejscu bolesnym, ale też w związanej z nimi sugestii, że także działają tylko w takim miejscu.
Limit znaków nie pozwolił mi się za bardzo rozpisać, a sugerowany lekki ton skłaniał do pewnych uproszczeń, niemniej artykuł wyszedł i został zaakceptowany. Aczkolwiek redaktor jeszcze go trochę przerobił aby pasował do stylu, w efekcie jakaś 1/4 tekstu to jego dodatki.

Nie wiem czy uda się nawiązać z pismem jakąś dłuższą współpracę, podejrzewam że dopiero po wyjściu numeru i sprawdzeniu reakcji będą dopinać artykuły na następny. Na razie Przekrój będzie kwartalnikiem.

Gdy artykuł już się ukaże, wrzucę tutaj pierwotną wersję, z pewnymi rozszerzającymi temat przypisami.

sobota, 10 grudnia 2016

Jak otrzymać Daraprim?

Jak głosi uniwersalna zasada, akcja wywołuje przeciwnie skierowaną reakcję. Monopolista drastycznie zwiększa cenę ważnego leku? Uczniowie australijskiej szkoły średniej opracowują zatem na zajęciach tanią metodę otrzymywania, po to tylko aby utrzeć mu nosa.

Toksoplazmoza to dość częsta choroba pasożytnicza wynikła z zarażenia pewnym pierwotniakiem. Pierwotniak może zarażać różne organizmy, ale żywicielem ostatecznym jest zwykle kot domowy. Kontakt z nim może więc skutkować zarażeniem. Na szczęście u większości ludzi choroba zostaje przebyta bezobjawowo lub z objawami grypopodobnymi, u części przechodzi jednak w formę utajoną, mogąc przyjąć postać bezobjawowego nosicielstwa. Są jednak sytuacje gdy choroba przybiera groźną postać.
Jeśli toksoplazmozą zostanie zarażona kobieta w ciąży, może to skutkować urodzinami dziecka obarczonego wadami rozwojowymi, zarówno fizycznymi jak i intelektualnymi, w dużym nasileniu podobnymi do różyczki wrodzonej. Innym problemem są osoby o osłabionej odporności, a więc na przykład osoby po przeszczepach, chorzy na raka a przede wszystkim chorzy na AIDS. W takim przypadku choroba zajmuje węzły chłonne i może przerodzić się w zapalenie mózgu, siatkówki oka, śledziony, serca lub wątroby.

Standardowo w leczeniu toksoplazmozy używane są preparaty zawierające pirymetaminę, czasem skojarzone z sulfonamidami, a najczęściej stosowanym jest preparat Daraprim. Ostatnio jednak pojawiły się istotne problemy z jego dostępnością. W 2015 roku biznesmen Martin Shkreli wykupił prawa do produkcji i obrotu Daraprimem w USA, po czym zwiększył jego cenę o 5000% [1] Tłumaczył przy tym, że chce tylko zwiększyć zyski firmy, na co prawo mu w pełni zezwala, dotychczas bowiem lek był sprzedawany niemal po kosztach produkcji. Dla chorych z USA znaczenie miało też to, że w kraju tym nie są dostępne preparaty generyczne, czyli "tańsze zamienniki" zawierające tą samą substancję czynną. Dopiero w tym roku Shkreli zgodził się łaskawie zmniejszyć cenę o połowę.
Jego decyzja wywołała na świecie wielkie oburzenie, ale zgodnie z prawem nie można było mu nic zrobić. Jedną z reakcji było zwiększenie produkcji generyków w małych fabryczkach w Indiach i Chinach. Inną, mniej znaną, było podjęcie ciekawego projektu badawczego przez uczniów pewnej australijskiej szkoły średniej.

Gdy sprawa podwyżek cen rozpalała emocje, dr Alice Williamson, chemiczka nauczająca w Sidney Grammar School, wpadła na pomysł aby uczniowie otrzymali substancję czynną preparatu w ramach zajęć koła naukowego, aby pokazać jak absurdalna jest to sytuacja. Z przeglądu literatury wynikało, że synteza związku jest względnie prosta. Co więcej, ponieważ związek po raz pierwszy otrzymano w 1958 roku substancja czynna nie było objęta patentem.
Struktura pirymetaminy nie jest specjalnie skomplikowana:


Za punkt wyjścia uczniowie obrali metodę z już nieaktualnego patentu, która była łatwa do odnalezienia, jest bowiem opisana na Wikipedii:

Substratem od którego startuje droga syntezy, jest para-chlorofenyloacetonitryl "1" poddawany reakcji z propionianem etylu "2", estrem o zapachu ananasa używanym do aromatyzowania żywności. Mechanizm reakcji jest dość prosty - w substracie pomiędzy grupą nitrylową -CN a chlorofenylową znajduje się mostek -CH2-. Ze względu na takie właśnie sąsiedztwo, jest kwaśna, czyli łatwiej niż zwykle jest oderwać od niej protony. Podczas reakcji z etanolanem sodu NaOEt zamienia się w karboanion, a więc związek z ładunkiem ujemnym na węglu. Ten chętnie atakuje węgiel grupy karbonylowej estru, który ze względu na polaryzację wiązań ma lekko dodatni charakter. Po przegrupowaniu powstaje 1-(4-chlorofenylo)-1-nitrylo-1-buten-2-ol "3".
Związek ma strukturę enolu to jest posiada grupę OH przy wiązaniu podwójnym, co jest strukturą nietrwałą. Ten reaguje z diazometanem CH2N2, zamieniając się w metyloeter "4". Ostatni etap to kondensacja z guanidyną w warunkach zasadowych, powodująca zamknięcie pierścienia diazynowego.

O ile etap pierwszy i ostatni mogły być przeprowadzone dość łatwo, to problemem stał się ten środkowy. Diazometan to związek bardzo nietrwały, mogący rozkładać się wybuchowo w kontakcie z metalami, pewnymi solami, szkłem o ostrych krawędziach lub zbyt intensywnym światłem. Dodatkowo jest związkiem silnie trującym, wdychanie niewielkich ilości może wywołać zgon w wyniku uszkodzenia płuc. Mimo szczerych chęci uczniowie nie mogli go używać. Postanowili więc obejść tą trudność i znaleźć metodę alternatywną. Musiał być to proces który zmetyluje grupę -OH a nie przereaguje z łatwo ulegającą hydrolizie grupą nitrylową -CN. Dobieranie warunków i odczynników zajęło im kilka miesięcy, aż wreszcie okazało się, że etap jest możliwy do przeprowadzenia przy pomocy odczynników dostępnych na pracowni. Zastosowali starą metodę eteryfikacji kwasowej. Półprodukt "3" poddali reakcji z alkoholem izopropylowym i stężonym kwasem siarkowym, otrzymując eter, który nadawał się do dalszej reakcji.

Po opracowaniu tego etapu cała synteza okazała się dużo prostsza. Z 17 gramów substratu wyjściowego kupionego w firmie chemicznej (cena 36 $/100 g) otrzymali 3,7 grama pirymetaminy. Gdyby zamienić ją na tabletki Daraprimu ta ilość kosztowałaby w USA ponad 100 tysięcy dolarów licząc po nowych, zawyżonych cenach. Sami uczniowie uwzględniając koszty odczynników i wydajność wskazują, że tą metodą można by produkować preparat w cenie 1-2 dolary za dawkę
Ich praca spotkała się z dużym uznaniem na świecie, ale niestety mimo wszystko nie będzie miała zbyt dużego wpływu na sytuację USA, ze względu na dziwaczne przepisy farmaceutyczne.

Producent tańszego zamiennika leku, zawierającego tą samą substancję czynną, musi dla wprowadzenia na rynek wykonać test potwierdzający, że preparat ma porównywalną farmakokinetykę (wchłanianie, czas osiągnięcia maksymalnego stężenia, okres wydalania itp.) do oryginału. Przypisy obowiązujące w USA mówią, że do testu dla porównania musi być użyty oryginalny preparat specjalnie przekazany przez producenta, stanowiący wzorzec. Z drugiej strony producent oryginału nie jest zobowiązany do dostarczenia próbek porównawczych na potrzeby testu. Jeśli firma będąca monopolistą nie chce wprowadzenia na rynek tańszego zamiennika, to po prostu nie dostarcza swoich wzorców porównawczych, co blokuje całą procedurę.[2]

Nowa metoda może się jednak przydać firmom produkującym lek w innych krajach, bowiem ominięcie bardzo toksycznego reagenta zmniejsza związane z produkcją ryzyko i jest bardziej ekologiczne.
 ------------------------
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrimethamine
*  http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/sydney-schoolboys-take-down-martin-shkreli-the-most-hated-man-in-the-world-20161125-gsxcu5

[1]  http://www.biztok.pl/biznes/lek-na-aids-podrozal-jednej-nocy-o-5-tysiecy-procent_a22320
[2] https://www.theguardian.com/science/2016/dec/01/australian-students-recreate-martin-shkreli-price-hike-drug-in-school-lab

wtorek, 29 listopada 2016

Chromatografia czarnych markerów

Czyli o tym, że czerń może się różnić od czerni.

Mając chwilkę czasu w laboratorium, zabawiłem się w rozdzielanie na składniki czarnych markerów, jakie były na stanie pracowni do szkła i plastiku:
W jaki sposób? Techniką jaka posłużyła mi do tego zadania, była chromatografia cienkowarstwowa.

O chromatografii kiedyś już pisałem (artykuł). Jest to technika rozdzielająca mieszaniny na poszczególne składniki, pozwalająca dzięki porównaniu ze wzorcami też na ich oznaczenie. Odkryta na początku XX wieku przez rosyjskiego botanika Cwieta stała się dziś jedną z podstawowych technik analitycznych.
Cały proces opiera się o zachodzenie dwóch przeciwstawnych zjawisk - adsorpcji substancji na powierzchni chłonnego materiału i jej wypieraniu przez cząsteczki rozpuszczalnika. To na ile mocno substancja zwiąże się z podłożem zależy w dużej mierze od tego co to jest za substancja i jakie jest to podłoże.
Na adsorbencie będącym materiałem polarnym, wchłaniającym wodę, łatwiej będą się osadzać substancje polarne, hydrofilowe, zaś aby je dobrze wymyć trzeba użyć także odpowiednio silnego, polarnego rozpuszczalnika. Podobne do podobnego. Siła oddziaływania substancji z podłożem zależy od budowy i wielkości cząsteczki - obecność atomów niemetali z wolnymi parami elektronowymi (tlen, siarka, azot) sprzyja tworzeniu wiązań wodorowych, które mocniej wiążą cząsteczkę. Dla układów gdy podłoże jest niepolarne, tłuste, siłę wiązania zwiększają grupy węglowodorowe. Duża cząsteczka niepolarna może się lepiej wiązać z niepolarnym podłożem niż mała.
Natomiast siła z jaką rozpuszczalnik wymywa substancję zależy od tego jak silnie z nią oddziałuje i od tego na ile silnie wiąże się z podłożem.

Wszystkie te efekty powodują, że różne substancje mają różną siłę osadzania się na materiale chłonnym, czyli różne powinowactwo. Jeśli umieścimy mieszaninę na początku masy adsorbenta i będziemy przepuszczać przez niego rozpuszczalnik, składniki najsłabiej oddziałujące z podłożem popłyną najszybciej, a te najmocniej popłyną najwolniej. Przypomina to sytuację gdy na stadionie sportowym do biegu na kilometr zgłosi się mieszanka młodzików i dobrze wytrenowanych sportowców - ci lepsi szybko oddzielą się od słabszych, tworząc osobną grupkę.
Spróbujmy zrozumieć na czym polega to zróżnicowanie prędkości. Powierzchnia ziaren podłoża jest na tyle duża, że rozpuszczona porcja substancji nie przepływa po prostu kanalikami, tylko zostaje cała skutecznie wyłapana i osadzona. Ale zarazem z tyłu czysty rozpuszczalnik wymywa substancję i przeprowadza przez nasycone ziarna do przodu, gdzie osadza się na jeszcze nie pokrytym podłożu. Bardziej więc przypomina to ruch wydmy gnanej wiatrem niż prosty przepływ. Jeśli substancja lepiej oddziałuje z podłożem, jest słabiej wymywana przez rozpuszczalnik. W efekcie więcej czasu pozostaje związana i zostaje w tyle za lepiej wymywanymi.
W ten sposób skomplikowane mieszaniny kilkunastu czy kilkudziesięciu składników mogą zostać rozdzielone.
Barwne składniki wyciągu z zielonych liści

W moim przypadku podłożem, adsorbentem, była cienka warstwa masy krzemionkowej osadzona na aluminiowej folii. Miałem do użytku na pracowni cały arkusz, który zużywałem przy kolejnych syntezach podczas sprawdzania, czy reakcja zaszła, a gdy został mi na koniec taki nierówno wycięty kawałek, postanowiłem użyć go do opisanego tu doświadczonka.
Na starcie, nad brzegiem płytki, naniosłem kropki czterema czarnymi markerami, jakie akurat miałem dostępne. Jako naczynia użyłem najmniejszej zleweczki i przykrywki od naczynka pomiarowego. Nie pamiętam jaki dokładnie był skład rozpuszczalnika, ale generalnie był to chlorek metylenu z odrobiną octanu etylu, bo tego akurat używałem.
Aby proces chromatograficzny zachodził, należało wytworzyć ruch rozpuszczalnika w materiale płytki, użyłem tu znanego zjawiska podciągania kapilarnego - wlałem do zlewki taką ilość rozpuszczalnika, aby cały dolny brzeg był zanurzony, ale też aby zarazem same plamki mi się w nim nie moczyły, i przykryłem całość nakrywką, aby nie parowało. Zanim płytka nasiąknęła co górnego brzegu minęło kilka minut, toteż film nakręcony podczas procesu trochę przyspieszyłem:



Jak widzicie cztery z pozoru identycznie czarne plamki rozwinęły się w różnokolorowe pasma.

Generalnie rzecz biorąc nie ma czarnych barwników. Czerń powstaje wtedy, gdy substancja pochłania tak dużo światła, że oko nie rejestruje konkretnego koloru. Zwykle jednak po mocnym rozjaśnieniu czerń okazuje się być bardzo, bardzo ciemnym konkretnym kolorem. Mogą istnieć czarne pigmenty, to jest stałe substancje pochłaniające w dużym stopniu wszystkie kolory światła, tu najczęściej używany jest węgiel. Trudno jednak zastosować pigment w farbach wodnych i w flamastrach, w których tusz z wkładu przesiąka do końcówki przez porowaty materiał, działający raczej jak sito dla stałych cząstek.
Producenci używają więc mieszanek różnych barwników o dużej sile barwienia. Gdy na dany barwnik pada światło białe, pochłania on z zakresu pewne kolory a odbija inne. Jeśli dobierzemy barwniki tak, że każdy kolor będzie po trochę pochłaniany, mieszanka będzie wyglądała na czarną. A jak pokazało moje małe doświadczenie, różni producenci lubią też używać różnych, unikalnych mieszanek:
Jak widać markery Granit i BIC mają podobny składnik podstawowy - dość polarny, intensywnie fioletowy barwnik, zostający z tyłu. Zastanawiałem się czy nie jest to aby fiolet krystaliczny, ale nie miałem gencjany do porównania. Jednak dalsze składniki różnią się wyraźnie - w jednym jest to łatwo rozpuszczalny brunatny składnik, w drugim dwa składniki, jeden żółtobrązowy drugi natomiast nieco różowawy. Może być on identyczny ze składnikiem markera trzeciego "Pilot", leżącym na tej samej wysokości. Tam podstawowym barwnikiem jest leżący niżej składnik granatowy.
W przypadku czwartego markera, Pentel Pen, składniki okazały się w układzie na tyle dobrze rozpuszczalne, że bez wyraźnego oddzielenia popłynęły na sam koniec, tworząc czarną plamkę.

Ten obraz poszerzyć może badanie wyglądu płytki w ultrafiolecie, ujawniające składniki nie widoczne gołym okiem. Substancje fluoryzujące świecą własnym światłem:
Jak widzimy pojawia się nam kolejna różnica między dwoma pierwszymi markerami - BIC zawiera dodatkowy składnik świecący w ultrafiolecie na jasno niebiesko. Możliwe, że w mniejszej ilości zawierają go też dwa po bokach, słabo świecące na tej samej wysokości. Takie świecenie na brzegu kolorowej plamy oznacza, że w zastosowanym układzie rozpuszczalników nałożyły się nam na siebie dwie substancje, a więc nie udało się ich zupełnie rozdzielić.
Po co niewidoczny gołym okiem składnik w markerach? Ponieważ świeci w ultrafiolecie, to musi go też pochłaniać, jest to więc zapewne składnik chroniący pozostałe barwniki przed degradacją na świetle, powstrzymujący blaknięcie rysunków.

Różnice w składzie tuszu markerów, ale też tuszu długopisów czy atramentu piór wiecznych mają istotne znaczenie w kryminalistyce, aby wyryć czy badane dokumenty, na przykład testament, nie były później uzupełniane. Jeśli sprawca użył innego długopisu, różny skład potwierdzi dopiski. Oczywiście nie wkładamy w tym celu dokumentu do naczynia z rozpuszczalnikiem aby spojrzeć na powstające kolorowe plamki. Bądź pobiera się drobną próbkę z dokumentu i bada którąś do dokładnych technik chromatograficznych, jak wysokosprawna cieczowa, bądź wyznacza technikami nieinwazyjnymi, jak spektroskopia Ramana czy UV-Vis

A jak wykonać podobne doświadczenie u siebie w domu? Specjalistycznych płytek TLC nie trzeba kupować. Za cienki materiał chłonny wystarczy arkusz grubej bibuły, na przykład gęsty filtr do kawy, można też próbować ze sztywnym, kredowym papierem. Mi kiedyś udało się to z papierem do kserowania.
Wycinamy z papieru pasek o takiej szerokości aby zmieściły się nam kropki wszystkich flamastrów jakie chcemy zbadać, długi na kilka centymetrów. Znajdujemy wysokie naczynie o płaskim dnie, może to być słoik, szklanka, opakowanie po czymś, tak aby nasz pasek się w nim mieścił.
Teraz kwestia rozpuszczalnika - dość dobrymi, mocno wymywającymi, jest spirytus i zmywacz do lakieru do paznokci. Jeśli okażą się zbyt mocne i podczas próby wszystkie kolory od razu pójdą do góry, możemy spróbować domieszać jakiegoś słabszego składnika, może to być na przykład jakiś rozpuszczalnik do usuwania tłustych plam. Jeśli badamy markery nierozpuszczalne, pomocne może być dodanie odrobiny wody - wprawdzie jest bardzo polarna, ale gdy składniki barwne się w wodzie słabo rozpuszczają, woda może pogorszyć ich wymywanie z papieru i spowolnić. Tu już trzeba sobie poeksperymentować.

Przygotowaną mieszankę wlewamy na dno naszego naczynia, wkładamy pasek papieru z naniesionymi u dołu kropkami markerów tak aby opierał się o ściankę. Ponieważ nasiąkający papier traci sztywność, aby się nam nie przewrócił i nie wpadł możemy bądź zawinąć górny brzeg na brzegu naczynia, lub użyć spinacza do papieru, ewentualnie przewlec nitkę przez otwór w papierze i podwiązać. Pasek nie powinien przylegać do ścianki naczynia, rozpuszczalnik będzie wówczas podsiąkał w szczelinie między nimi i całość się rozmyje. Naczynie czymś przykrywamy aby rozpuszczalnik nie parował i czekamy aż cały pasek nasiąknie.