NMR Study on the Aggregation Behavior of the Therapeutic Peptide Carbetocin

Abstract

Carbetocin is an uncharged cyclic therapeutic peptide with a tendency to aggregate in solution. Aggregation is undesirable since it, for example, can lead to loss of pharmaceutical effects. To gain a better understanding of peptide aggregation, along with a potential to develop better drug formulations, aggregation of carbetocin was studied. In focus were soluble aggregates in contrast to phase-separated aggregates. The behavior of these soluble aggregates was studied with NMR spectroscopy. NMR diffusometry and 1 H NMR spectroscopy were used as the main analytic methods. Aqueous solutions of carbetocin at different concentrations alone, and with added sodium dodecyl sulfate (SDS) and pentaethylene glycol monododecyl ether (C12E5) were analyzed using these methods. The peptide has an increased self-aggregation in solution at higher peptide concentrations, with a distinct increase in aggregation at around 15-20 mM carbetocin. Hydrophobic interactions and hydrogen bonding are suggested to be the major attractive forces in the aggregation mechanism based on that the chemical shifts of hydrophobic and hydrogen-bonding sites in carbetocin show significant changes at higher peptide concentrations. Surfactants significantly affect the aggregation behavior of carbetocin and co-aggregates are formed. To fully understand the aggregation behavior of carbetocin and other peptides, more research has to be conducted.

Popular Abstract (Swedish)

Visst vore det bra om färre kvinnor dör som följd av komplikationer vid förlossning, eller att ett nytt läkemedel mot depression kommer ut på marknaden? Med mer insikt om ett biologiskt läkemedels fysikaliska stabilitet kan detta bli verklighet. I detta mastersarbete har det biologiska läkemedlet carbetocin studerats med avseende på just detta.
Vanliga läkemedel som vi är vana vid att ta i tablettform består oftast av små molekyler. Det finns dock vissa sjukdomar och tillstånd som inte kan behandlas med dessa små oftast kemiskt framställda molekyler, då finns det (kanske) biologiska läkemedel att tillgå. Biologiska läkemedel är läkemedel av biologisk härkomst, ett exempel på detta är peptidbaserade läkemedel. En peptid är biologisk molekyl som består av aminosyror, en kemisk enhet som bygger upp alla proteiner. En peptid består av färre aminosyror och saknar den 3D-struktur som proteiner har, men i grunden är de lika. Carbetocin är en peptid som används för att behandla onormal mängd blödning efter förlossning. Carbetocin är en modifierad variant av hormonet oxytocin vilket bland annat ”orsakar” sammandragningar av livmodern vid förlossning. Carbetocin är den peptid som har studerats i detta projekt.
På grund av att carbetocin och andra peptider har ett biologiskt ursprung fungerar de på ett annorlunda sätt än traditionella läkemedel. Ett problem är hantering och förvaring, att de måste hålla sig stabila innan de ges till en patient. Med stabilitet menas här att läkemedlet behåller sin terapeutiska effekt och inte blir skadlig för patienten. Ett stabilitetsproblem som ofta dyker upp för peptider (och proteiner) är aggregering. Aggregering är när partiklar (eller molekyler i det här fallet) interagerar och bildar en större partikel (eller ett aggregat av molekyler). Fokusen för detta arbete var att studera och försöka förstå hur carbetocin aggregerar.
För att studera detta fenomen, användes NMR spektroskopi vilket är en teknik som bygger på samma grundprinciper som en MR-kamera. Med denna teknik kan egenskaper kring enstaka atomer i en molekyl analyseras. Genom att studera carbetocin tillsammans med olika tillsatser, fick vi fram att aggregeringen är väldigt koncentrations- och temperaturberoende och vilka delar i peptiden som spelar en stor roll i aggregeringen och därav vilka mekanismer som sannolikt ligger bakom aggregeringen. Det kan vara så att det krävs en viss minimi-koncentration av carbetocin för att aggregering ska uppstå, under vilken aggregeringen är knappt märkbar och att så kallade tensider har en stor påverkan på aggregeringsbeteendet.
Med detta bidrag till en djupare förståelse av carbetocins stabilitet, kan förhoppningsvis läkemedel med nya tillsatser forskas fram som gör läkemedlet bättre och mer tillgängligt för kvinnor som behöver det. Denna förståelse kan i förlängningen också leda till nya läkemedelstillsatser som gör det möjligt att ha en högre peptidkoncentration. En applikation av detta är att använda carbetocin som ett depressionsdämpande läkemedel vilket det enligt forskning finns en möjlighet till men att det då krävs en högre koncentration av peptiden jämfört med när man behandlar förlossningsproblem. Generellt, ger en djupare förståelse för läkemedlets aktiva ingrediens (peptiden i detta fall) större möjligheter att utveckla ett bättre och mer effektivt läkemedel.

• author: Terne, Frida
• supervisor: Ola Wendt
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
• course: KLGM15 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Pharmaceutical Technology, läkemedelsteknologi
• language: English
• id: 8951211
• date added to LUP: 2018-06-20 14:23:11
• date last changed: 2018-06-21 11:11:44