Metody chemometryczne inspirowane naturą do jednoczesnego oznaczania UV spektrofotometrycznego molnupirawiru, nirmatrewiru i fawipirawiru w preparatach farmaceutycznych i próbkach środowiskowych

Dlaczego badanie tabletek na COVID-19 i wody ma znaczenie

Wraz z upowszechnieniem terapii na COVID-19 takich jak molnupirawir, nirmatrewir i fawipirawir pojawiło się nowe wyzwanie: jak szybko, tanio i bezpiecznie sprawdzać, czy te leki są prawidłowo wytwarzane oraz czy pozostałości leków nie zanieczyszczają zasobów wodnych. Tradycyjne techniki laboratoryjne mogą być dokładne, ale często są powolne, kosztowne i generują duże ilości odpadów chemicznych. W tej pracy przedstawiono bardziej zielone i przystępne rozwiązanie do jednoczesnego pomiaru wszystkich trzech leków, wykorzystujące proste pomiary świetlne i inteligentne algorytmy komputerowe zamiast ciężkiego sprzętu.

Trzy leki przeciwwirusowe, jeden narastający problem analityczny

Molnupirawir, nirmatrewir (kluczowy składnik Paxlovid) i fawipirawir zwalczają koronawirusa na różne sposoby i bywają badane razem w kontekście terapii skojarzonych. Mogą też występować jednocześnie jako zanieczyszczenia w ściekach szpitalnych. Laboratoria kontroli jakości muszą badać różne produkty wytwarzane na tych samych liniach, by zapobiegać krzyżowemu zanieczyszczeniu, a naukowcy zajmujący się środowiskiem chcą śledzić, ile tych leków trafia do wód. Do tej pory brakowało jednak prostej metody opartej na ultrafiolecie (UV), która pozwalałaby określić wszystkie trzy substancje jednocześnie w jednym przebiegu. Większość istniejących podejść opierała się na zaawansowanej chromatografii cieczowej i spektrometrii mas, wymagających kosztownego sprzętu, wykwalifikowanego personelu i dużych ilości rozpuszczalników organicznych.

Przekształcanie nakładających się sygnałów świetlnych w jasne odpowiedzi

Spektrofotometria UV, mierząca, ile światła próbka pochłania, jest tania, szybka i powszechnie dostępna. Jednak trzy leki pochłaniają światło UV w bardzo podobnych zakresach, a ich widma znacznie się nakładają. Uniemożliwia to proste „odczytanie” ilości każdego leku z surowego sygnału. Autorzy rozwiązali ten problem, łącząc pomiary UV z chemometrią — danymi napędzaną analizą wzorców. Porównali dwie inspirowane biologicznie strategie poszukiwania w przestrzeni rozwiązań — algorytmy genetyczne, luźno wzorowane na ewolucji, oraz algorytm świetlików, inspirowany ruchem świetlików w kierunku jaśniejszych błysków — w celu wybrania najbardziej informacyjnych długości fal. Starannie dobrane długości fal przetworzono następnie metodą regresji najmniejszych kwadratów częściowych (PLS), która potrafi rozdzielić wkład każdego leku nawet wtedy, gdy ich sygnały są mocno splątane.

Świetliki kontra genetyka: który algorytm zwycięża?

Aby zbudować i przetestować modele, badacze przygotowali dziesiątki mieszanin o znanych ilościach każdego leku, obejmujących realistyczne zakresy stężeń. Wytrenowali modele oparte na algorytmie genetycznym oraz na algorytmie świetlików, a następnie sprawdzili, jak dobrze każdy z nich potrafi przewidywać poziomy leków w nowych, nieznanych mieszaninach. Podejście oparte na świetlikach dało prostsze modele wykorzystujące mniej długości fal, wymagające mniejszej liczby parametrów wewnętrznych i jednocześnie osiągające lepszą dokładność predykcji. Dla wszystkich trzech leków modele świetlikowe wykazały bardzo wysoką korelację między wartościami przewidywanymi a rzeczywistymi (R² powyżej 0,996) oraz niskie błędy predykcji. Wykresy reszt—pokazujące, jak bardzo przewidywania odbiegają od prawdy—były bardziej zwarte i losowo rozproszone dla metody świetlików, co wskazuje na bardziej wiarygodne działanie i mniejszą liczbę ukrytych uprzedzeń.

Prawdziwe tabletki, prawdziwa woda i bardziej zielony ślad

Po dostrojeniu i walidacji metody opartej na świetlikach zgodnie z międzynarodowymi wytycznymi zespół zastosował ją do próbek zrealnego świata. Przebadano produkty komercyjne zawierające każdy z trzech antywirusów i stwierdzono, że wyniki zgadzają się z opublikowaną metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej zarówno pod względem trafności, jak i precyzji. Dodatkowo zaszczepiono wodę kranową znanymi ilościami leków i odzysk wynosił w przybliżeniu od 95% do 104% dodanej ilości, co pokazuje, że podejście działa w warunkach środowiskowych po prostym etapie ekstrakcji. Aby ocenić wpływ na środowisko, autorzy zastosowali kilka systemów oceny „zieloności”, które uwzględniają użycie rozpuszczalników, zapotrzebowanie energetyczne, generowane odpady, praktyczność i ogólną zrównoważoność. W różnych niezależnych metrykach metoda uzyskała oceny od „dobrej” do „doskonałej”, głównie dlatego, że unika ciągłego stosowania rozpuszczalników organicznych i korzysta ze sprzętu o niskim zużyciu energii, powszechnie dostępnego.

Co to oznacza dla laboratoriów i środowiska

Ta praca pokazuje, że podstawowy spektrofotometr UV, w połączeniu ze starannie dobranymi długościami fal i przetwarzaniem danych inspirowanym naturą, może konkurować z bardziej złożonymi urządzeniami w monitorowaniu ważnych leków przeciw COVID-19 zarówno w lekach, jak i w wodzie. Podejście oparte na świetlikach zapewnia precyzyjne pomiary, obniża koszty i ogranicza odpady chemiczne, co czyni je atrakcyjnym do rutynowej kontroli jakości oraz w warunkach o ograniczonych zasobach, gdzie zaawansowana chromatografia i spektrometria mas są poza zasięgiem. Mówiąc prościej, badanie pokazuje, że dzięki inteligentnym algorytmom proste pomiary świetlne mogą pomóc upewnić się, że tabletki przeciwwirusowe są prawidłowo wytwarzane, a ich pozostałości nie gromadzą się po cichu w naszym środowisku.

Cytowanie: Abdelzaher, A.M., Al kamaly, O. & Rahman, M.A.A. Bio-inspired chemometric methods for simultaneous UV spectrophotometric determination of molnupiravir, nirmatrelvir, and favipiravir in pharmaceutical formulations and environmental samples. Sci Rep 16, 12590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49288-3

Słowa kluczowe: antywirusowe COVID-19, spektrofotometria UV, analiza chemometryczna, zielona chemia analityczna, monitoring środowiska