เคมีทางการแพทย์
เคมี ทางการแพทย์หรือเคมีเภสัชกรรมเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่อยู่ระหว่างเคมีและเภสัชกรรมซึ่งเกี่ยวข้องกับการออกแบบและพัฒนายา เคมี ทางการ แพทย์ เกี่ยวข้องกับการระบุ การสังเคราะห์ และการพัฒนาสารเคมีใหม่ที่เหมาะสมสำหรับการใช้ในการรักษาโดยใช้โครงสร้าง นอกจากนี้ยังรวมถึงการศึกษาเกี่ยวกับยาที่มีอยู่ คุณสมบัติทางชีวภาพ และความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างโครงสร้างและกิจกรรม (QSAR) [ 1 ] [ 2 ]
เคมีทางการแพทย์เป็นวิทยาศาสตร์สหวิทยาการที่ผสมผสานเคมีอินทรีย์ชีวเคมีเคมีเชิงคำนวณเภสัชวิทยาชีววิทยาระดับโมเลกุลสถิติและเคมีเชิงฟิสิกส์เข้าด้วยกัน
สารประกอบ ที่ใช้เป็นยาโดยส่วนใหญ่มักเป็นสารประกอบอินทรีย์ซึ่งมักแบ่งออกเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่โมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก (เช่นอะโทร์วาสแตติน ฟลูติคาโซน โคลพิโดเกรล ) และ " สารชีวภาพ " ( อินฟลิซิ แม บอิริโทรโป เอติ นอินซูลินกลาร์ จีน ) ซึ่งกลุ่มหลังนี้ส่วนใหญ่มักเป็นยาที่ประกอบด้วยโปรตีน ( แอนติบอดี ธรรมชาติและ รีคอมบิแนน ท์ฮอร์โมนฯลฯ) ยายังอาจเป็น สารประกอบ อนินท รีย์ และ สารประกอบ ออร์กาโนเม ทัลลิก ซึ่งมักเรียกว่ายาโลหะ (เช่น สารที่ใช้ แพลทินัมลิเธียมและแกลเลียมเป็นส่วนประกอบ เช่นซิสพลาติ น ลิเธียมคาร์บอเนตและแกลเลียมไนเตรตตามลำดับ) สาขาวิชาเคมีอนินทรีย์ทางการแพทย์ศึกษาบทบาทของโลหะในทางการแพทย์หรือโลหะบำบัด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการศึกษาและการรักษาโรคและภาวะสุขภาพที่เกี่ยวข้องกับ โลหะ อนินทรีย์ในระบบชีวภาพ มีโลหะบำบัดหลายชนิดที่ได้รับการอนุมัติสำหรับการรักษาโรคมะเร็ง (เช่น มี Pt, Ru, Gd, Ti, Ge, V และ Ga), ยาต้านจุลชีพ (เช่น Ag, Cu และ Ru), โรคเบาหวาน (เช่น V และ Cr), ยาปฏิชีวนะแบบออกฤทธิ์กว้าง (เช่น Bi), โรคอารมณ์สองขั้ว (เช่น Li) [ 3 ] [ 4 ] สาขาการศึกษาอื่นๆ ได้แก่โลหะวิทยา , จีโนมิกส์ , โปรตีโอ มิกส์ , สารวินิจฉัย (เช่น MRI: Gd, Mn; X-ray: Ba, I) และเภสัชภัณฑ์รังสี (เช่น99m Tc สำหรับการวินิจฉัย, 186 Re สำหรับการรักษา)
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เคมีทางการแพทย์ในการปฏิบัติทั่วไป—ซึ่งเน้นที่โมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก—ครอบคลุมถึงเคมีอินทรีย์สังเคราะห์และแง่มุมของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติและเคมีเชิงคำนวณที่ผสมผสานอย่างใกล้ชิดกับชีววิทยาเคมีเอนไซม์วิทยาและชีววิทยาโครงสร้างโดยมีเป้าหมายร่วมกันในการค้นพบและพัฒนายาบำบัดใหม่ ๆ ในทางปฏิบัติแล้ว เกี่ยวข้องกับแง่มุมทางเคมีของการระบุ และจากนั้นการเปลี่ยนแปลงทางเคมีสังเคราะห์อย่างเป็นระบบและละเอียดถี่ถ้วนของสารเคมีใหม่ ๆเพื่อให้เหมาะสมสำหรับการใช้ในการรักษาโรค ซึ่งรวมถึงแง่มุมการสังเคราะห์และการคำนวณของการศึกษาตัวยาที่มีอยู่และตัวยาที่อยู่ระหว่างการพัฒนาที่เกี่ยวข้องกับฤทธิ์ทางชีวภาพ (กิจกรรมและคุณสมบัติทางชีวภาพ) กล่าวคือ การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและกิจกรรม (SAR) เคมีเภสัชกรรมมุ่งเน้นไปที่แง่มุมด้านคุณภาพของยาและมีเป้าหมายเพื่อรับรองความเหมาะสมของผลิตภัณฑ์ยา[ 5 ]
ในด้านชีววิทยา เคมีทางการแพทย์ได้รวมเอาศาสตร์หลายแขนงเข้าไว้ด้วยกัน โดยเน้นด้าน เคมีอินทรีย์ เคมีฟิสิกส์และ เคมี คำนวณควบคู่ไปกับสาขาชีววิทยา เช่นชีวเคมีชีววิทยาระดับโมเลกุลเภสัชพฤกษศาสตร์และเภสัชวิทยาพิษวิทยาและสัตวแพทยศาสตร์และเวชศาสตร์มนุษย์ซึ่งศาสตร์เหล่านี้ ร่วมกับการบริหารโครงการสถิติและหลักปฏิบัติทางธุรกิจด้านเภสัชกรรม จะควบคุมดูแลอย่างเป็นระบบในการปรับเปลี่ยนสารเคมีที่ระบุไว้ เพื่อให้หลังจากการเตรียมสูตรยาแล้วสารเหล่านั้นมีความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพและเหมาะสมสำหรับการใช้ในการรักษาโรค
ในเส้นทางการค้นพบยา
การค้นพบ
การค้นพบคือการระบุสารประกอบเคมีที่ออกฤทธิ์ใหม่ ซึ่งมักเรียกว่า "สารออกฤทธิ์" ซึ่งโดยทั่วไปจะพบได้จากการทดสอบสารประกอบเพื่อหาฤทธิ์ทางชีวภาพที่ ต้องการ [ 6 ]สารออกฤทธิ์เริ่มต้นอาจมาจากการนำสารที่มีอยู่มาใช้ใหม่กับกระบวนการทางพยาธิวิทยาใหม่[ 7 ] และจากการสังเกตผลกระทบทางชีวภาพของ ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติใหม่หรือที่มีอยู่จากแบคทีเรีย เชื้อรา[ 8 ]พืช[ 9 ]เป็นต้น นอกจากนี้ สารออกฤทธิ์ยังมักมาจากการสังเกตโครงสร้างของ "ชิ้นส่วน" โมเลกุลขนาดเล็กที่จับกับเป้าหมายการรักษา(เอนไซม์ตัวรับ ฯลฯ) โดยที่ชิ้นส่วนเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นในการพัฒนารูปแบบที่ซับซ้อนทางเคมีมากขึ้นโดยการสังเคราะห์ สุดท้ายนี้ สารออกฤทธิ์ยังมักมาจากการทดสอบสารเคมีจำนวนมาก กับเป้าหมายทางชีวภาพโดยใช้การทดสอบทางชีวเคมีหรือเคมี โปรตีโอมิกส์ซึ่งสารประกอบเหล่านั้นอาจมาจากคลังสารเคมี สังเคราะห์ใหม่ ที่ทราบกันว่ามีคุณสมบัติเฉพาะ (เช่น ฤทธิ์ยับยั้งไคเนส ความหลากหลาย หรือความเป็นยา เป็นต้น) หรือจากคอลเลกชันหรือคลังสารประกอบเคมีในอดีตที่สร้างขึ้นผ่านเคมีเชิงผสมผสานแม้ว่าจะมีวิธีการมากมายในการระบุและพัฒนาสารออกฤทธิ์ แต่เทคนิคที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดนั้นอาศัยสัญชาตญาณทางเคมีและชีววิทยาที่พัฒนาขึ้นในสภาพแวดล้อมการทำงานเป็นทีมผ่านการฝึกฝนอย่างเข้มงวดเป็นเวลาหลายปีโดยมีเป้าหมายเพียงอย่างเดียวคือการค้นพบตัวยาบำบัดใหม่
การค้นหาลูกค้าเป้าหมายและการเพิ่มประสิทธิภาพลูกค้าเป้าหมาย
จำเป็นต้องมีการศึกษาทางเคมีและการวิเคราะห์เพิ่มเติม โดยเริ่มจากการระบุสารประกอบ "คัดกรอง" ที่ไม่แสดงคุณสมบัติ SAR และลักษณะทางเคมีที่เหมาะสมซึ่งเกี่ยวข้องกับศักยภาพในการพัฒนาในระยะยาว จากนั้นจึงปรับปรุงสารประกอบที่เหลืออยู่โดยคำนึงถึงกิจกรรมหลักที่ต้องการ รวมถึงกิจกรรมรองและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี เพื่อให้สารนั้นมีประโยชน์เมื่อนำไปใช้กับผู้ป่วยจริง ในส่วนนี้ การดัดแปลงทางเคมีสามารถปรับปรุงการจดจำและรูปทรงการจับ ( ฟาร์มาโคฟอร์ ) ของสารประกอบที่คาดว่าจะออกฤทธิ์ และความสัมพันธ์กับเป้าหมาย ตลอดจนปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโมเลกุลที่เป็นพื้นฐานของเภสัชจลนศาสตร์ / เภสัชพลศาสตร์ (PK/PD) และความเป็นพิษ (ความเสถียรต่อการสลายตัวทางเมตาบอลิซึม การไม่มีความเป็นพิษต่อพันธุกรรม ตับ และหัวใจ เป็นต้น) เพื่อให้สารประกอบทางเคมีหรือสารชีวภาพนั้นเหมาะสมสำหรับการนำไปใช้ในการศึกษาในสัตว์และมนุษย์
เคมีกระบวนการและการพัฒนา
ขั้นตอนสุดท้ายของเคมีสังเคราะห์เกี่ยวข้องกับการผลิตสารประกอบหลักในปริมาณและคุณภาพที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถทดสอบในสัตว์ขนาดใหญ่ และจากนั้นจึงทำการทดลองทางคลินิก ในมนุษย์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเพิ่มประสิทธิภาพของ เส้นทาง การสังเคราะห์สำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมจำนวนมาก และการค้นหาสูตร ยาที่เหมาะสมที่สุด ส่วนแรกยังคงเป็นขอบเขตของเคมีทางการแพทย์ ส่วนหลังเกี่ยวข้องกับความเชี่ยวชาญของวิทยาศาสตร์การกำหนดสูตรยา (ซึ่งประกอบด้วยเคมีกายภาพ เคมีพอลิเมอร์ และวิทยาศาสตร์วัสดุ) ความเชี่ยวชาญด้านเคมีสังเคราะห์ในเคมีทางการแพทย์ที่มุ่งเน้นการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพของเส้นทางการสังเคราะห์สำหรับการสังเคราะห์ในระดับอุตสาหกรรมหลายร้อยกิโลกรัมขึ้นไป เรียกว่าการสังเคราะห์กระบวนการและเกี่ยวข้องกับความรู้ที่ละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับแนวทางปฏิบัติในการสังเคราะห์ที่ยอมรับได้ในบริบทของปฏิกิริยาขนาดใหญ่ (อุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยา เศรษฐศาสตร์ ความปลอดภัย ฯลฯ) สิ่งสำคัญในขั้นตอนนี้คือการเปลี่ยนไปใช้ ข้อกำหนด GMP ที่เข้มงวดมากขึ้น สำหรับการจัดหา การจัดการ และเคมีของวัสดุ
การวิเคราะห์เชิงสังเคราะห์
วิธีการสังเคราะห์ที่ใช้ในเคมีทางการแพทย์อยู่ภายใต้ข้อจำกัดที่ไม่ใช้กับวิธีการสังเคราะห์สารอินทรีย์ แบบดั้งเดิม เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะขยายขนาดการเตรียมการ ความปลอดภัยจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ความเป็นพิษที่อาจเกิดขึ้นของสารเคมีส่งผลต่อวิธีการ[ 5 ] [ 10 ]
การวิเคราะห์โครงสร้าง
โครงสร้างของยาจะถูกประเมินในหลายวิธี ส่วนหนึ่งเพื่อใช้ในการทำนายประสิทธิภาพ ความเสถียร และการเข้าถึงได้ง่าย กฎห้าข้อของลิปินสกีเน้นที่จำนวนตัวให้และตัวรับพันธะไฮโดรเจน จำนวนพันธะที่หมุนได้ พื้นที่ผิว และความชอบไขมัน พารามิเตอร์อื่นๆ ที่นักเคมีด้านยาใช้ในการประเมินหรือจำแนกสารประกอบของตน ได้แก่ ความซับซ้อนในการสังเคราะห์ ความเป็นไครัล ความเรียบ และจำนวนวงแหวนอะโรมาติก
การวิเคราะห์โครงสร้างของสารประกอบนำมักจะดำเนินการโดยใช้วิธีการคำนวณก่อนการสังเคราะห์ลิแกนด์จริง ซึ่งทำด้วยเหตุผลหลายประการ รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง: เวลาและข้อพิจารณาทางการเงิน (ค่าใช้จ่าย ฯลฯ) เมื่อลิแกนด์ที่สนใจได้รับการสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการแล้ว การวิเคราะห์จะดำเนินการโดยวิธีการแบบดั้งเดิม (TLC, NMR, GC/MS และอื่นๆ) [ 5 ]
การฝึกอบรม
เคมีทางการแพทย์โดยธรรมชาติแล้วเป็นวิทยาศาสตร์สหวิทยาการ และผู้ปฏิบัติงานมีพื้นฐานที่แข็งแกร่งในเคมีอินทรีย์ ซึ่งในที่สุดจะต้องเชื่อมโยงกับความเข้าใจอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับแนวคิดทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับเป้าหมายยาในระดับเซลล์[ 11 ]นักวิทยาศาสตร์ในสาขาเคมีทางการแพทย์ส่วนใหญ่เป็นนักวิทยาศาสตร์อุตสาหกรรม (แต่ดูต่อไปนี้) ทำงานเป็นส่วนหนึ่งของทีมสหวิทยาการที่ใช้ความสามารถทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการสังเคราะห์ เพื่อใช้หลักการทางเคมีในการออกแบบตัวแทนการรักษาที่มีประสิทธิภาพ ระยะเวลาการฝึกอบรมเข้มข้น โดยผู้ปฏิบัติงานมักจะต้องสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี 4 ปี ตามด้วยปริญญาเอกสาขาเคมีอินทรีย์ 4-6 ปี หลักสูตรการฝึกอบรมส่วนใหญ่ยังรวมถึงช่วงเวลาการทำงานหลังปริญญาเอก 2 ปีขึ้นไปหลังจากได้รับปริญญาเอกสาขาเคมี ทำให้ระยะเวลาการฝึกอบรมทั้งหมดอยู่ระหว่าง 10 ถึง 12 ปีของการศึกษาในระดับวิทยาลัย[ 12 ]อย่างไรก็ตาม โอกาสในการทำงานในระดับปริญญาโทก็มีอยู่ในอุตสาหกรรมยา และในระดับนั้นและปริญญาเอกด้วย ในระดับนี้ ยังมีโอกาสในการทำงานเพิ่มเติมในแวดวงวิชาการและภาครัฐอีกด้วย
หลักสูตรระดับบัณฑิตศึกษาในสาขาเคมีทางการแพทย์สามารถพบได้ในภาควิชาเคมีทางการแพทย์หรือวิทยาศาสตร์เภสัชกรรมแบบดั้งเดิม ซึ่งทั้งสองภาควิชานี้มักเกี่ยวข้องกับโรงเรียนเภสัชศาสตร์ และในบางภาควิชาเคมี อย่างไรก็ตาม นักเคมีทางการแพทย์ส่วนใหญ่ที่ทำงานอยู่มีปริญญาโท (โดยเฉพาะปริญญาเอก) ในสาขาเคมีอินทรีย์ มากกว่าเคมีทางการแพทย์[ 13 ]และตำแหน่งงานส่วนใหญ่จะอยู่ในงานวิจัย ซึ่งจำเป็นต้องขยายขอบเขตให้กว้างที่สุด และมีกิจกรรมการสังเคราะห์ที่หลากหลายที่สุดเกิดขึ้น
ในการวิจัยเกี่ยวกับยาโมเลกุลขนาดเล็กนั้น เห็นได้ชัดว่ามีการเน้นการฝึกอบรมที่ให้ประสบการณ์ด้านการสังเคราะห์ที่หลากหลายและ "ความรวดเร็ว" ในการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการ (เช่น สำหรับบุคคลที่มีความเชี่ยวชาญด้านการสังเคราะห์สารอินทรีย์และผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติในระดับปริญญาเอกและหลังปริญญาเอก) ในสาขาเคมีทางการแพทย์ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบและการสังเคราะห์คลังสารเคมี หรือการดำเนินการทางเคมีเพื่อการสังเคราะห์เชิงพาณิชย์ที่มีศักยภาพ (ซึ่งโดยทั่วไปเป็นสาขาที่มีโอกาสน้อยกว่า) เส้นทางการฝึกอบรมมักมีความหลากหลายมากกว่า (เช่น รวมถึงการฝึกอบรมเฉพาะทางด้านเคมีอินทรีย์เชิงฟิสิกส์ การสังเคราะห์ที่เกี่ยวข้องกับคลังสารเคมี เป็นต้น)
ด้วยเหตุนี้ พนักงานระดับเริ่มต้นส่วนใหญ่ในสาขาเคมีทางการแพทย์ โดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกา จึงไม่ได้รับการฝึกอบรมอย่างเป็นทางการในสาขาเคมีทางการแพทย์ แต่จะได้รับพื้นฐานความรู้ด้านเคมีทางการแพทย์และเภสัชวิทยาที่จำเป็นหลังจากได้รับการจ้างงานแล้ว—เมื่อเริ่มทำงานในบริษัทเภสัชกรรม ซึ่งบริษัทจะให้ความเข้าใจหรือรูปแบบการฝึกอบรม "เคมีทางการแพทย์" เฉพาะของตนเองผ่านการมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการสังเคราะห์เชิงปฏิบัติในโครงการบำบัดรักษา (ในทำนองเดียวกันนี้ก็เป็นจริงบ้างสำหรับสาขาเคมีทางการแพทย์เชิงคำนวณ แต่ไม่มากเท่ากับในด้านการสังเคราะห์)