Applications of X-Ray Structural Analysis and Quantum Crystallography Methods in Studies of Crystals of Substances with Potential Pharmaceutical Importance

W badaniach farmaceutycznych analiza struktury aktywnych składników farmaceutycznych (API), i ich wzajemnego oddziaływania, ma kluczowe znaczenie ze względu na możliwość zwiększenia pozytywnych efektów działania leków, jak również zmniejszenia ryzyka związanego z możliwością pojawienia się skutków ubocznych. Badania strukturalne mają szerokie zastosowanie w badaniach farmaceutycznych, gdyż umożliwiają odkrywanie nowych form polimorficznych znanych związków lub analizę oddziaływań elektrostatycznych lub międzycząsteczkowych. Pozwala to na zrozumienie związku pomiędzy aktywnością biologiczną oraz powinowactwem ligandów do makromolekuł. Badania te mogą prowadzić do zaprojektowania nowych związków o bardziej pożądanych właściwościach biologicznych. Kryształy tych związków często słabo rozpraszają promieniowanie rentgenowskie. Przekłada się to na niską jakość danych dyfrakcyjnych oraz słabą jakość finalnej informacji strukturalnej i elektronowej i ogranicza badania strukturalne związków farmaceutycznych. Krystalografia kwantowa (ang. Quantum Crystallography) pozwala na bardziej wnikliwą analizę struktur i gęstości elektronowej kryształów oraz analizę oddziaływań elektrostatycznych. Wynika to z zastosowania bardziej zaawansowanych, asferycznych, modeli atomowych gęstości elektronowych w porównaniu do sferycznego modelu niezależnych atomów (ang. Independent Atom Model, IAM). Moja praca doktorska poświęcona jest zastosowaniu krystalografii kwantowej w kontekście badań farmaceutycznych. W pierwszej części pracy wykonałam badania metodologiczne dotyczące zastosowania krystalografii kwantowej do udokładnień niskorozdzielczych (d=0,8 Å) danych rentgenowskich uzyskanych przy pomocy promieniowania CuKα. Na podstawie uzyskanych wyników oceniłam, że wszystkie analizowane modele gęstości elektronowej, tj. udokładnienie metodą atomów Hirshfelda (ang. Hirshfeld Atom Refinement, HAR), model przenaszalnych atomów asferycznych (ang. Transferable Aspherical Atom Model, TAAM) i model deformacyjnej gęstości elektronowej zorientowanej na wiązania (ang. Bond-Oriented Deformation Density Model, BODD) mogą zostać zastosowane w udokładnieniu niskorozdzielczych rentgenowskich danych dyfrakcyjnych. Bazując na referencyjnych danych neutronowych oceniłam metody HAR i TAAM jako bardziej precyzyjne w porównaniu do BODD i IAM. Wskazałam efekty systematyczne występujące w udokładnieniach danych niskorozdzielczych metodami krystalografii kwantowej. Efekty te, związane są z niewystarczającym zakresem informacji dostępnym w danych niskorozdzielczych. Błędy systematyczne w powszechnie stosowanym modelu IAM wynikają z niedoskonałościami zastosowanego modelu i jego sferycznym przybliżeniem atomowej gęstości elektronowej. Druga część mojej pracy doktorskiej jest poświęcona badaniom strukturalnym analogów witamin D i ich produktów pośrednich z zastosowaniem metod krystalografii i krystalografii kwantowej. Zastosowanie modelu TAAM pozwoliło na wydłużenie długości wiązań do atomów wodoru, które są znacząco skrócone w przypadku zastosowania modelu IAM. Wyeliminowanie tego systematycznego efektu pozwoliło na przeprowadzenie obliczeń teoretycznych. Zastosowanie tego modelu pozwoliło mi także na wykonanie rekonstrukcji teoretycznej gęstości elektronowej analogów witamin D. Dodatkowo, przeprowadziłam udokładnienia wysokorozdzielczych danych rentgenowskich pośredniego związku w syntezie witamin D. Na ich postawie wyznaczyłam ilościowy rozkład gęstości elektronowej. Jednym z najważniejszych wyników jest obliczenie energii elektrostatycznej oddziaływań fragmentów analogów witamin D i całych cząsteczek w sieci krystalicznej. Podsumowując, przeprowadzone przeze mnie badania pokazują możliwość zastosowania krystalografii i krystalografii kwantowej do analizy związków o potencjale farmaceutycznym oraz udowadniają metodologiczną poprawność tego podejścia. Badania przedstawione w pracy doktorskiej stanowią treść pięciu oryginalnych publikacji naukowych, w których jestem pierwszym autorem.

In pharmaceutical studies, analysis of the structures of active pharmaceutical ingredients (APIs) and their interactions help to increase the benefits as well as reduce the risks of side-effects of studied APIs. Structural studies have wide applications in the pharmaceutical field as they enable the discovery of the new polymorphs of known compounds and analysis of intermolecular electrostatic interactions. This allows one to study the relationship between the biological activity and molecular recognition of ligands by receptors. This may also lead to the design of new compounds with the desired biological properties. However, many structural studies of pharmaceutical compounds are limited due to the poor quality of their crystals which weakly scatter X-rays. Quantum crystallography allows for a more insightful analysis of structures from crystals and analysis of electrostatic interactions. This results from the use of more advanced aspherical models of electron density in the refinement of structures as compared to the commonly used spherical Independent Atom Model (IAM). Furthermore, the final results of IAM refinements are affected by significant systematic errors. My doctoral thesis is dedicated to the application of quantum crystallography methods to pharmaceutical studies. In the first part of my thesis, I performed methodological studies of quantum crystallography approaches in the context of their use in the refinements against low-resolution (d=0.8 Å) CuKα X-ray diffraction data and I demonstrated the methodological correctness of this approach. Based on the these results, I assessed all the analyzed models that were used, i.e. Hirshfeld Atom Refinement (HAR), Transferable Aspherical Atom Model (TAAM), and Bond-Oriented Deformation Density (BODD) model for their suitability for refinements against low-resolution X-ray diffraction data. More precise and accurate final structures were obtained with the HAR and TAAM models in comparison to BODD and IAM. I used the neutron diffraction data as reference. Moreover, I pointed out systematic errors which occur in the refinements against low-resolution data using quantum crystallography methods. Significantly, these errors are related to the insufficient amount of information in the low-resolution data region, whereas systematic errors in the more commonly used IAM are mostly related to the imperfections in the applied model and its spherical approximation. In the second part of my thesis, I practically applied crystallography and quantum crystallography methods to study some vitamin D analogues. These analogues are examples of compounds with potential pharmaceutical importance which unfortunately crystallize as low-quality crystals. I performed the refinements using various methods and used the results as a basis for a thorough structural analysis and further theoretical calculations. This approach allowed for the broadening of our general knowledge about vitamin D analogues. The most important results that I obtained include calculations of the electrostatic energy of the interaction of fragments of vitamin D analogues and whole molecules in the crystal lattice. The research that I have carried out demonstrates that the use of crystallography and quantum crystallography to analyze the compounds with pharmaceutical potential gives more accurate and more precise structural results. All the obtained information can be used for drug design. Crystallography is a valuable tool for determining the structure, configuration, and conformation of moieties in the crystal lattice while quantum crystallography provides additional insight into intermolecular interaction energy, topological properties, and the electron density distribution. The scientific results presented in the doctoral dissertation are published in a series of the five original scientific publications, in which I am the first author.