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    華東師范大學姜雪峰教授團隊Chem. Sci.:位阻手性二硫鍵

    發布時間: 2020-03-26 08:54:47   試劑信息網
    摘要: 華東師范大學姜雪峰教授團隊一直致力于解決復雜二硫體系的構建問題,采用面具效應實現了系列二硫試劑的開發和藥物修飾。最近,該團隊針對化學生物學以及藥物化學中位阻和手性二硫鍵合成困難、鄰位基團多樣性受限等問題,采用N-二硫鄰苯二甲酰亞胺試劑與各類叔碳親核試劑的反應,發展了一種方便快捷的位阻及手性二硫醚構建方法。

    靶向載藥,如抗體藥物偶聯體(Antibody-Drug Conjugates, ADCs)和小分子藥物偶聯體(Small Molecule-Drug Conjugates, SMDCs),是現代藥物設計與治療的新理念ADC通常由抗體(antibody)、藥物(drug)以及連接子(linker)三部分組成:其中抗體會與癌細胞表面的特異性靶點抗原(target antigen)結合“定位追蹤”到腫瘤細胞,胞吞透膜進入細胞后,預先設計好的鏈接子會被特定的酶或高濃度小分子切斷,從而達到藥物的“精準制導”遞送。這種高精度高選擇性打擊癌細胞的設計,不但可以大幅減少對正常細胞的損害,還可以大大增強藥物分子對癌細胞的透膜能力和殺傷能力。這種“魔術子彈”(magic bullet)的思想早在1900年就已被諾貝爾生理學或醫學獎得主Paul Ehrlich所提出,然而限于技術上的種種困難,直到百年之后的本世紀初,輝瑞公司才上市了第一個具有這一理念的ADC藥物Mylotarg(Blood2004104, 1995.)。自此之后,ADC藥物的開發一直是新藥創制中不可或缺的方向,截止2019年底獲批上市的ADC藥物已有7個,臨床在研的數目也在逐年增加(圖1a)。更值得一提的是,在這7個已上市的ADC藥物中就有2例使用了二硫鍵連接子:分別是治療急性髓細胞白血病的吉妥珠單抗(Mylotarg)和治療急性淋巴細胞白血病的依托珠單抗(Besponsa)(圖1b)。

    在ADC藥物設計中,為了能夠“定點定時”地釋放藥物分子,需要根據癌細胞的生理特點進行連接子的設計和使用:既需要保證藥物在血漿運輸中的穩定性,又需要藥物在癌細胞內高效釋放。谷胱甘肽,是人體血漿和細胞質中廣泛存在的還原性小分子:該分子在血漿中的濃度約為 2-20 μM,而在細胞質中的濃度約為 500-10000 μM。但在癌細胞內,其濃度大約是正常細胞中濃度的4倍,血漿中濃度的1000倍(2000-40000 μM)(Clin. Cancer Res., 19973, 793.)。正是基于這種濃度的差異,可以利用高濃度谷胱甘肽選擇性還原切斷二硫鍵,來實現藥物靶向釋放的目的(圖 2)。

    那么,二硫鍵周圍的位阻與手性顯然是影響ADC藥物釋放的重要因素。增大二硫鍵鄰位的位阻,例如引入偕二甲基,可確保ADC藥物在血漿運輸中的穩定性和進入癌細胞后的斷裂選擇性,這一點已由上市藥物Mylotarg 和 Besponsa所證實。同時二硫鍵旁邊引入大位阻環系結構將進一步增強S-S鍵穩定性(圖3)。因此,在二硫鍵的鄰位多樣性地引入大位阻,從而實現對鏈接子的可調控斷裂,必將是ADC藥物開發與設計的關鍵因素。但是,傳統合成大位阻二硫鍵通常使用的叔硫醇種類太少且不易獲得,使得ADC藥物中的二硫鏈接化學至今進展緩慢。另一方面,由于細胞內切斷二硫鍵的生物酶(谷氧還原蛋白等)以及還原性的小分子(半胱氨酸、谷胱甘肽等)均具有手性環境,那么二硫鍵鄰位的立體效應也會大幅影響藥物識別、配位與釋放。對于擁有立體結構的二硫醚化合物,與谷胱甘肽分子構型匹配度越高則S-S鍵更容易斷裂。但是由于合成方法的限制,如何獲得單一立體構型的二硫鍵結構,至今尚未有合適的解決方案。

    華東師范大學姜雪峰教授團隊一直致力于解決復雜二硫體系的構建問題,采用面具效應實現了系列二硫試劑的開發和藥物修飾(Nat. Commun.201910, 2661; Nat. Commun., 20189? 2191; Angew. Chem. Int. Ed., 201655? 14121)。最近,該團隊針對化學生物學以及藥物化學中位阻和手性二硫鍵合成困難、鄰位基團多樣性受限等問題,采用N-二硫鄰苯二甲酰亞胺試劑與各類叔碳親核試劑的反應,發展了一種方便快捷的位阻及手性二硫醚構建方法。其條件簡單溫和,底物范圍廣,尤其能在二硫鍵鄰位引入多種官能團和環系結構,可以實現鄰位位阻的自由變換(圖4)。

    首先,該工作采用各種大位阻碳親核試劑進行二硫化選擇性偶聯,大幅拓展了位阻二硫鍵的范圍,包括鄰位的偕二甲基、偕二苯基,呈螺環的環丁基、環戊基、環己基等季碳二硫醚結構,從合成的角度突破了現有位阻二硫鍵構建的局限,并實現了鄰位位阻的自由變換。并且,利用分子內含有羧基或羥基的二硫試劑,可進一步進行分子的衍生和鏈接:例如甘氨酸5a,二肽化合物5b,β-巰基葡萄糖5c,鬼臼毒素5d,天然產物δ-生育酚5e,以及熒光素5f等功能分子,均可以使用該方法高效嵌入位阻二硫鍵結構。此外,該位阻二硫鏈接策略還順利實現了功能雙分子的雜交:將叔碳親核試劑(茚酮酮酸酯)作為模塊嵌入,可以將氨基酸與氨基酸(丙氨酸與丙氨酸5g),氨基酸與熒光分子(苯并氨酸與香豆素5h),氨基酸與糖類(丙氨酸與半乳糖5i),氨基酸與核苷類(異亮氨酸與脲苷5j),不同療效的藥物(吲哚美辛與青蒿琥酯5k,吲哚美辛與鬼臼毒素5l)均可通過具有螺環位阻的二硫鍵相鏈接。這些代表性的例子表明,該位阻二硫鍵鏈接的策略不但可以為生命分子的修飾、新型藥物的開發提供有力的工具,還有可能成為藥物機制檢測跟蹤的有效手段(圖5)。

    此外,由于S-S本身的柔性和不穩定性,同時硫原子又極易導致金屬催化劑配位毒化,因此通過不對稱催化二硫轉移反應實現手性二硫的合成是一項巨大的挑戰。姜雪峰教授團隊巧妙地運用二氫奎尼定1,4-(2,3-二氮雜萘)二醚((DHQD)2PHAL)作為手性誘導催化劑,組合利用催化劑本身的空間位阻效應(兩個奎寧定所構筑的空腔)、靜電吸引作用(銨鹽與烯醇負離子)、芳基間π-π穩定效應(二氮雜萘與鄰苯二甲酰亞胺)以及鄰苯二甲酰亞胺的氫鍵綁定作用,實現了二硫鄰位的立體選擇性引入,不對稱誘導效果可達90% ee以上,重結晶后可達98% ee。這些含有手性季碳中心的二硫醚立體構型最終通過6d的單晶結構得以確認。高立體選擇性二硫醚的建立,將為偶聯-雜交藥物的手性識別和立體選擇性釋放提供結構基礎(圖6)。 

    該工作近期發表于Chemical Science 上,第一作者為華東師范大學博士后、太原理工大學副教授高文超。


    Steric and Stereoscopic Disulfide Construction for Cross-linkage via N-Dithiophthalimides
    Wenchao Gao, Jun Tian, Yuzhu Shang, Xuefeng Jiang
    Chem. Sci.2020, DOI: 10.1039/D0SC01060J

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