Peran Termodinamika dalam Perkembangan Biofarmasetika

Biofarmasetika adalah disiplin ilmu yang mempelajari hubungan antara sifat fisikokimia-formulasi obat terhadap bioavailabilitas obat dan sistem penghantaran obat dalam tubuh manusia baik pada kondisi normal maupun pada kondisi patologis. Contoh produk hasil biofarmasetika diantaranya adalah obat dan vaksin.

Obat-obat yg sudah diterima secara resmi kebanyakan berupa senyawa aromatik heterosiklik. Kemudian terdapat senyawa non obat yang masuk, yakni dari golongan protein, enzyim, peptide yang mulai meningkat. Covid, penggunaan antibodi monoklonal.

Pemasaran obat golongan peptida diperkirakan akan meningkat dari 36,76 miliar US dolar pada tahun 2020 menjadi sekitar 66,18 miliar US dolar pada tahun 2030. Saat ini, terdapat lebih dari 230 obat peptida dan protein yang disetujui oleh Badan Pengawas Obat dan Makanan Amerika Serikat (FDA) di pasaran, dan lebih dari 500 peptida terapeutik dalam pengembangan praklinis.

30 tahun yang lalu, banyak yang tidak percaya bahwa golongan peptida dapat menjadi obat, dengan beberapa alasan berikut, diantaranya:

• Stabilitas protein

Contoh , pada kasus vaksin yang tidak dapat bertahan lama, vaksin membutuhkan waktu yang lama untuk didistribusikan kepada masyarakat. Namun vaksin tersebut tidak mampu bertahan lama sehingga rusak sebelum sampai ke tangan masyarakat. Ini adalah isu yg sangat penting karena stabilitas protein agak lemah dan berpengaruh terhadap keefektifitasnya, sehingga menjadikan hal ini adalah hal yang sangat serius.

Protein dikatakan stabil apabila berhasil memperahankan strukturnya. Apabila tak bisa dinamakan terdenaturasi. Berbicara stabilitas protein, maka juga berbicara stabilitas fisika, yaitu termodinamika. Stabilitas kimia berkaitan dengan kemampuan suatu protein untuk mengalami pemecahan secara kimia, misal pemutusan suatu ikatan peptida, oksidasi met pada suhu tinggi, eliminasi ikatan disulfida, hidrolisis ikatan peptida residu Asp pada ph rendah, deaminasi residu asparagin dan atau glutamin.

Sedangkan pada kestabilan fisika, struktur kimia masih sama, namun struktur 3 dimensinya berubah dari folded menjadi unfolded, dan tidak melibatkan pemecahan struktur kimia. Ketidakstabilan thermal dapat memicu ketidakstabilan kimia

• Delta G, atau perubahan pada energi bebas gibbs.

Delta G yang negatif menandakan bahwa energi bebas menurun sehingga reaksi berlangsung secara spontan. Delta H, adalah proses spesifik yang merefleksikan pembentukan dan pemecahan berbagai ikatan termasuk interaksi nonkovalen seperti ikatan pada garam, ikatan hidrogen, dan gaya van der waals. Delta H menunjukkan adanya perubahan entalpi. Adanya ikatan atau interaksi memberikan delta H yang negatif (menguntungkan). Sedangkan Delta s menandakan adanya perubahan entropi, dimana peningkatan gangguan memberikan delta s yang positif

Dengan mengetahui perubahan energi, perubahan temperatur, juga dapat mengetahui perubahan apa yang terjadi, reaksi apa yang sedang terjadi. Energi protein akan menurun apabila protein mengalami perubahan struktur, dari unfolded ke folded. Molten globule: protein dapat menjadi unfolded dan folded. Rata-rata protein dalam tubuh manusia dalam kondisi aktif. Namun protein sensitif terhadap perubahan suhu.

• Lipat protein

Proses dimana rantai polipeptida beralih dari rantai linear asam amino dalam larutan ke struktur asli yang terlipat. Protein terlipat secara spontan dalam kondisi fisiologis. Dalam keseimbangan antara keadaan terdenaturasi (tidak terlipat atau tidak terlipat sebagian) dan keadaan asli terlipat dapat berfungsi secara biologis. Dalam kondisi fisiologis sebagian besar molekul berada dalam keadaan asli.

• Denaturasi protein

Protein dapat terdenaturasi atau terlipat karena agen kimia, berupa urea dan suhu. Setiap protein memiliki melting temperature, dimana pada suhu tertentu protein mulai kehilangan struktur dan kurva melting yang unik pada lingkungannya. Protein dapat dibuka atau didenaturasi oleh ph dan elektrostatis. Dalam pH, proton berpartisipasi dalam proses pembukaan karena Pk dari beberapa kelompok berbeda pada spesies asli dan tidak dilipat.

Pada pH rendah, residu His, Arg, dan Lys dapat terprotonasi, dan hal ini dapat mempengaruhi stabilitas fisik protein. Pada pH tinggi, residu Asp dan Glu dapat terdeprotonasi, hal ini juga dapat mempengaruhi stabilitas fisik protein.

Sedangkan elektrostatis adalah tolakan muatan positif yang mendorong proses pembukaan. Efek ini tergantung pada urutan primer.

Pelarut organik, juga dapat merusak protein, contoh: hand sanitizer menggunakan pelarut yang lebih rendah dari air. Menyebabkan struktur protein terbuka sehingga virus dan bakteri mati.

Protein apabila dikocok menyebabkan strukturnya hilang, dapat juga terdenaturasi sendiri. Protein diletakkan di air, dan dibiarkan dapat terdenaturasi, tepatnya protein yang terletak pada permukaan yang langsung bersentuhan dengan udara. Protein dalam tabung reaksi plastik, dapat terdenaturasi saat protein bersenttuhan langsung dengan plastik

Beberapa metode yang dapat digunakan untuk mengetahui stabilitas protein

• Evaluasi melting temperature

Protein yang strukturnya tidak rusak akan berjalan cepat dalam gel. Saat konsentrasi urea naik, protein berjalan tersendat-sendat. Hal ini berarti ketika konsentrasi urea dinaikkan, protein kesulitan berjalan lancar dalam gel. Puncak protein terpisah-pisah, tidak bertindih saat protein rusak

• Mengukur angka kestabilan protein, kapasitas panas

Semakin tinggi cp, protein semakin stabil pada suhu tinggi, cp juga dapat digunakan untuk mengetahui kapan protein tersebut mencapai titik leleh. Pada ph 2, protein secara termal tidak stabil karena cp rendah, dan suhu juga rendah. Saat ph 2.5 protein lebih stabil, ph 4,5 ketabilan protein juga lebih tinggi.

Adanya dmso untuk meningkatkan kelarutan misal interaksi obat dengan reseptor. Ada pengaruh dari pelarut organik terhadap kestabilan protein. Dsc juga digunakan untuk menganalisis stabilitas suhu vaksin mrna. Jauh lebih sulit merusak mrna yang telah dimasukkan ke dalam nanopartikel.

• Mengevaluasi efek permukaan jarum suntik terhadap kestabilan protein

Meletakkan protein langsung ke dalam jarum suntik. Dalam jarum suntik terdapat endapan, karena adanya silikon yang menyebabkan berubahnya kestabilan protein

Interaksi obat dan reseptor

Penggunaan prinsip termodinamika dalam mempelajari dan menganalisis interaksi obat dan reseptor. Menghitung energi ikatan antar obat dan reseptor, yaitu menggunakan molecular docking. Disebut murah dari segi biaya karena menggunakan komputer. 

Bisa memodifikasi model obat dan reseptor. Pdocking merupakan proses menempelkan ligan ke tempat pengikatan reseptor dengan cara yang sesuai untuk interaksi yang optimal dengan reseptor sedangkan scoring adalah mengevaluasi interaksi ligan dan reseptor dengan cara yang dapat membedakan mode yang diamati secara eksperimental dari yang lain dan memperkirakan afinitas pengikatan. Protein berusaha mendapat molekul dengan delta g negatif sehingga bisa disimpulkan bahwa ada ikatan antar reseptor dan ligan

Prinsip docking terletak pada interaksi ikatan phi, ikatan hidrogen, interaksi dengan molekul air. Obat berinteraksi dengan reseptornya dengan cara yang sangat spesifik dan saling melengkapi. Inti dari desain obat berbasis struktur berbasis target untuk pembuatan dan pengoptimalan timbal, karena timbal adalah senyawa yang menunjukkan aktivitas biologis dan memiliki potensi untuk dimodifikasi secara struktural untuk meningkatkan bioaktivitas, selektivitas, dan daya obat.

Pengaruh docking molekul terhadap produksi obat

• Isothermal Titrasi kalorimter

Yang dihitung adalah muatan elektrostatik, interaksi antar atom yang bermuatan dan tidak bermuatan. Interaksi 2 molekul sebagai hasil gaya elektrostatik termasuk efek hidrofobik yang menyebabkan perubahan panas. Panas dapat dilepaskan atau diserap. Itc memonitor perubahan panas dengan mengukur daya yang berbeda antara referensi dan sel sampel saat terjadi pengikatan. Metode ini cukup populer pada negara yang kurang memiliki sumber keuangan. Banyak secara teori dan hanya beberapa yang dapat berhasil membuktikan. Banyak dari mereka yang tidak membuktikan karena keterbatasan biaya. Tidak boleh hanya berhenti sampai penghitungan termodinamika.

• Isothermogram

Ketika ligan berinteraksi dengan reseptor target, panas akan dihasilkan atau diserap. Saat injeksi berlanjut, reseptor target dalam sel menjadi jenuh dengan ligan. Semakin banyak ligan dan makromolekul yang berinteraksi maka perubahan panas semakin meningkat. Namun pada penambahan ligan selanjutnya tak menimbulkan panas karena makromolekul telah habis berikatan dengan ligan.  Dengan jumlah panas yang sedikit menyebabkan ikatan yang kurang kuat. Pengenceran panas dapat diamati ketika reseptor target benar-benar jenuh dengan ligan.