浅析利用糖苷化衍生法合成鬼臼毒素类抗肿瘤药物.pdf

在肿瘤化疗治疗的过程中，发现导致疗效反复甚至失败的重要原因是肿瘤多药耐药性（MDR）问题越来越严重。寻找高效低毒、对多药耐药肿瘤有效的合成类抗肿瘤药物始终是当前抗肿瘤药物研究领域的热点。鬼臼毒素（Podophyllotoxin）是天然木质素中的代表性化合物，源于鬼臼属植物的根茎，具有显著的抗肿瘤活性，但由于其毒性太大，限制了其作为抗肿瘤药物的应用。经由合成以及系统活性测试，将鬼臼毒素进行糖苷化衍生后提高了所需的抗肿瘤活性，而且毒副作用也大大降低。在使用鬼臼毒素糖苷成功开发成临床药物的启发下，对木质素糖苷的研究迅速增多，糖苷化衍生合成思路受到广泛关注。本文主要借助前人对糖苷化的研究报告，浅析鬼臼素类衍生物合成路线及材料方面操作思路，旨在更好地将鬼臼毒素类抗肿瘤药有效地应用到医学临床中，提升医疗临床治疗效果与价值。关键词：抗肿瘤活性；糖苷化；鬼臼毒素衍生物；结构修饰中图分类号：O626 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）04-0025-07Analysis on the Synthesis of Podophyllotoxin Derivative by Glycosylation MethodsXiFang（ZhengzhouHealthVocationalCollege，ZhengzhouHenan450199，China）Abstract：Theaimofthisstudywastodevelopanewsyntheticmethodforthesynthesisofpodophyllotoxinderivativeandtoinvestigatetheantitumoractivityofthesynthesizedcompound.Podophyllotoxinisarepresentativecompoundinnaturallignin，whichoriginatesfromtherootsofDysosmaplantsandhassignificantanti-tumoractivity.Throughsystemactivitytest，glycosylationderivationofPodophyllotoxinnotonlyimprovetheanti-tumoractivity，butalsogreatlyreducethesideeffects.Thesynthesisofglycosidicderivativeshasattractedextensiveattention.Thispapermainlyanalyzesthesyntheticroutesandmaterialoperationideasofpodophyllotoxinderivativeswiththehelpofpreviousresearchreportsonglycosylation，aimingtobetterapplyPodophyllotoxinanti-tumordrugstoclinicalmedicineandimprovetheclinicaltherapeuticeffectandvalueofmedicine.Keywords：anti-tumoractivity；glycosylation；podophyllotoxinderivatives；structuralmodification作者简介：席芳（1982），女，助理讲师，硕士研究生，研究方向为天然产物的药理活性研究。0 引言糖类结构的复杂性使得糖的研究较其他生物大分子而言发展迟缓。文献记载中有关糖的研究最早是在1855 年，法国生理学家 ClaudeBernard 鉴定了从肝脏中分离得到的糖原类物质，证明它是葡萄糖的一种储存形式。此后的几十年间，受新的技术方法推动，如高效液相色谱（HPLC）、毛细管电泳（CE）、质谱和多维核磁技术等广泛用于糖类化合物的分离，对天然糖类化合物的研究取得了极大的突破。目前的研究表明，糖类化合物参与所有真核生物的各个生命过程。作为重要的生物信息分子和高密度的信息载体，细胞表面糖缀合物中的寡糖在生物生命基础活动中扮演着关键的角色，控制着细胞分化、免疫识别、炎症反应、信息传递、病毒复制、癌变等过262023 年第 4 期（总第 168 期）程，使得糖类化合物成为医药领域备受关注的研究对象，在抗炎、抗病毒、抗糖尿病、抗癌等方面均有很好的发展空间。所以药物学家开始探讨以糖为基础药物的途径，深入研究糖类化合物的结构或将现有的活性较好而毒性较大的天然糖化合物进行修饰改造，这为现有的活性天然产物提供了更大的应用前景，为新药研发之路不断开辟新的方向。1 糖类药物的研究概述1992 年，Nicolaou 小组和 Danishefsky 小组分别合成了抗肿瘤化合物-endiyne类化合 Calicheamicin1；1999 年 Nicolaou 小组完成了当时最新一代抗生素-万古霉素（Vancomycin）2和 Everninomicin13，384-13的合成（Everninomicin13,384-1 能杀灭对万古霉素已产生耐药性的菌株）。结构式见图 2。随着新技术的发展，糖类化合物的研究成果不断涌现，极大地推动了新药研发。目前已经上市的糖类药物分子已经超过 500 个，包含有各种抗生素、核苷、多糖和糖脂等。最早进入临床的糖类药物是抗凝剂肝素，从1937 年使用至今，一直是主要的抗凝药物。但是肝素五糖（Fondaparinux）的结构被确定是在 2002 年的。寡糖图 1 几种糖类药物图 2 几种复杂糖类药物O-O-O-O3SHN-O3SHN-O3SO-O3SO-O3SO-O3SOOSO3-O3SHN272023 年 8 月浅析利用糖苷化衍生法合成鬼臼毒素类抗肿瘤药物类糖药物还有糖尿病用药拜糖平（Acarbose），1996 年在美国上市，连续四年在中国 OAD 市场销售排名第一。在 2006 年，强大的免疫佐剂 QS-21A 首次被全合成，它的活性能够使得被引入体内抗原的免疫能力提高数倍甚至数十倍4，结构式见图 2。图 3 几种简单的糖类药物目前糖类药物的研究开发越来越多样。对目标分子结构进行糖基化修饰，可以得到更具药理活性的产物应用于临床。其中具有代表性的药物有红霉素（ErythromycinA），是大环内酯（Macrolide）抗生素，源于红霉素链霉菌（Streptomyceserythreus）次生代谢物。蒽环类抗生素阿霉素（Adriamycin）因强大的抗癌活性被广泛用于癌症治疗，包括急性白血病、恶性淋巴瘤、肝癌等。天然来源的糖类药物越来越多地被发现。较早用于临床抗心律不齐、抗心力衰竭、抑制中枢神经的人参皂苷 Re，来自五加科植物人参（PanaxginsengC.A.Mey），还有广泛存在于植物中、到目前为止已经从十七个科的植物根、茎、叶、种子及果实中分离得到的木质素类化合物，生物活性测试显示其具有非常好的药用活性，主要包括抗肿瘤、抗感染、免疫抑制、心脑血管保护、抗氧化及抗病毒等，其中具有代表性的化合物是鬼臼毒素。结构式见图 3。当然，还有更多天然产物因同时具有生物活性和药理毒性，需要经由化学结构改造才能纳入临床应用中。这就需要进一步利用和发展更多化学以及生物的合成方法。2鬼臼毒素类抗肿瘤药与糖苷化方法的相关简介2.1 鬼臼毒素类抗肿瘤药的发展现状鬼臼毒素（Podophyllotoxin），结构式见图 4，作为一种具有多种生物活性的天然产物，属于木脂素类化合物中的环木脂内酯，主要存在于小檗科鬼臼属植物的根茎中。早期临床试验发现，鬼臼毒素对肿瘤的抑制作用非常高效，可以通过阻止 M 期微管束的形成来抑制肿瘤的生长，但遗憾的是毒副作用太大，限制了其临床应用。于是研究者对鬼臼毒素进行了分子基本骨架的修饰和改变，以期得到毒副作用小、保留抗肿瘤活性的鬼臼毒素衍生物。图 4 鬼臼毒素结构式1966 年 瑞 士 Sandoz 制 药 公 司 合 成 了 依 托 泊 苷（Etoposide）和替尼泊苷（Teniposide），并证明是高活性的抗肿瘤药物5，6，依托泊苷并于 1983 年通过美国FDA 审批，成为临床使用较多的抗肿瘤药之一。然而在临床应用中发现它们依然存在水溶性差、易导致严重的胃肠道功能紊乱以及对耐药癌细胞不敏感等缺陷。因此寻找高效低毒、临床疗效显著的新型鬼臼毒素衍生物成为研究热点。抗肿瘤活性更强的 NK-611 的发现，就是针对依托泊苷开展的系统构效关系的研究。经由合成以及系统活性测试，鬼臼毒素衍生物（结构式见图 5），TOP-53、GL-331、NK-611 等相继进入临床研究，对耐药瘤株均表现出较好的活性。鬼臼毒素进行糖苷化衍282023 年第 4 期（总第 168 期）生后提高了所需的抗肿瘤活性，而且毒副作用也大大降低，因此已经作为 DNA 拓扑异构酶 II 的抑制剂被广泛应用于肿瘤的临床治疗，特别是对小细胞肺癌的治疗特别有效。目前科研工作者仍在探究合成更安全、选择性更好的鬼臼毒素类衍生物，筛选既能保持化合物活性又具有良好生物利用度的目标化合物。图 5鬼臼毒素类抗肿瘤药物2.2 糖苷化方法概述寡糖的合成策略主要有固相合成，酶促合成和化学合成。酶催化反应虽然具有高效快速、反应条件温和、立体专一等优点，是糖合成的理想手段，但所需的酶比较昂贵，而且新型酶的分离纯化困难，因此其实际应用受限。所以化学合成还是不可取代的合成方法，其中糖苷化反应是最基本的反应。传统的糖苷化反应是将一个糖的异头位衍生得到糖苷化给体与具有裸露羟基的底物称为受体，与经过糖苷化反应形成缩醛键连接起来，形成一个新的糖苷键7，结构式见图 6。糖苷化反应受到诸多因素的影响。由于糖分子结构的复杂性，在寡糖的合成中，没有统一的办法，常常需要多步不同性质的保护基操作，根据合成路线需要综合应用不同的糖苷化方法。因此，糖的合成可以简单归纳为糖苷化和保护基操作。各种不同的糖苷化方法各有所长，相互补充。下面仅就几种常见的糖苷化方法做简要介绍。2.2.1 Koenigs-Knorr 法Koenigs-Knorr 方法8（结构式见图 7）是最早建立的形成糖苷键的方法，作为经典方法沿用至今，其特点是用溴苷或氯苷作为糖基给体，在汞盐或银盐为促进剂的活化下，和受体进行糖苷化反应。它制备简便、成熟，但是由于其稳定性差，立体选择性不佳，促进剂不符合当下环保要求等原因，已经逐渐被别的方法取代。2.2.2 Schmidt 给体法Schmidt 给体糖苷化方法9（三氯乙酰亚胺酯法），见图 8。其特点是制备方便，产量高，立体选择性好，反应条件稳定且较为温和，在近几十年中被视为糖合成的首选方法，广泛应用于各种类型的糖苷化反应中。但是三氯乙酰亚胺酯给体也存在一些弱点，如果生成的给体太活泼，会导致产物分解。2001 年，上海有机所在此基础上发展出了 N-苯基三氟亚胺酯给体10，是对此方法很好的补充。在制备时采用无机碱 K2CO3，反应结束后过滤将碱除去，就能直接用于糖苷化反应中，特别适合某些特别活泼而无法分离纯化的给体。图 6 糖苷化反应示意图图 7Koenigs-Knorr 糖苷化方法图 8Schmidt给体糖苷化方法HORO292023 年 8 月浅析利用糖苷化衍生法合成鬼臼毒素类抗肿瘤药物图 9 硫苷的制备，转化及其糖苷化方法2.2.3 硫苷给体糖苷化法硫 苷（Thioglycosides）糖 苷 化 方 法 是 1973 年Ferrier 小组发展形成的糖苷化方法10（结构式见图9），此后这种方法迅速发展，至今已经趋于成熟，其最大的优点是硫苷给体在不同化学条件下都比较稳定，可进行多种保护基操作，而且可以通过改变糖环上不同取代基或者适当选择催化剂来区别反应性，进行定向糖苷化，因此特别适合于现代“Armed-disarmed”策略。该方法的缺点是反应条件比较剧烈，不利于控制糖苷键的构型，而且制备硫苷给体时需使用有恶臭的硫试剂。2.2.4 糖烯给体糖苷化法糖烯在糖化学的发展中占有极其重要的位置，已经成为糖化学研究中的重要中间体。由糖烯出发能够获得多种不同类型的氮代，氟代，碘代，脱氧糖或 2位羟基裸露的糖基底物并在此基础上衍生出各种各样的糖化合物11（结构式见图 10）。该方法的优点是糖烯作为受体参与反应，生成的寡糖可作为给体进行下一步的糖苷化反应，简化了保护基操作。但受到促进剂用量和底物普适性的限制，影响了此方法在寡糖合成中的进一步应用。2.2.5 邻炔基苯甲酸酯给体糖苷化法该方法是 2008 年上海有机所发展的一种以邻炔基苯甲酸酯为给体、Au（I）为促进剂的高效糖苷化方法12（结构式见图 11）。该方法的优点是实用性广，反应条件中性温和，给体制备简单稳定，产率高等，尤其适用于复杂聚糖和糖缀合物的合成。2.2.6 糖基邻炔基酚醚（MPEP）给体糖苷化法2017 年孙建松课题组发展了一种新型的糖基邻炔基酚醚（MPEP）给体13。这种以邻-（对甲氧基苯乙炔基）苯基为离去基的新型糖苷化方法，可应用于 O-糖苷键高效构建，优点是副反应较少，催化体系廉价图 10糖烯给体的转化及糖苷化应用图 11邻炔基苯甲酸酯糖302023 年第 4 期（总第 168 期）易得，产物收率高（包括对活性较低的、对酸敏感的、空间位阻较大的、对亲电试剂敏感的受体）。同时该方法也适用于 Latent-ActiveGlycosylationstrategy 策略。2.3 鬼臼毒素类衍生物的合成简介2.3.1 鬼臼毒素糖苷化的概述糖苷化反应的关键就是糖苷键的立体选择性和收率。相关研究表明，鬼臼毒素及其衍生物的母核 A-B-C-D 环形成一个有张力的刚性骨架14，是嵌入 DNA分子的基本活性结构，鬼臼毒素衍生物的 C 环与 D 环反式稠合。与鬼臼毒素相比，鬼臼毒素衍生物的生物活性具有明显的立体化学特异性，主要表现为 C 环C-4 位取代基必须为-构型，若为-构型则活性显著降低；存在一个 4-酚羟基，若酚羟基被烷基、酰基取代，则活性显著下降15。另外，鬼臼毒素衍生物由于结构的不同存在两种不同的作用机理。4-位为甲氧基的鬼臼毒素衍生物主要作用于微管而抑制细胞的有丝分裂，使其停止于M 期，即阻止微管蛋白形成微管15；4-位为羟基的鬼臼毒素衍生物则是通过 DNA 拓扑异构酶而起作用，阻止 DNA 合成和复制，使细胞周期终止于 G 期（DNA 合成前期）16。王彦广等17在研究中发现结构5、6、8 等化合物 C-4 位 N-取代优于 O-、S-取代类似物，4-O-去甲基鬼臼毒素衍生物的抗癌活性大于相应的 4-甲氧基类似物，这也充分说明 4-酚羟基在抗癌活性中起到重要作用。对鬼臼毒素的结构改造主要针对目前研究中鬼臼毒素衍生物存在的几个问题：第一，抗瘤谱较窄，活性不够高；第二，水溶性较差，生物利用度低，给药途径受限；第三，耐药性；第四，结构中的 D 环代谢易失活。从改造位置上看，对 C4-位取代修饰最多。目前对鬼臼毒素的 4 位进行氨基化的修饰已经进行了广泛的研究18，主要采用的方法是对鬼臼毒素的4 位进行溴代或者典代之后，和胺类亲核试剂进行反应，但反应的效率以及立体选择性都不是很好。在鬼臼毒素糖苷的合成中，难点在于鬼臼毒素 C环 4-OH 的糖苷化。“正糖苷化”方法对于鬼臼毒素类糖苷键的构建是最为直接和高效的方法19。该方法中糖苷键的立体构型是由糖基给体 2-酰基通过邻基参与来控制的，而作为受体的鬼臼毒素 4-OH 的构型由于反应过程中所采用的反应条件比较温和（乙腈作为溶剂）而得到保持。“反糖苷化”策略，即糖的异头位羟基作为受体而鬼臼毒素 4-OH 作为糖苷化反应给体。作为受体的糖的异头位 OH 进攻 Lewis 酸作用下产生的鬼臼毒素 4-碳正中间体时，由于受到鬼臼毒素 1-苯基的影响而从空间位阻更小的 面进攻，从而可得到表鬼臼毒素糖苷（Etoposide 类）20。难点在于作为糖苷化受体即糖的异头位 羟基的构建和保持。2.3.2 糖苷化尝试使用新型的邻炔基苯甲酸酯给体糖苷化法，以邻炔基苯甲酸甲酯为给体，Ph3PAuNTf2/Ph3PAuOTf 为促进剂，Au（I）为促进剂来活化炔酯给体。首先进行催化剂和木质素类化合物中间体的制备，完成底物的积累后，将木脂素类衍生物制备成供体，将有羟基裸露的糖作为受体，使用亲核试剂与鬼臼毒素衍生物给体进行糖苷化尝试。因为鬼臼毒素类衍生物整个分子的立体结构中庞大的 E 环处于 面，造成 面的空间位阻很大，所以亲核试剂更倾向于从位阻小 面进攻，即与 C-1位的 E 环成反式进攻，生成 C-4 构型的产物21。亲核试剂有醇类、酚类、胺类、烯基硅醚类。以上这些糖苷化尝试，提供了一种可以高效合成具有很好生物活性的鬼臼毒素类衍生物的方法（结构式见图 12）。同时由于具有较高的化学收率和较好的立体选择性，该尝试为碳苷修饰的表鬼臼素衍生物的合成提供了很好的思路。图 12 糖苷化方法的确立2.3.3 探究合成意义随着科技水平的不断提高，人们对生命健康的要求也越来越高。癌症的治疗虽然取得了跨越式的进步，但化学药物治疗仍然是癌症治疗中的主要方案，因此筛选前体药物，研发高效广谱低毒的抗肿瘤药始终是一个世界范围内的重要课题。天然化合物鬼臼毒素因其强大的抗癌活性而进入研究视线，受鬼臼毒素糖苷AU(I)312023 年 8 月浅析利用糖苷化衍生法合成鬼臼毒素类抗肿瘤药物成功开发成临床药物的启发，基于传统的衍生化方法，许多有药物应用前景的化合物如 NPF、NK-611 等已被发现，也促使研究者进一步研究衍生化物质寻找更理想的替代品。本文主要借助前人对糖苷化的研究报告，概括探究了合成鬼臼毒素衍生物的关键技术，用催化量的促进剂来活化鬼臼毒素类供体，进而合成具有良好生物活性的新型化合物，为进一步研究鬼臼毒素类衍生物类抗肿瘤药物提供了有效的途径，因此现实意义较大。3 结语糖类物质作为新药开发的重要来源已经纳入医药化工各专业的前沿研究领域。鬼臼毒素是具有强大抗肿瘤活性的天然化合物，人们须不断深入了解其作用，努力探索降低其毒性、减少其副作用、解决临床中耐药性问题。在研究新型抗肿瘤药物的过程中，医药中间体的研究是其核心与关键，重视鬼臼毒素类衍生物糖苷化的研究，有利于研发出更多同类化合物，继续拓宽鬼臼毒素类抗肿瘤药的临床应用前景。发展新型糖苷化方法，选用更适用的催化体系，有利于降低成本，早日实现更高效的合成途径和方式，为合理开发和利用天然化合物提供更多技术支持。参 考 文 献1 a）Nicolaou，K.C.；Hummel，C.W.；Pitsinos，E.N.；Nakada，M.；Smith，A.L.；Shibayama，K.；Saimoto，H.J.Am.Chem.Soc.1992，114，10082；b）Nicolaou，K.C.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1993，32，1377；c）Hitchcock，S.A.；Chu-Moyer，M.Y.；Boyer，S.H.；Olson，S.H.；Danishefsky，S.J.J.Am.Chem.Soc.1995，117，5150.2 Nicolaou，K.C.；Mitchell，H.J.；Jain，N.F.；Winssinger，N.；Hughes，R.；Bando，T.Angew.Chem.Int.Ed.1999，38，240.3 Nicolaou，K.C.；Mitchell，H.J.；Suzuki，H.；Rodrguez，R.M.；Baudoin，O.；Fylaktakidou，K.C.Angew.Chem.Int.Ed.1999，38，3334.4 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