Een aan Purdue gelieerd bedrijf ontwikkelt een manier om de ontwikkelingskosten van geneesmiddelen te verlagen door moleculen en chemische reacties in vloeibare oplossingen nauwkeuriger en efficiënter te modelleren. Hierdoor zullen chemici de procesdetails van molecuulsynthese beter kunnen begrijpen.

QUAIL Modeling LLC, een acroniem voor Quantum Applications in Liquids, werd mede opgericht door Tillmann Kubis, onderzoeksassistent-professor in Purdue's School of Electrical and Computer Engineering, Netwerk voor Computational Nanotechnology en Purdue Center for Predictive Materials and Devices, en James Charles, een doctoraat student op dezelfde afdeling.

De software is ontwikkeld vanuit een behoefte om beter te begrijpen hoe moleculen in vloeistoffen reageren.

"Als je een molecuul hebt waarvan wordt verwacht dat het zich op een bepaalde manier gedraagt, Met de huidige modellen kun je zijn gedrag in het vacuüm alleen voorspellen waar het molecuul in principe geïsoleerd is. Echter, drugs worden verondersteld te interageren met een vloeibare omgeving zoals bloed. Tot dusver, er is geen manier om het moleculair gedrag in vloeistoffen betrouwbaar te voorspellen, waar het medicijn daadwerkelijk effect zal hebben, " zei Kubis. "De eerste vraag die we zullen beantwoorden is hoe deze moleculen zullen veranderen wanneer ze in een vloeibare omgeving worden gebracht, zoals de bloedbaan van een patiënt."

Kubis zei dat het modelleren van vloeistoffen een grote en nog steeds niet volledig opgeloste uitdaging is in de kwantumchemie.

"Het is nog niet duidelijk hoe je water moet modelleren en hoe moleculen moeten worden gemodelleerd wanneer ze zijn opgelost, " zei hij. "Moleculen in een aquatische omgeving worden geconfronteerd met te veel chaotische verstoringen voor de state-of-the-art kwantummodellen. Typische kwantumbeschrijvingen zijn niet in staat om dergelijke intense onzekerheden efficiënt aan te pakken."

QUAIL Modeling breidt de Non-Equilibrium Green Function-methode (NEGF) uit naar het rijk van de vloeibare kwantumchemie. Met deze methode kunnen scheikundigen tijdsafhankelijke niet-evenwichtsverwachtingswaarden berekenen, zoals stroom en dichtheden, energie-uitwisseling en entropieveranderingen van het systeem. De NEGF-methode is al een breed geaccepteerde methode in de wereld van elektrotechniek en hoge-energiefysica.

"Een van de heilige gralen van de kwantumchemie is de voorspelling van de solvatatie-energie, d.w.z., de energie verandert wanneer een molecuul oplost in een vloeistof.' Kubis zei. 'QUAIL werkt direct om dit probleem op te lossen. Ondanks het belang ervan, dit probleem is tot nu toe onoplosbaar. We pakken het aan door de kwantumeffecten te combineren met de statistische onzekerheden van een vloeibare omgeving. We kunnen dit expliciet doen voor elk soort vloeibaar en opgelost molecuul."

Kubis zei dat deze methode de kosten van de ontwikkeling van geneesmiddelen aanzienlijk zal verlagen.

"Het potentieel hiervan is gigantisch. Er worden elk jaar slechts ongeveer 20 medicijnen op de markt gebracht en het kost ongeveer $ 5-12 miljard om elk van hen in dat stadium te krijgen, " zei hij. "Het verminderen van deze uitgaven met zelfs maar 10 procent kan een enorm verschil maken."

Kubis zei dat het van vitaal belang is voor bedrijven om moleculen in perfecte zuiverheid te testen, zonder enige synthese-bijproducten of vrij van ongewenste moleculaire chiraliteit. Dit is essentieel om eventuele nadelige bijwerkingen van het eigenlijke geneesmiddelmolecuul te bepalen. Geen onzuiverheden die tijdens de synthese van het medicijn worden geproduceerd, kunnen die informatie vervagen.

"Als grote bedrijven een molecuul hebben om te synthetiseren, ze hebben hun eigen serviceproviders met databases die hen doorgaans ongeveer 15-20 verschillende reactiepaden geven die een hoge concentratie kunnen opleveren, of hoge zuiverheid, van het gewenste molecuul. De hoge kosten komen dan voort uit het grondig testen van elk reactiepad. Onze technologie zou de 20 reacties kunnen verkleinen tot veel minder, nauwkeuriger kandidaten, of zelfs nieuwe reactiepaden te identificeren die niet op de radar staan ​​van de onvolledige databases, " zei hij. "Dit zal de kosten van medicijnontwikkeling verminderen en de betrouwbaarheid van drugtests verhogen."

Technologie die door QUAIL Modeling wordt gebruikt, is in licentie gegeven via het Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization. Het bedrijf is lid van de Purdue Startup Class van 2017.

Het bedrijf werkt aan academische theorieën met een focus op industriële toepassingen.

"Ons eerste doel is om de solvatatie-energie correct te voorspellen, " zei Kubis. "Het modelleren van chemische reacties is ons doel op lange termijn; we hebben veel ontwikkeling nodig om dat te voltooien."

De ontwikkeling van deze technologie is eerder academisch ondersteund door het Center of Materials and Predictive Devices van Purdue. Kubis zei dat QUAIL Modeling momenteel op zoek is naar partnerschappen en financiering.

"We zoeken samenwerkingen binnen de industrie, evenals financiering en begeleiding bij de meest urgente open vragen voor de farmaceutische en chemische industrie, " zei hij. "We moeten de open vragen bespreken met de specialisten van het veld, aangezien we geen chemici zijn. Het hebben van enige begeleiding zal ons helpen om op schema te blijven.