王者荣“药”:紫杉醇

chem 化学亮点 3.9K+ 0

近日,南科大李闯创团队在顶级综述性期刊Chemical Reviews 上发表了题为“Strategies and Lessons Learned from Total Synthesis of Taxol”的特邀综述性文章。首次系统总结了近三十年来紫杉醇的全合成进展,侧重从合成策略和经验教训方面进行陈述和点评,论文对紫杉醇从发现到成为明星抗癌药的传奇发现和全合成之旅进行了回顾,并展望了未来该领域的研究方向。


王者荣“药”:紫杉醇  第1张

紫杉醇研发历程关键时间节点图

目前,紫杉醇(Taxol)是医药市场上最优秀的天然抗肿瘤药物之一,被认为是近20年内最有效的抗癌药物之一,同时也是全球销量第一的植物抗癌药。紫杉醇在临床上是用于乳腺癌、卵巢癌和部分头颈癌和肺癌的治疗的一线药物,其国际医药市场需求巨大。然而,紫杉醇的传奇发现之旅要从六十年前的一次不起眼的植物采集讲起。

紫杉醇的发现

1960年,美国国立癌症研究所(NCI)与美国农业部(USDA)成立了一个合作项目:由农业部负责向NCI提供植物样本用于抗癌药物的筛选。1962年8月,受雇于农业部的植物学家Barclay从华盛顿州收集了数公斤的短叶红豆杉(Taxus brevifolia)的树皮和枝叶,并将它们寄给了NCI。短叶红豆杉(图1),也称太平洋紫杉(Pacific yew),在自然条件下生长速度缓慢,再生能力差。从小树苗长成大树需要数百年,广泛分布在美洲、欧洲和亚洲,是经过了第四纪冰川遗留下来的活化石植物,在地球上已有250万年的历史,被称为植物中的“大熊猫”。

王者荣“药”:紫杉醇  第2张

图1. 短叶红豆杉

又过了两年,红豆杉样品被送到了北卡罗来纳州三角研究所天然产物实验室的Wall博士及其团队核心成员Wani博士(图2)手中。随后的研究发现,树皮的提取物对人口腔表皮样癌细胞有细胞毒性。然而,直到1966年,他们只能确定该活性化合物含有一些羟基(英文通常用-ol后缀表示羟基)。根据这一特征,加之其来源的植物属(Taxus),他们将该活性分子称为紫杉醇(taxol),但紫杉醇的结构式此时仍是未解之谜。

王者荣“药”:紫杉醇  第3张

图2. Wall博士(左)和Wani博士(右)。图片来源:www.acs.org

同年,Wall和Wani团队在分离和鉴定喜树碱的结构上取得成功,为抗癌药物喜树碱的研发奠定了坚实基础,NCI已经着手准备临床试验,一时间喜树碱的项目“看起来很热”。由于多数团队成员转去其它项目,紫杉醇的分离鉴定研究变得“无人问津”,Wall甚至劝告Wani“忘掉”短叶红豆杉。然而,Wani没有放弃,并坐了长达5年的“冷板凳”,在此期间,不断尝试将紫杉醇衍生化并期望获得单晶,进而鉴定结构。终于,在1971年,Wani成功得到了一个紫杉醇衍生物的单晶,并通过X射线衍射和核磁共振分析,完全确定了紫杉醇的结构

紫杉醇的结构

紫杉醇的结构如图3所示。它具有一个独特的6-8-6-4四环骨架,含有高达11个立体手性中心,且高度氧化。它的三维立体结构看起来就像一个“倒扣起来的碗”。化学家们无不感叹,紫杉醇是一种只有自然界才能调制出的“怪物”。

王者荣“药”:紫杉醇  第4张

图3. 紫杉醇的结构。图片来源:Chem. Rev.

紫杉醇的抗癌机制

紫杉醇的结构一经发表,便引起了全球科学家的关注。但由于紫杉醇的来源稀缺且单一,Wani博士从13千克干树皮样中只能萃取出大约半克纯化过的紫杉醇(仅有0.004%的收率),这使得相关的研发进展较为缓慢。在当时,人们发现紫杉醇主要存在于短叶红豆杉的树皮中,想要提前只得剥取树皮,而剥取树皮会造成树木的死亡和生态环境的破坏。1979年,美国叶史瓦大学的分子药理学家Horwitz博士(图4)在Nature 上撰文,首次阐明了紫杉醇的独特抗癌机理。Horwitz博士发现该化合物是一种抗有丝分裂剂。在细胞有丝分裂时会形成大量微管构造物作为子细胞的骨架,在染色体分布至两子细胞后这些微管便分解,完成细胞分裂。紫杉醇能促进微管蛋白聚合,抑制微管蛋白的解聚(图5)。

王者荣“药”:紫杉醇  第5张

图4. Horwitz博士与紫杉醇。图片来源:PNAS

王者荣“药”:紫杉醇  第6张

图5. 紫杉醇促进微管蛋白聚合。图片来源:Nature, 1979, 277, 665–667

Horwitz博士对紫杉醇的抗癌机制的阐明是一个里程牌式的事件,紫杉醇的药物研发由此进入了加速期。1980年,紫杉醇进入到动物实验阶段,对树皮的需求已经达到了数吨的级别。如此大规模的开采红豆杉的树皮,引起了环保主义者的关注,并呼吁保护生物多样性和原生森林。更为棘手的是,研究人员发现紫杉醇有一个致命的缺陷:几乎完全不溶于水。事实上,无论紫杉醇被证明有多好,如果不能将其溶解以便可以进行静脉给药,它就毫无价值。但经过一年的尝试,NCI药物配方团队发现紫杉醇可溶于一种由蓖麻油制成的特殊制剂(商品名:Cremophor EL,聚氧乙烯蓖麻油,是一种非离子表面活性),这为紫杉醇进入人体临床试验铺平了道路。

紫杉醇的临床研究

1984年,紫杉醇被批准进入I期临床试验。1985年,紫杉醇II期临床也按计划开展。到1988年,NCI首次公布了II期临床结果,发现它对复发性卵巢癌的有效率也达到了惊人的30%!要知道在那个时代,这类患者已无其他有效疗法。紫杉醇一时间成为“炙手可热”的明星药物!与此同时,对红豆杉树皮的需求也到达了数十吨。据报道,仅1989年,就砍伐了大约6000棵红豆杉树,但仅仅提取到了1.9千克的紫杉醇。据统计,在那时要想满足全美国的卵巢癌患者的需求,那么就需要每年砍伐超过30万棵红豆杉树才可以,这种获取紫杉醇的做法显然不可持续,且严重破坏生态环境。

1989年,NCI决定将紫杉醇的后期开发权转交给在抗癌药物研发方面具有丰富经验的百时美施贵宝(Bristol-Myers Squibb,BMS)公司,但后者需承诺每年给临床试验提供25千克紫杉醇——如果还是从树皮中提取,这就意味着要砍掉数万棵红豆杉树。一时间,紫杉醇的来源似乎成了无解的难题。紫杉醇的命运似乎又站在了转折点。BMS公司当务之急显然是需要找到一种替代的、可持续且稳定的天然产品来源。

紫杉醇的半合成

通过人工半合成办法,科学家们还是最终成功解决了紫杉醇原料供应这个紧迫问题。转机发生在大洋另一边的欧洲。1980年,来自法国的科学家Potier在欧洲红豆杉(Taxus baccata)枝叶和果实(图6)的提取物中获得了突破。

王者荣“药”:紫杉醇  第7张

图6. 欧洲红豆杉的叶子和红色果实

他和同事们发现该提取物中含有一种具有紫杉醇骨架的化合物10-deacetylbaccatin III(简称10-DAB,图7),该化合物与紫杉醇的结构极其类似,仅标记为红色的部分稍有不同。更重要的是,欧洲红豆杉是四季常绿乔木,种植和管理成本极低,且收割枝叶不会影响生长,更不会对生态环境造成破坏,这使得可持续且稳定的大量获得10-DAB成为了可能。经过八年努力,Potier团队找到了从10-DAB经四步转化的紫杉醇半合成路线(图7)。

王者荣“药”:紫杉醇  第8张

图7. Potier团队的紫杉醇半合成

1990年,来自美国佛罗里达州立大学的Holton团队基于以上的研究开发了一条更为高效且商业化的半合成路线(图8)。该路线后经纽约州立大学石溪分校的I. Ojima团队优化,并最终被BMS公司所采用,成为商业化生产紫杉醇的替代路线。值得一提的是,Holton教授通过向BMS公司转让其紫杉醇半合成的专利获得了巨额财富,Holton教授及其工作单位佛罗里达州立大学获得了超过3.5亿美元的收入。

王者荣“药”:紫杉醇  第9张

图8. Holton和Ojima团队的紫杉醇半合成。图片来源:Chem. Rev.

紫杉醇的生物合成

通过培养红豆杉的树皮细胞生物合成紫杉醇,是一条无需消耗天然红豆杉资源、不依赖土壤种植的绿色可持续生产方法。在商业生产领域,美国Phyton Biotech公司是同类工艺的领头公司,该公司在德国运营世界上最大的药用植物发酵(plant cell fermentation,PCF)设施已逾十年,拥有7万5千升的产能设施(2008年数据),年产能超100千克紫杉醇。

紫杉醇的上市

1992年,美国FDA批准紫杉醇注射液用于治疗晚期卵巢癌(图9)。1994年,又批准为乳腺癌治疗用药。经过BMS公司近10年的努力,紫杉醇已经成为在非小细胞肺癌、卡波济氏肉瘤、膀胱癌、食道癌、胃癌、前列腺癌和恶性黑色素瘤等诸多癌症的治疗用药。在2001年的销售巅峰时期,年销售额达到20亿美元,成为名副其实的重磅明星抗癌“神药”。

王者荣“药”:紫杉醇  第10张

图9. 紫杉醇注射液Taxol。图片来源:National Cancer Institute

2005年,美国FDA批准白蛋白紫杉醇(Abraxane)用于乳腺癌治疗。白蛋白紫杉醇可以看作是紫杉醇的一个“升级版”,续写着紫杉醇销量的神话,截止2020年1月,白蛋白紫杉醇的销量突破55亿美元。

多款紫杉醇类似物的上市药物

1996年,美国FDA批准法国赛诺菲公司开发的抗癌药——多西他赛(docetaxel),也称多烯紫杉醇(图10)——用于治疗晚期乳腺癌和非小细胞瘤。

王者荣“药”:紫杉醇  第11张

图10. 多西他赛结构

2010年,美国FDA批准卡巴他赛上市,商品名Jevtana(图11),用于治疗晚期乳腺癌和非小细胞瘤。2020年全球销量超过5亿美元。

王者荣“药”:紫杉醇  第12张

图11. 卡巴他赛结构

紫杉醇的全合成之旅

在紫杉醇的结构公开发表之后,特别是抗癌活性机制阐明之后,加上紫杉醇的原料来源稀缺,无法满足研发需求,有机合成化学家们已经着手探索紫杉醇的全合成。在实验室通过人工合成的方法,从简单易得廉价的原料出发,从头完成紫杉醇的全合成,期望提供大量紫杉醇的一种潜在的替代方案。

从结构上看,紫杉醇的全合成挑战至少有以下两个方面(图12):第一、如何构建具有一个独特的含有桥头双键(anti-Bredt烯烃)的[5.3.1]桥环体系;第二、在构建在6/8/6/4高张力的四环骨架时,如何选择性的构筑环上的11个立体手性中心(其中3个为季碳手性中心)和8个含氧官能团。

王者荣“药”:紫杉醇  第13张

图12. 紫杉醇的合成挑战。图片来源:Chem. Rev.

事实上,面对这种极其复杂和罕见的结构,一开始,有机合成化学家们除了感叹大自然的鬼斧神工之外,并没有从现有的合成工具中找到可行的合成方法,其全合成挑战的难度可想而知。

进入1990年代,特别是紫杉醇被美国FDA批准上市(1992年)后,紫杉醇全合成的竞争进入了白热化状态。紫杉醇的全合成成为了有机全合成的“圣杯”,全世界所有做有机全合成的课题组都想参与进来,以期证明自己能够挑战这个全合成的“珠穆朗玛峰”。因此,紫杉醇也被公认为历史上最难合成的分子之一。

1994年,美国Scripps研究所的Nicolaou课题组在世界上首次报道了紫杉醇的全合成(图13)。Nicolaou团队采用汇聚式的策略,以McMurry偶联作为关键策略,在C9-C10位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤37步。

王者荣“药”:紫杉醇  第14张

图13. Nicolaou的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

Nicolaou团队并不是最早启动紫杉醇全合成项目的团队,但却是用时最短的团队之一。他们于1991年秋开始,到1994年完成全合成,历时不到三年。值得一提的是,目前在北京大学任职的杨震教授(图14二排左三)功不可没!

王者荣“药”:紫杉醇  第15张

图14. Nicolaou的紫杉醇全合成团队。图片来源:Angew. Chem.

同样是1994年,且几乎为同一时间,美国佛罗里达州立大学的Holton课题组也完成了紫杉醇的全合成。Holton团队巧妙采用Grob碎裂化反应作为核心策略,成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤41步。

王者荣“药”:紫杉醇  第16张

图15. Holton的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

Holton团队是最早启动紫杉醇全合成项目的团队之一(图16)。他们于1984年就报道了紫杉醇骨架的合成研究,到1994年完成全合成,历时十余年。根据投稿时间的记录,Holton团队是于1993年12月向JACS 投稿,而Nicolaou团队是于1994年1月向Nature 投稿,最终的对外发表都是1994年2月。

王者荣“药”:紫杉醇  第17张

图16. Holton的紫杉醇全合成团队。图片来源:Holton group

1995年,美国哥伦比亚大学的Danishefsky课题组报道了第三例紫杉醇的全合成(图17)。Danishefsky团队采用Heck偶联反应作为核心策略,在C10-C11位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤47步。

王者荣“药”:紫杉醇  第18张

图17. Danishefsky的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

1997年3月,美国斯坦福大学的Wender课题组报道了第四例紫杉醇的全合成(图18)。Wender团队采用Grob碎裂化反应作为核心策略,成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤38步。他们于1987年就报道了紫杉醇骨架的合成研究,到1997年完成全合成,历时十余年。

王者荣“药”:紫杉醇  第19张

图18. Wender的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

1997年6月,日本东京大学的Mukaiyama课题组报道了第五例紫杉醇的全合成(图19)。Mukaiyama团队采用二碘化钐介导的aldol反应作为核心策略,在C3-C8位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤58步。Mukaiyama团队于1994年开始立项,到1997年完成紫杉醇全合成,历时不到四年。

王者荣“药”:紫杉醇  第20张

图19. Mukaiyama的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

1998年,日本东京工业大学的Kuwajima课题组报道了第六例紫杉醇的全合成(图20)。Kuwajima教授采用以他老师(Mukaiyama教授)名字命名的Mukaiyama aldol反应作为核心策略,在C9-C10位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤60步。Kuwajima团队于1989年就报道了紫杉醇骨架的合成研究,到1998年完成全合成,历时十余年。

王者荣“药”:紫杉醇  第21张

图20. Kuwajima的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

2000年,美国哈佛大学的Kishi课题组报道了第七例紫杉醇的全合成(图21)。Kishi团队采用以他的名字命名的Nozaki-Hiyama-Kishi(NHK)偶联反应作为核心策略,在C10-C11位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤45步。

王者荣“药”:紫杉醇  第22张

图21. Kishi的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

进入二十一世纪,紫杉醇全合成进入了相对的“冷静期”,在前后十五年的时间内,仅有三位日本科学家(Takahashi、Nakada和Chida)报道了三例不同的紫杉醇形式全合成路线。

在沉寂了二十年后,2020年,美国Scripps研究所的天才化学家Baran教授报道了紫杉醇的第八例全合成(图22)。Baran团队以其独创的“两相(two-phase)”合成法为指导,采用汇聚式的策略,以type II Diels-Alder反应作为关键策略,在C1-C15位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤缩短至24步。Baran团队于2007年就报道了紫杉醇骨架的合成研究,到2020年完成全合成,历时十三年。

王者荣“药”:紫杉醇  第23张

图22. Baran的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

2021年,中国南方科技大学的李闯创课题组报道了紫杉醇的第九例全合成(图23)。李闯创团队采用汇聚式的策略,以二碘化钐介导的频哪醇(pinacol)偶联反应作为关键策略,首次在C1-C2位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的高效全合成,总步骤缩短至21步。值得一提的是,李闯创团队作为国内首家完成紫杉醇全合成的团队,提供的合成路线也是迄今为止最短的紫杉醇全合成路线。

王者荣“药”:紫杉醇  第24张

图23. 李闯创团队的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

2022年,日本庆应义塾大学的Chida课题组报道了紫杉醇的第十例全合成(图24)。Chida团队采用他们2015年的形式全合成的策略,以二碘化钐介导的还原环化反应作为关键策略,在C10-C11位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤50步。

王者荣“药”:紫杉醇  第25张

图24. Chida的紫杉醇全合成。图片来源:Chem. Rev.

2023年,日本东京大学的Inoue课题组报道了紫杉醇的第十一例全合成(图25)。Inoue团队采用Ti(III)介导的频哪醇(pinacol)偶联反应作为关键策略,在C1-C2位成功构筑了最具挑战的八元环,进而完成了紫杉醇的全合成,总步骤34步。

王者荣“药”:紫杉醇  第26张

图25. Inoue的紫杉醇全合成

小结

有机合成化学家们从上个世纪八十年代开始探索紫杉醇的全合成,至今已有40余年,超过60个课题组参与其中。在此期间,一共开发了11条不同的全合成路线,但是都没能够成为大量合成紫杉醇的替代方案。究其原因,主要还是路线必较长。目前最短的全合成路线是南方科技大学李闯创团队的21步合成方案,总体效率相比之前的方案有大幅度提高。

回顾紫杉醇的全合成之旅,我们不难发现,紫杉醇的全合成极具挑战性,有机合成化学家经历了漫长而曲折的探索过程,很多课题时间跨度长达十几年。正是这种不屈不挠的拼搏精神和持之以恒的坚持精神,才造就了甚为丰富的紫杉醇合成化学经验,也成为了后来研究者的宝贵财富,同时也培养了无数优秀的合成化学家与药物化学家。


Strategies and Lessons Learned from Total Synthesis of Taxol
Long Min, Jing-Chun Han, Wen Zhang, Chen-Chen Gu, Yun-Peng Zou, and Chuang-Chuang Li*
Chem. Rev., 2023, DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00763


发布评论 0条评论)

您需要 登录账户 后才能发表评论

还木有评论哦,快来抢沙发吧~