化学与生活

首个上市的他汀类降脂药——洛伐他汀(Lovastatin)

引言

随着生活水平的提高,人们的饮食结构发生了巨大变化,肉、禽、蛋、奶等动物性食品的消费显著增加,伴随而来的是因脂质摄入过多造成的“高血脂”等健康问题。所谓血脂,即血液中的脂质总称,主要包括胆固醇、胆固醇酯、甘油三酯和磷脂等。虽然胆固醇既参与形成细胞膜,还是合成胆汁酸、维生素D以及甾体激素的原料,但它也是造成高脂血症的重要元凶。尽管可以通过饮食减少胆固醇摄入,但高脂血症患者往往还需要以降脂药物为主进行治疗。数量众多的降脂药物中,他汀类药物通过抑制酶的活性来减少内源胆固醇的合成,具有降脂效果显著和毒副作用小的优点,是目前治疗高脂血症最常见的药物。

图1 胆固醇的化学结构

他汀类药物的发现

胆固醇最初从胆结石中发现,后来被证实血液中过高的胆固醇含量和动脉粥样硬化间存在密切联系,因此胆固醇的内源性生物合成机制成为当时热点研究领域之一。20世纪中期,生物体以乙酰辅酶A为原料,经历乙酰辅酶A→甲羟戊酸→鲨烯→胆固醇的合成机制被逐渐揭开,其中羟甲戊二酰辅酶A还原酶(hydroxymethylglutaryl-CoA reductase,简称HMG-CoA还原酶)是胆固醇合成过程中的限速酶,它催化羟甲戊二酰辅酶A还原并转化为甲羟戊酸,这是胆固醇合成的关键步骤,因此抑制HMG-CoA还原酶的活性必将减少内源性胆固醇的合成[1]

图2 胆固醇的生物合成机制及HMG-CoA还原酶作用示意图

虽然HMG-CoA还原酶为降脂药物研发提供了理论基础,但是他汀药物的发现还离不开日后被称为“他汀药物之父”的日本生物化学家远藤章(Akira Endo。20世纪60年代,日本学者梅沢浜夫(Hamao Umezawa)从微生物代谢产物中发现了卡那霉素、博莱霉素和小分子酶抑制剂,受此启发远藤章也提出设想:某种菌类可能会产生抑制HMG-CoA还原酶的代谢产物,该物质具有潜在的药用价值。1972年,系统筛选数千种菌类后,远藤章等人发现青霉属真菌桔青霉(Penicillium cirlrinunr Thom)的培养液提取物能够有效抑制胆固醇的合成,随后他们分离出三种活性物质并将活性最强的物质编号为ML-236B,也是后来被广为熟知的首个HMG-CoA抑制剂——美伐他汀(mevastatin)。此外,远藤章发现ML-236B的酸式结构与HMG-CoA有一定的片段相似性,因此推断其作用机制是竞争性抑制[2]

图3美伐他汀的结构及其发现者远藤章

1978年,ML-236B在用于治疗家族性高胆固醇血症时取得不错的效果,于是日本三共制药公司开始对其进行临床试验,但后来受到实验犬致癌和小鼠实验结果不佳等不利影响,ML-236B的进一步临床试验被迫终止,三共制药公司也与首个现代降脂药物失之交臂[3]。1979年2月,远藤章又从红曲霉菌中发现了三种与ML-236B类似的强效HMG-CoA还原酶抑制剂,并将其中一种化合物命名为monacolin K,这也成为日后首个上市的他汀类药物[4]

洛伐他汀的诞生

1979年8月,远藤章发表关于monacolin K的论文后不久,默克制药公司的研究人员表示,他们其实也在几乎与远藤章相同的时间从土曲霉培养液中分离到了一种名为mevinolin的HMG-CoA还原酶抑制剂,并随即将其申请了专利保护。巧合的是,monacolin K后来被证实与mevinolin属于相同的物质,即后来熟知的洛伐他汀(lovastatin),但双方却都因独立发现该化合物在专利问题上产生分歧。1980年4月,默克公司开始着手洛伐他汀的临床试验,但彼时恰逢三共制药因ML-236B的安全性问题停止了后续临床试验[4]。受此影响,默克公司也随后宣布终止洛伐他汀的临床试验,毕竟两个候选药物在化学结构上的差异实在太小。直到确认洛伐他汀并无致癌毒性后,默克公司才重启临床试验,最终在1987年通过美国FDA认证被批准成为首个上市的他汀药物。

图4 洛伐他汀的化学结构

洛伐他汀的化学合成

1982年,日本学者M. Hirama等人采用汇聚式的合成策略,报道了洛伐他汀的不对称全合成[5]。他们首先选择(4S)-羟甲基丁内酯1为起始原料,通过与卤代烷的亲核取代反应合成中间体2,碱性水解后内酯开环产物硅基化得到中间体3。随后,氢解即可脱去末端烷氧基生成伯醇,Collins试剂再选择性将其氧化得到醛中间体4。为了合成双烯体5,他们利用反式巴豆基苯砜在碱性条件下去质子产生的碳负离子对醛基亲核进攻再消去的方式实现。最后,再借助烷基锂试剂对酯基的亲核取代即可顺利制备合成洛伐他汀的片段6

另一片段的合成是以ꞵ-羰基酯7为起始原料,首先碱性水解(皂化),然后在面包酵母(baker’s yeast)作用下羰基被对映体专一性还原为醇,再和重氮甲烷作用形成羧酸甲酯8。该中间体随即被转化为四氢吡喃醚,然后经DIBAL-H还原为醛9。大位阻强碱LDA作用下,乙酸乙酯与化合物9发生缩合反应,然后酸性条件脱去四氢吡喃保护基得到中间体10。随后,1,3-二醇结构通过形成缩酮进行保护,避免干扰LiAlH4还原酯基生成伯醇。接下来,他们再次将羟基进行保护得到11,臭氧化反应切断端烯生成醛即获得重要的片段12

图5 洛伐他汀的合成路线-1

完成两个重要片段的构建后,Hirama等人开始着手将两部分“拼接”得到最终的目标分子。片段612首先在NaH作用下,经历“加成-消除”的过程得到双键均为E式的关键中间体13。高沸点溶剂下回流较长时间,该中间体可以发生立体专一性Diels-Alder反应获得反式环化产物14。该中间体形成烯醇硅醚后被氧化为烯酮15,并接受二甲基铜锂试剂的亲核进攻,综合考虑位阻效应和电子效应的影响,反应专一性地发生在ꞵ位获得化合物16,至此就完成了洛伐他汀基本母环结构的构建。接下来,Hirama等人又将母环中的羰基还原后与(2S)-甲基丁酸酐酯化、脱去支链中的缩酮基团和苄氧基、氧化、分子内酯化、脱保护等多个步骤最终实现了洛伐他汀的不对称全合成[6]

图6 洛伐他汀的合成路线-2

百花齐放的他汀药物

洛伐他汀开辟了HMG-CoA还原酶抑制剂类降脂药新纪元,随即有多个他汀药物相继研制成功。事实上,洛伐他汀在进行临床试验的同时,默克公司就在着手另一个名为MK-733的他汀药物研发,该药物后来更名为辛伐他汀(simvastatin)并被证实其疗效和安全性较洛伐他汀更高。此后,许多他汀药物相继问世,例如普伐他汀(pravastatin)、氟伐他汀(fluvastatin)以及后来居上的阿托伐他汀(atorvastatin)等,这些药物给药企带来巨大利润回报的同时也很大程度减轻了患者痛苦[7]。值得提的是,目前他汀类药物位列世界卫生组织基本药物清单,属于基础医疗体系必备药物之一。

图7 其他类型的他汀药物

结束语

他汀药物的成功研发得益于生物化学家对胆固醇及其生物合成机制数年累月的研究,特别是HMG-CoA还原酶的发现成为他汀药物诞生的先决条件。距离远藤章教授发现首个HMG-CoA还原酶抑制剂美伐他汀已经过去近半个世纪,他汀药物早已成为众人熟知的经典畅销药。然而,他汀药物的研发过程离不开科学家之间以及知名药企间的精诚合作,因此从新药研发角度来说,他汀当之无愧是医药行业值得深入研究的经典成功案例。作为普通群众,我们期待能有更多诸如他汀类的新药诞生,为我们的健康保驾护航。

参考资料

[1] N. M. F. S. A. Cerqueira, E. F. Oliveira, D. S. Gesto, et al. Cholesterol biosynthesis: a mechanistic overview. Biochemistry, 2016, 55, 5483. doi: 10.1021/acs.biochem.6b00342

[2] A. Endo, The discovery and development of HMG-CoA reductase inhibitors. J. Lipid Res. 1992, 33, 1569. doi: 10.1016/S0022-2275(20)41379-3

[3] A. Endo, A gift from nature: the birth of the statins. Nat. Med. 2008, 14, 1050.

doi: 10.1038/nm1008-1050

[4] A. Endo, The origin of the statins. Atheroscler. Suppl. 2004, 5, 125.

doi: 10.1016/j.atherosclerosissup.2004.08.033

[5] M. Hirama, M. Uei, Chiral total synthesis of Compactin. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 4251.

doi: 10.1021/ja00379a037

[6] M. Hirama, M. Iwashita, Total synthesis of (+)-monacolin K (mevinolin). Tetrahedron Lett. 1983, 24, 1811. doi: 10.1016/S0040-4039(00)81777-3

[7] 郭宗儒, 首创的洛伐他汀和后继药物. 药学学报, 2015, 50, 123.

 

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