生物酶法拆分手性藥物的研究進(jìn)展

柯彩霞，徐德蛟，閆云君*，徐莉*

1.華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430074；2.湖北省孝感市鄒崗中心衛(wèi)生院，湖北孝感432100

生物酶法拆分手性藥物的研究進(jìn)展

柯彩霞1，徐德蛟2，閆云君1*，徐莉1*

1.華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430074；2.湖北省孝感市鄒崗中心衛(wèi)生院，湖北孝感432100

在現(xiàn)有手性藥物的制備過(guò)程中，通常使用化學(xué)催化、氣相或液相色譜分離純化的方法，而耗能大、花費(fèi)高、副產(chǎn)物多等是其主要缺點(diǎn).近年來(lái)，生物酶法拆分手性藥物的研究逐漸增多，多類(lèi)生物酶已被報(bào)道具有催化手性拆分的能力，其對(duì)不同類(lèi)底物的應(yīng)用是目前研究的重點(diǎn)之一.在生物酶法拆分手性藥物的過(guò)程中，反應(yīng)溶劑與?；w是影響對(duì)映選擇拆分效率的主要因素；另外，合理應(yīng)用酶的固定化技術(shù)能有效的提高拆分效率，使其具有工業(yè)應(yīng)用的可能.生物酶法拆分手性藥物因具有副產(chǎn)物少、操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，有望補(bǔ)充或替換化學(xué)法在手性藥物制備中的作用.隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)、現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展與酶法拆分手性藥物研究的不斷深入，通過(guò)對(duì)酶分子空間結(jié)構(gòu)與催化機(jī)理的分析研究，人工合成具有特定催化功能的酶成為可能，生物酶法拆分手性藥物技術(shù)的應(yīng)用有望得到較大的突破.

酶法拆分；手性藥物；對(duì)映選擇性；異構(gòu)體

1 引言

在自然環(huán)境中，大部分化合物具有同分子式、相互呈鏡象但不能重疊的兩種結(jié)構(gòu)形式，如同人的左右手一樣，這類(lèi)化合物稱(chēng)為對(duì)映體或旋光異構(gòu)體，含有手性因素的藥物即為手性藥物.手性藥物的不同對(duì)映異構(gòu)體在藥理活性、代謝過(guò)程、代謝速率及毒性等方面往往存在著顯著的差異.多數(shù)手性藥物中只有一種對(duì)映體具有實(shí)際治療作用，而另一種對(duì)映體不僅沒(méi)有藥效，而且可能抵消部分有效對(duì)映體的作用，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重不良反應(yīng)或毒性［1］.因此，美國(guó)食品與藥物管理局（FDA）發(fā)布了手性藥物的指導(dǎo)原則，要求所有在美國(guó)上市的消旋體藥物必須說(shuō)明其中所含對(duì)映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果，并對(duì)新上市的手性藥物提供5年專(zhuān)賣(mài)權(quán)，以保證和鼓勵(lì)相關(guān)藥物的研發(fā)［2］.近年來(lái)，中國(guó)、日本、歐盟等均發(fā)布過(guò)相應(yīng)的政策規(guī)范手性藥物的生產(chǎn)和應(yīng)用，這些政府行為和人們對(duì)單一手性醫(yī)藥的需求共同促進(jìn)了光學(xué)純單一手性藥物的發(fā)展，使得手性藥物占有的市場(chǎng)份額逐年增加，世界手性藥物銷(xiāo)售以每年15%以上的速度增長(zhǎng).光學(xué)純藥品的年增長(zhǎng)速率（155%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非光學(xué)純藥品的年增長(zhǎng)速率（8%），手性藥物市場(chǎng)巨大［3］.

手性藥物的制備經(jīng)常先進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)合成或拆分化學(xué)合成路線(xiàn)中某個(gè)手性中間體，再合成單一手性藥物.外消旋體拆分、手性催化合成和底物誘導(dǎo)的手性合成是獲得手性藥物的三種策略［4］，其中外消旋體拆分技術(shù)是醫(yī)藥領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，化學(xué)拆分、色譜拆分、生物酶拆分等是外消旋體拆分技術(shù)研究中的常用關(guān)鍵技術(shù).而生物酶法與其他方法相比具有催化效率高、規(guī)模易放大、條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、選擇性好、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)［5］，且能獲得化學(xué)合成難以得到的產(chǎn)物，克服或彌補(bǔ)相應(yīng)的困難和不足，具有很好的發(fā)展前景.

2 生物酶法手性藥物拆分的研究現(xiàn)狀

酶作為一種天然催化劑，在許多應(yīng)用研究中占據(jù)著不可忽視的重要性，酶的應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)大，隨著研究的不斷深入，不論是在生物體系還是非生物體系內(nèi)，水相或非水相反應(yīng)當(dāng)中，酶促反應(yīng)的應(yīng)用都有著一定的發(fā)展.而在手性藥物的拆分中，由于大部分藥物的低水溶性，酶的非水相反應(yīng)效率十分關(guān)鍵.在現(xiàn)有的研究當(dāng)中，已知多種水解酶類(lèi)，酯酶、脂肪酶、酰胺酶、腈水合酶、?；傅染苡糜谕庀w的拆分，部分相應(yīng)研究如表1所示，其中脂肪酶（lipase，EC 3.1.1.3）應(yīng)用較多、效果較好［6］.脂肪酶屬于三酰甘油?；饷福瑏?lái)源豐富，尤其在微生物中可獲得多種脂肪酶.脂肪酶在水相與非水相中的應(yīng)用廣泛，且具有反應(yīng)溫度廣、pH耐受性好以及底物專(zhuān)一性等特點(diǎn)，商業(yè)化脂肪酶絕大多數(shù)都是微生物脂肪酶［7］.

表1 不同種類(lèi)生物酶在外消旋體拆分中的應(yīng)用Tab.1Applications of different types of enzyme in racemic resolution

由于脂肪酶催化反應(yīng)多樣、環(huán)境友好、副產(chǎn)物少等特點(diǎn)，脂肪酶在手性藥物拆分的應(yīng)用日益廣泛，在伯醇、仲醇、叔醇、二元醇、芳香醇等底物的拆分上均有一定的應(yīng)用［15］.例如Fujimoto等［16］于1986年第一次成功將生物酶法用于非軸對(duì)稱(chēng)的手性化合物拆分，在有機(jī)相中，（R）-，（S）-聯(lián)萘二丁酸酯的對(duì)映選擇ee值分別為96%、94%，整體反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)50%，近年來(lái)，洋蔥伯克霍爾德菌、熒光假單胞菌屬的脂肪酶也被廣泛應(yīng)用于非軸對(duì)稱(chēng)手性拆分中.而迄今為止，拆分叔醇的應(yīng)用較少，研究人員認(rèn)為脂肪酶的活性位點(diǎn)與叔醇結(jié)構(gòu)結(jié)合相對(duì)困難，導(dǎo)致這一類(lèi)應(yīng)用較難開(kāi)展.Krishna等報(bào)道了利用南極假絲酵母Candida antarctica lipase A（CAL-A）以乙酸乙烯酯為?；w對(duì)應(yīng)性拆分叔醇88、89、90、91的工作［17-19］，取得了一定的進(jìn)展.

3 影響酶法拆分手性藥物效率的主要因素

研究表明，除了選擇適合的生物酶進(jìn)行手性藥物拆分之外，在反應(yīng)體系中選擇合適的反應(yīng)溶劑與?；w，是獲得高對(duì)映選擇拆分效率的重要因素.

3.1 反應(yīng)溶劑的影響

反應(yīng)溶劑的選擇對(duì)一個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行有著至關(guān)重要的作用，它對(duì)底物的溶解度和酶促反應(yīng)的效率都有著極大的影響，因而在研究當(dāng)中，不同反應(yīng)溶劑的比較選擇實(shí)驗(yàn)是最基礎(chǔ)必備的環(huán)節(jié).岳珂［20］在利用解假絲酵母（Candida lipolytica）拆分一苯乙醇的研究中，篩選到二氯甲烷為最適溶劑，將E值從9.5提高到了34.5.李相等［21］用洋蔥伯克霍爾德菌脂肪酶拆分一苯乙醇，通過(guò)對(duì)13中常用溶劑進(jìn)行篩選，通過(guò)酶活與對(duì)映選擇性的綜合考量，選擇正庚烷最為最適的反應(yīng)溶劑.除此之外，離子液體作為反應(yīng)溶劑的應(yīng)用也受到了廣泛研究，Antonia P.等［22］用南極假絲酵母C.antarctica lipase B（CAL-B），以離子液體為反應(yīng)溶劑拆分一苯乙醇，在最佳反應(yīng)條件下，經(jīng)過(guò)12 h，反應(yīng)ee值可達(dá)到92%～99%.

3.2 ?；w的影響

在手性拆分的反應(yīng)過(guò)程中，酶與底物的結(jié)合效率至關(guān)重要，通常認(rèn)為酶分子先要與?；w形成酰基-酶復(fù)合物，進(jìn)而發(fā)生轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，以達(dá)到拆分效果.因此，不同的酶在拆分同一反應(yīng)時(shí)，通常所需選擇的最適?；w也不同.例如，在異辛烷為溶劑的體系中拆分外消旋布洛芬，黃霜霜等［23］選用皺褶假絲酵母脂肪酶（C.rugosa lipase，CRL），以11種伯醇，3種仲醇，3種叔醇和1種二醇為底物與外消旋布洛芬反應(yīng)進(jìn)行了最適?；w篩選，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用異辛醇為?；w時(shí)，拆分效率最好，ee值超過(guò)90%；在使用甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇作為供體時(shí)，拆分效率較差，ee值均不到20%.而在郭華穎的研究當(dāng)中［24］，使用擴(kuò)展青霉菌TS414拆分布洛芬的過(guò)程中，使用正丙醇為供體時(shí)拆分效率反而最高，異丙醇最低.一般認(rèn)為這是由于不同酶的活性中心結(jié)構(gòu)域的空間結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致不同底物與之結(jié)合的能力和效率不一，故在進(jìn)行生物酶法手性藥物的拆分時(shí)，?；w的篩選非常重要.

4 酶的固定化技術(shù)對(duì)拆分效率的影響

酶的固定化技術(shù)是指通過(guò)物理和（或）化學(xué)的作用，使酶蛋白附著或結(jié)合在一定的載體基質(zhì)上，或限定在有限的空間內(nèi).許多酶蛋白在經(jīng)過(guò)固定化后會(huì)失活或活性降低，而有一部分酶蛋白仍然具有催化活性，這一類(lèi)固定化酶通常具有比游離酶更好的穩(wěn)定性，且易于分離與重復(fù)使用，能降低工業(yè)成本，在工業(yè)應(yīng)用上有極大的潛力.利用固定化技術(shù)可提高非水相酶促反應(yīng)的效率，解決游離酶拆分手性藥物效率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的缺陷，為生物酶拆分手性藥物的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［25-27］.魏曉飛［28］用溶膠-凝膠固定化的枯草桿菌脂肪酶催化拆分2-甲基-1-丁醇，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，立體對(duì)性選擇性E值達(dá)到13.05，剩余2-甲基-1-醇光學(xué)純度可達(dá)到97%以上.崔彥君［29］利用磁性高分子材料固定化玫瑰假絲酵母脂肪酶催化酮洛芬酯類(lèi)，相較于游離酶，該固定化脂肪酶的拆分效率具有顯著的提升，在重復(fù)利用5次之內(nèi)能保持較好的拆分效率.閆云君團(tuán)隊(duì)先后利用大孔樹(shù)脂、碳納米管固定化洋蔥伯克霍爾德菌脂肪酶，將其游離酶完全拆分1-苯乙醇所需的時(shí)間從48 h分別縮短至了30 min和10 min取得了極為有效的成果［30-31］.酶的固定化技術(shù)對(duì)酶催化效率的積極影響，使其在生物酶拆分手性藥物研究領(lǐng)域內(nèi)具有不可忽視的重要性，極大的發(fā)展?jié)摿?

5 展望

手性藥物的制備具有極大的市場(chǎng)潛力，現(xiàn)今市面上的單一對(duì)映體手性藥物多通過(guò)化學(xué)手段制備而成，其中氣相色譜和高效液相色譜法的化學(xué)分離法是對(duì)應(yīng)產(chǎn)業(yè)中采用的主要手段，但手性柱費(fèi)用高、產(chǎn)物易污染、容易產(chǎn)生副產(chǎn)物是其主要的缺陷.相比于化學(xué)拆分技術(shù)，酶法拆分技術(shù)在生產(chǎn)的資本投入方面有較明顯的優(yōu)勢(shì)，酶法操作簡(jiǎn)便且不易污染，近年來(lái)固定化技術(shù)在酶的非水相反應(yīng)效率提升中取得了較顯著的研究進(jìn)展，如閆云君團(tuán)隊(duì)在手性拆分1-苯乙醇的反應(yīng)中，制備了一種高催化效率的固定化酶，將非水相轉(zhuǎn)酯反應(yīng)時(shí)間從幾天縮短到十幾分鐘［30］，展示了脂肪酶在手性拆分反應(yīng)中的潛力，簡(jiǎn)便的反應(yīng)條件和大大縮短的時(shí)間成本使得酶法拆分的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有極大的工業(yè)潛力.近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)與生物信息學(xué)研究手段的發(fā)展，酶分子的空間結(jié)構(gòu)與催化機(jī)理研究逐步深入，人工合成具有特定催化功能的酶是未來(lái)酶促反應(yīng)研究領(lǐng)域內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较蛑?相信在不久的將來(lái)，隨著微生物資源的開(kāi)發(fā)利用，能夠?qū)ふ摇㈤_(kāi)發(fā)得到更多適用于多種基質(zhì)、具有高度選擇性的酶，使得酶法拆分手性藥物的制備中具有更為廣闊的應(yīng)用和更加巨大的工業(yè)利用價(jià)值.

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本文編輯：張瑞

Advance in Enzymatic Resolution of Chiral Drugs

KE Caixia1，XU Dejiao2，YAN Yunjun1*，XU Li1*
1.School of Life Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Zougang People's Hospital，Xiaogan 432100，China

Chemical catalysis，gas or liquid chromatography separation and purification are the main technologies in chiral drug preparation，which result in high energy consumption，high cost，and multi-byproducts and so on.Enzymatic resolution in chiral drugs preparation was attracted increasing attention in recent years.Many kinds of enzyme were investigated on their resolution ability towards different substrates，and their application has become a topic subject.It was found that the reaction solvent and acyl donor are the most important factors to enantio selective efficiency.A proper immobilization technology can significantly enhance the enzyme activity and pave the way to industrialization.The enzymatic resolution of chiral drugs could play a key role in chiral pharmacy production with less byproducts，simple operation and environmental frendliness.Based on the rapid progress in structure biology，especially deep understand of enzyme structure and catalytic mechanism，the enzymatic chiral resolution is expected to be made great advances with the development of modern techniques of molecular biology and chiral drug.

enzymatic chiral resolution；chiral drug；enantioselective；isomer

Q93-335

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.001

1674-2869（2016）06-0517-04

2016-08-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170078）；國(guó)家863課題（2014AA093510）

柯彩霞，碩士研究生.E-mail：kecaixia@hust.edu.cn

*通訊作者：徐莉，博士，副教授.E-mail：xuli@hust.edu.cn

閆云君，博士，教授.E-mail：yanyunjun@hust.edu.cn