河豚毒素全合成

高效高选择性的电压门控钠离子通道 (voltage-gated sodium channels，VGSC，Na_V channels) 抑制剂一直是药物开发的难点，特别是在非成瘾性长效持续型镇痛药物开发方面依然尚未满足临床需求。2006年，先天性疼痛不敏感 (CIP) 患者被发现缺乏功能性Na_V1.7通道（SCN9A nonsense mutations）¹，在接下来的15年里，人们热衷于开发具有广泛镇痛效果而不会出现与阿片类药物相关的成瘾和耐受问题的选择性Na_V1.7 抑制剂。此外，最近研究也发现Na_V1.7参与骨关节炎疼痛信号的传递，更重要的是还可以调节软骨细胞生物学行为和骨关节炎的进展²。河豚毒素 (TTX，Figure 1) 对不同亚型的电压门控钠离子通道具有特异的抑制作用，其中，Na_V1.1、1.2、1.3、1.4以及1.6和1.7是TTX敏感型通道，而Na_V1.5、1.8和1.9则是TTX耐受性通道，不能被TTX阻断。TTX在动物模型中表现出显著的麻醉和镇痛特性，其作用机制被提出是通过选择性抑制Na_V 1.7通道实现³。最近颜宁课题组通过冷冻电镜结构生物学研究解析了TTX和Na_V 1.7的结合模式和详细的作用机制⁴。TTX不仅是神经生物学研究的重要工具分子，也在镇痛、麻醉、戒毒等神经性疾病治疗方面有潜在的应用前景⁵。临床研究发现TTX可减轻不同神经性疼痛模型中的疼痛行为，包括神经损伤引起的神经性疼痛⁶和化疗引起的神经性疼痛⁷等；国内时杰/陆林团队的临床研究也揭示了TTX在治疗海洛因成瘾戒毒方面的显著优势⁸。然而目前为止还没有任何TTX相关适应症药物被批准上市，缓慢的临床研究不仅受限于质量可控的规模化TTX来源缺乏，同时也受高效的可提高安全窗口的给药模式限制⁹。

Figure 1: The synthetic analysis of Tetrodotoxin (TTX) and congeners.

由于没有确凿的生物合成途径，现有河豚毒素只能从野生河豚体内分离，在破坏生态环境的同时，基于河豚毒素的药物开发也一直受限于来源匮乏问题而进展缓慢。人工合成是解决河豚毒素来源问题的有力途径，然而由于结构的复杂性及物化性质的特殊性，科学界一直没有实现河豚毒素的规模化人工合成。河豚毒素结构复杂，具有高度氧化的、笼状二氧杂金刚烷结构母核，及杂原子高度聚集的多连续手性中心骨架。虽然独特的原甲酸与高极性胍基组成内盐两性分子导致其物化性质极其特殊难以进行常规的合成操作，但胍类生物碱独特的生物活性（如Palau'amine、石房蛤毒素Saxitoxin、Crambescidin/Ptilomycalin A家族生物碱等）一直吸引合成化学家挑战这类分子的合成以及药物开发研究，其中具有重要的镇痛与麻醉药效以及独特而又迷人的化学结构的河豚毒素几十年来一直是科学家们心中的“明星分子”。自1972年Kishi首次完成消旋形式TTX的全合成（本文为致敬天然产物全合成以及天然药物开发大师Yoshito Kishi，特意在文中突出展示 Kishi的首次全合成工作）后，Isobe、Du Bois、Sato、Fukuyama、Yokoshima、Marin等一大批出色的科学家相继完成了TTX的不对称全合成⁵。值得关注的突破性研究是2022年Dirk Trauner团队从葡萄糖衍生物（葡萄糖四步合成）出发，以22步、11%的总收率高效完成了TTX的全合成（点击阅读详细）¹⁰。

北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院齐湘兵实验室从廉价易得的生物质原料糠醇出发，分别以24步完成了河豚毒素TTX全合成以及22步完成河豚毒素类似物9-epiTTX的首次全合成，并且实现了目前已报道的合成的最大规模（>15 mg）。

Figure 2: The construction of cyclohexane core skeleton. The key steps involved stereoselective Diels-Alder reaction, Upjohn exo-dihydroxylation, decarboxylative hydroxylation, SmI₂ mediated reduction.

作者从原料糠醇9出发（Figure 2），通过和马来酸酐发生高度立体选择性的Diels-Alder反应实现了百克规模的中间体11的制备，通过手性辅剂(1S)-(-)-莰烷酸实现了该分子对映选择性骨架的构建，为不对称合成奠定基础。随后奎宁介导的区域选择性醇解，Upjohn 双羟基化成功构建了含有正确立体构型的中间体13。接下来，作者预设利用结构中的羧酸发生立体选择性的脱羧羟基化反应，直接构建河豚毒素结构中 C5 位羟基结构，在尝试大量条件后，利用Ru催化的光氧化还原脱羧成功在C5位引入羟基结构，但是化合物14的C5位构型和最终产物相反。详细的实验验证，在此结构上进行构型翻转后的官能团立体选择性转化极其低效，因此为了避免C5位位阻给后续官能团化带来不利影响，作者在后期进行构型翻转，这也是本合成顺利进行的关键策略之一。在拿到产物14后，合成的重心转移到了氧桥环开环以及C6，C11位氧化态的安装上。K₂CO₃/MeOH脱除辅基得到伯醇随后Appel反应将其转化为相应的烷基碘化合物15。接下来，作者使用Kagan试剂SmI₂作为还原剂，三乙胺和水作为添加剂，室温条件下使得原料15发生卤素消除，环氧开环的同时实现了甲酯还原，高效地生成产物16。接下来作者使用大位阻TBDPSCl硅保护基选择性保护伯醇，Zn/AcOH还原断裂C5位N-O键，为之后的构型翻转做好准备。化学选择性的Mitsunobu反应成功翻转了C5位烯丙醇构型，接下来再次通过Upjohn 双羟基化反应构建C6，C11位羟基，Dess-Martin氧化得到关键中间体19。值得注意的是，化合物19已经具备TTX的环己烷核心骨架，所有的氧化态和立体构型都已成功构建，并且合成规模可以达到克级。

Figure 3: The construction of stereocenter at C8a. a, Stereoselective aminolysis glycidic ester constructed by Darzens condensation and the one step strategy of constructing TTX using guanidine as nucleophile. b: The successful construction of C8a stereocenter.

在完成高度氧化的环己烷核心骨架构建后，C8a位含氮季碳中心、原甲酸酯及胍基六元环的构建是下一步合成的重心。作者最初设计的策略是构建和C5-OH朝向相同的C8a环氧，利用不同含氮亲核试剂发生S_N2反应开环。与此同时，作者大胆设计将胍基作为亲核试剂，打开的环氧羟基如果立体选择性和区域选择性都正确的话的可以进一步串联反应，一步构建最终产物TTX及其不同类型的共生产物 (Figure 3， path a)。随后作者尝试了不同类型Darzens反应并成功构建了相应的环氧产物，但令人遗憾的是尝试了大量反应条件后均没有实现关键的立体选择性环氧开环构建正确构型季碳中心。最后，作者使用位阻小的二氯甲烷作为亲核试剂构建了螺α-氯环氧结构，随后用叠氮化钠亲核进攻环氧成功构建了正确构型的含氮季碳中心化合物20（Figure 3, path b）。

随后，乙炔基锂对化合物20的醛基1,2加成，以15：1的非对映选择性得到C9位异构的化合物22a和22，从22a和22分别出发，可以合成最终产物9-epiTTX和TTX。22a经过MnO₂选择性氧化炔丙醇，NaBH₄,dioxane/H₂O还原可以转化为22。IBX氧化22的伯醇为醛，随后与C-9位羟基形成半缩醛结构，甲基保护后得到化合物23。不同于以前通过构建C5-OH和C10-COOH为内酯结构的策略，作者大胆猜测利用结构中C4、C4a、C8a、C9位生成的四氢呋喃类五元环结构同样可以将C10位的羧酸构象牢牢地锁住，为之后的官能团转化及直接一步生成河豚毒素提供便利，这也是本合成顺利成功的关键策略之一。RuCl₃和高碘酸钠氧化断裂炔基生成羧酸随后甲酯化得到24，氢化反应还原叠氮同时移除PMB保护，裸露的一级胺成功安装双Boc保护的胍基结构后得到化合物25。将25置于TFA与水的混合溶剂中60 ℃加热，一步实现三个碳杂化学键构建，成功得到了TTX和其类似物4,9脱水TTX。9-epiTTX可以以相同的反应路径从化合物22a得到 (Figure 4)。

Figure 4: Completion of total syntheses of TTX and 9-epiTTX

在完成TTX和9-peiTTX的全合成工作后，曹鹏实验室张双峰博士、程欣宇等对合成的高纯度TTX及9-epiTTX进行了活性验证。和文献报道的一致，9-epiTTX活性较差¹¹，而作者合成的高纯度TTX(S)在人类HEK-Na_V1.7亚型及原代海马神经元上均表现出相对于天然分离的TTX(C)更强的钠电流抑制（Figure 5）。

Figure 5: The blocking potency between TTX(S) and TTX(C) on HEK-Na_V1.7 cells. TTX(S) indicates synthetic TTX; TTX(C) indicates commercialized TTX from Tocris Bioscience Inc.

总结

本文研究团队以便宜易得的糠醇为原料，以24步反应完成了河豚毒素TTX的立体选择性全合成，同时以22步完成了其类似物9-epiTTX的全合成。该路线不仅可以规模化合成TTX，也为其他高度氧化的天然产物合成提供了新的思路，为基于河豚毒素的进一步药物研发提供了物质基础。三个审稿人对该研究工作都给予了高度评价，特别是对合成部分的认可：“该文章报道了河豚毒素和 9-epi河豚毒素的非常优雅的全合成。鉴于这类分子巨大的合成难度及其重要生物学功能，所报道的合成对于天然产物化学家、合成化学家、药物化学家以及化学生物学家来说无疑是个好消息。从合成化学家角度来看，目前的合成可以媲美最近Dirk Trauner的合成（Science 2022, 377, 411）…本工作的价值在于有效的合成策略和潜在的规模化应用，是对这个面临临床批准并且让无数合成化学家持续着迷和挑战的传奇分子的漂亮合成…”（Reviewer comments ¹²）。

Total syntheses of Tetrodotoxin and 9-epiTetrodotoxin

Peihao Chen, Jing Wang, Shuangfeng Zhang, Yan Wang, Yuze Sun, Songlin Bai, Qingcui Wu, Xinyu Cheng, Peng Cao & Xiangbing Qi 

Nat. Commun., 2024, 15, 679, DOI: 10.1038/s41467-024-45037-0

参考文献

1. Cox, J. J. et al. An SCN9A channelopathy causes congenital inability to experience pain. Nature 444, 894–898 (2006).

2. Fu, W. et al. Na_V1.7 as a chondrocyte regulator and therapeutic target for osteoarthritis. Nature 625, 557–565 (2024).

3. Narahashi, T., Moore, J. W. & Scott, W. R. Tetrodotoxin Blockage of Sodium Conductance Increase in Lobster Giant Axons. Journal of General Physiology47, 965–974 (1964).

4. Shen, H., Liu, D., Wu, K., Lei, J. & Yan, N. Structures of human Na_V1.7 channel in complex with auxiliary subunits and animal toxins. Science 363, 1303–1308 (2019).

5. Makarova, M., Rycek, L., Hajicek, J., Baidilov, D. & Hudlicky, T. Tetrodotoxin: History, Biology, and Synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 18338–18387 (2019).

6. Kayser, V. et al. Differential anti-neuropathic pain effects of tetrodotoxin in sciatic nerve- versus infraorbital nerve-ligated rats – Behavioral, pharmacological and immunohistochemical investigations. Neuropharmacology 58, 474–487 (2010).

7. Nieto, F. R. et al. Tetrodotoxin inhibits the development and expression of neuropathic pain induced by paclitaxel in mice. PAIN^®137, 520–531 (2008).

8. Shi, J. et al. Tetrodotoxin reduces cue-induced drug craving and anxiety in abstinent heroin addicts. Pharmacology Biochemistry and Behavior92, 603–607 (2009).

9. Ji, T. et al. Delivery of local anaesthetics by a self-assembled supramolecular system mimicking their interactions with a sodium channel. Nat Biomed Eng5, 1099–1109 (2021).

10. Konrad, D. B. et al. A concise synthesis of tetrodotoxin. Science 377, 411–415 (2022).

11. Yaegashi, Y. et al. Isolation and Biological Activity of 9-epiTetrodotoxin and Isolation of Tb-242B, Possible Biosynthetic Shunt Products of Tetrodotoxin from Pufferfish. J. Nat. Prod. 85, 2199–2206 (2022).

12. Reviewer comments 

https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41467-024-45037-0/MediaObjects/41467_2024_45037_MOESM2_ESM.pdf