Sintesi in parallelo

La sintesi in parallelo consente di risparmiare tempo in modo significativo e di differenziare i composti eseguendo più esperimenti simultaneamente.

La sintesi in parallelo viene utilizzata per accelerare la scoperta di nuovi composti e per effettuare lo screening per l'individuazione delle condizioni di processo ottimali. Nell'industria farmaceutica, la sintesi in parallelo permette di scoprire e sviluppare le molecole candidate a diventare farmaci in tempi più rapidi. Ad esempio, consente di sintetizzare librerie con strutture chimiche diverse che possono poi essere analizzate per rilevarne la potenziale attività biologica.

La sintesi in parallelo viene utilizzata per applicazioni su scale diverse, che comprendono l'individuazione dei candidati migliori, la relativa ottimizzazione e lo screening per identificare le condizioni di reazione ottimali. Per questo motivo, durante lo scale-up e lo sviluppo dei processi i metodi di sintesi in parallelo accelerano l'ottimizzazione del processo consentendo di comprendere meglio l'effetto delle variabili di reazione, compresi i sistemi di solventi, le temperature e le concentrazioni ottimali, i reagenti corretti, i tempi di reazione e i catalizzatori da scegliere.

Nella fase di scoperta dei farmaci, si individua una molecola target, per esempio una proteina, associata a un processo legato alla malattia. Quando la molecola target è stata validata, i ricercatori danno inizio a un processo di scoperta per individuare altre molecole o sostanze che agiscano sulla molecola target. Il processo di individuazione di una molecola (ovvero una molecola candidata) che agisca su un determinato target può essere estremamente impegnativo: probabilmente occorrerà vagliare migliaia di composti per trovare uno o più candidati promettenti. Una volta identificata una molecola candidata, è possibile modificarla a livello chimico per aumentarne l'efficacia nei confronti della molecola target. 

La sintesi in parallelo è essenziale in questa fase di screening dei composti candidati. La sintesi in parallelo consente infatti di effettuare in modo rapido e logico la sintesi di migliaia di molecole potenzialmente in grado di colpire il target. Prima dell'avvento della sintesi in parallelo nella chimica combinatoriale, la scoperta delle molecole candidate era casuale e/o frutto di un processo sequenziale che richiedeva molto tempo. 

La chimica combinatoriale consente di creare grandi insiemi di composti potenzialmente nuovi e/o biologicamente attivi realizzando tutte le possibili combinazioni di una serie ridotta di singole molecole in condizioni di reazione simili. La serie di composti risultante (denominata libreria) può essere molto grande: in questo modo è infatti possibile preparare intere famiglie di nuovi composti da sottoporre a ulteriori analisi per identificare i composti candidati.

La chimica combinatoriale è largamente utilizzata ormai da alcuni anni, tuttavia in un contesto reale l'identificazione dei composti caratterizzati da attività biologica all'interno di un numero così elevato di campioni si è rivelata difficoltosa. La sintesi in parallelo con reattori chimici è una strategia che permette di sfruttare i vantaggi della chimica combinatoriale utilizzando un approccio più mirato alle molecole target. Si ottiene così una serie di composti ridotta e più mirata, semplificando quindi il processo di selezione dei candidati.

La sintesi in parallelo, che consente di risparmiare tempo in modo significativo e di differenziare i composti eseguendo più esperimenti simultaneamente, può essere eseguita in soluzione o in fase solida. Nella sintesi in parallelo in fase solida, le molecole sono temporaneamente legate a un supporto insolubile e si esegue la sintesi progressiva della molecola da produrre utilizzando una strategia di protezione e deprotezione dei gruppi funzionali chiave.

La sintesi in parallelo in fase solida comporta numerosi vantaggi. È possibile portare a compimento le reazioni facilmente utilizzando reagenti in eccesso o tecniche di potenziamento della reazione come l'irradiazione con microonde. Anche la purificazione è più semplice poiché il prodotto finale viene separato dal substrato in fase solida mediante clivaggio. Come la sintesi in parallelo in soluzione, anche la sintesi in parallelo in fase solida è facilmente adattabile a processi automatici, garantendo livelli elevati di efficienza, velocità e rendimento finale complessivo in termini di prodotto.

I reattori per sintesi in parallelo EasyMax rappresentano un'eccellente piattaforma per la sintesi in parallelo a sostegno di esperimenti per l'ottimizzazione delle reazioni. Poiché i due reattori di EasyMax sono controllati in modo accurato e ripetibile, è possibile eseguire esperimenti in parallelo con la certezza di ottenere risultati di qualità. Effettuando simultaneamente più reazioni con le variabili di reazione definite, si accelerano i tempi degli studi di progettazione degli esperimenti (DoE).

Il sistema di reattori EasyMax è dotato di due reattori completamente indipendenti di taglia variabile. Oltre a dosatori, controllo del pH, diversi tipi di agitatori e controllo della temperatura con un'accuratezza di 0,1 °C, i reattori EasyMax possono essere equipaggiati con spettrometri FTIR, spettrometri Raman e analizzatori delle dimensioni delle particelle.

Urs Groth, Fabio Visentin, "Fast and Effective Synthesis of Peptides: A Statistical Approach Using EasyMax" ("Sintesi di peptidi rapida ed efficace: un approccio statistico"), nota applicativa METTLER TOLEDO 2010-002.

In questo lavoro si utilizza una sintesi di peptidi della ditta LONZA per:

• Identificare i parametri di reazione necessari per la creazione di un modello cinetico
• Ottenere resa e selettività massime
• Ridurre al minimo la formazione di sottoprodotti. 

Sono stati scelti quattro parametri relativi alla concentrazione dei reagenti e alla temperatura, quindi è stato condotto uno studio di progettazione degli esperimenti (DoE) costituito da 11 esperimenti effettuati in parallelo nei reattori EasyMax.  

L'analisi mediante HPLC (cromatografia liquida ad alte prestazioni) ha evidenziato che a una temperatura di 10,0 °C la conversione e la resa dopo 90 minuti erano al livello minimo, come previsto.  Tuttavia, anche il livello di impurezze era ridotto al minimo. L’aumento della temperatura migliorava conversione e resa, riducendo però la selettività e incrementando le impurezze. L'utilizzo di una temperatura inferiore e una minore quantità di uno dei reagenti (l'EDC) determinava la riduzione delle impurezze. L'utilizzo di basse concentrazioni di TEA, invece, generava una maggiore quantità di impurezze.

La combinazione di sperimentazioni su base statistica con reattori per la sintesi in parallelo ha accelerato l'ottimizzazione di questo processo di sintesi dei peptidi.

L’aumento della temperatura migliorava conversione e resa, riducendo però la selettività e incrementando le impurezze. L'utilizzo di una temperatura inferiore e una minore quantità di uno dei reagenti (l'EDC) determinava la riduzione delle impurezze. L'utilizzo di basse concentrazioni di TEA, invece, generava una maggiore quantità di impurezze.

La combinazione di sperimentazioni su base statistica con reattori per la sintesi in parallelo ha accelerato l'ottimizzazione di questo processo di sintesi dei peptidi.