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曲贝替定:首个来源于海洋的抗肿瘤药物

Jerry Jerry
08/17
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上世纪八十年代末,Brian Bingham还在读博士。他每个月都会背起行囊前往佛罗里达群岛。在那些环绕在小岛四周的红树林里,有着这位海洋生物学家一直在研究的海洋生物海鞘 (sea squirts),而这里也是研究海鞘最好的地方。

海鞘能够在海水中摇曳的红树林根系上繁殖、生长。Bingham小心地将树木的根系根系用荧光粉色的带子系好进行标记,以便他下一次来的时候他依然可以找到他们。他每个月都会对树木的根系进行拍照,记录该区域海鞘群体的变化。 

然而有一天,当Bingham将小船停靠在岸边时,他发现一群潜水员正忙着打捞海鞘,将它们装进袋子里。

Bingham觉得很疑惑,当时知道加勒比海鞘 (Ecteinascidia turbinate)这种生物的人并不多,为何现在会有这么多人开始在红树林里搜集这种海鞘呢?

曲贝替定的诞生

上世纪五六十年代,美国国家癌症研究所进行了一系列的筛选项目,对植物以及海洋生物的生物活性进行筛选,而加勒比海鞘提取物的生物活性筛选也是该项目的一部分。

1969年,科学家首次发现加勒比海鞘的乙醇粗提物具有抗肿瘤活性。但由于当时条件的限制,海鞘素(ecteinascidins)的分离和结构鉴定还要等到很多年之后才完成。

1990年,伊利诺伊大学的KL Rinehart实验室从加勒比海鞘中分离出了六种海鞘素,而其中一种海鞘素曲贝替定的提取产率最高(0.0001%)。

曲贝替定

后续的研究发现曲贝替定作用机制比较独特。与紫杉醇以及艾日布林抑制微管的作用机制不同,曲贝替定能够通过结合DNA来阻止细胞分裂:两个稠合的四氢异喹啉环能够与DNA小沟的特定序列产生相互作用并与之产生共价结合,使DNA的双螺旋产生异常,并干扰TC-NER系统中XPG蛋白的正常功能,从而诱发DNA双链断裂并导致细胞死亡。

曲贝替定与DNA-XPG复合物结合

西班牙制药公司 PharmaMar 大约在1994年从伊利诺伊大学购买了曲贝替定的专利权。之后他们开始尝试从养殖的海鞘中提取曲贝替定。PharmaMar养殖了250吨的加勒比海鞘,但由于分离纯化过程复杂,这种提取方法的产率极低,每吨加勒比海鞘中只能提取不到一克的曲贝替定。

虽然产率极低,但临床前研究所需的曲贝替定并不多,因此从养殖的海鞘中提取曲贝替定也能够满足当时的需求。然而在1997年,由于PharmaMar决定将曲贝替定推进至临床研究,他们必须进行更大规模的海鞘养殖才能保证足够的化合物供应。

与此同时,Rinehart也在考虑如何进行化合物的全合成,因此他请求哈佛大学的化学家E. J. Corey 帮忙。

曲贝替定除了作用机制比较独特之外,其复杂的三围分子结构也一直让化学家们非常着迷。1994年Corey让他实验室的博士后David Gin尝试进行全合成研究。两年之后,Gin完成了这项工作。

Corey曾经说曲贝替定全合成的成功是一次壮举,而这项研究也使Gin在学术领域获得了无限荣耀。

该全合成策略1996年在JACS上发表。该合成路线将曲贝替定的化学结构分成四个片段,并利用曼尼希反应来构建该化合物的骨架结构。全部合成路线包括36步,总收率为0.72%。

曲贝替定逆合成路线分析

之后哈佛大学将全合成相关专利卖给了PharmaMar。对于PharmaMar来说,如果没有全合成的成功后续的临床开发将会变得极其困难。 

临床前动物模型实验显示曲贝替定具有广泛的抗肿瘤活性,尽管如此,研究人员当时也并没有在临床前研究阶段发现软组织肉瘤对曲贝替定的敏感性。而在临床I期研究中,研究人员发现软组织肉瘤患者在使用曲贝替定之后能够产生应答或者疾病稳定,临床II期研究也再一次确证了曲贝替定对于软组织肉瘤治疗的有效性。

但到了III期临床研究的时候,PharmaMar再一次面临了来自于化合物供应的压力。虽然Coley实验室所提供的全合成路线能够提供足够的药物以完成早期的临床开发,但该合成路线难以放大,即使是供应III期临床的需求也很困难,更不用提产品上市之后的工业化生产。因此当时的PharmaMar不得不去寻找其他药物合成方案。

1999年,PharmaMar的科学家Carmen Cuevas团队找到了一种高效的化合物合成方案。他们使用荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)的生物发酵生产抗生素safracin B,该分子拥有与海鞘素类似的稠环结构。

使用safracin B为起始原料能够很大程度上简化Corey合成路线。从safracin B出发,经过21步反应即可得到最终的产物曲贝替定,总收率为0.96%。

艰难的工业化生产

基于safracin B的半合成策略暂时解决了曲贝替定的放大合成过程中所遇到的障碍,为产品上市铺平了道路。

2007年曲贝替定 (Yondelis)获得欧盟批准用于治疗软组织肉瘤。软组织肉瘤发病率大约为1.28/10万-1.72/10万,占成人全部恶性肿瘤的0.73%- 0.81%,占小于15岁的儿童全部恶性肿瘤的6.5%。 

外科手术是软组织肉瘤唯一可获得根治的,最重要的治疗手段,但依然有为数众多的肉瘤患者需要进行化疗。比如病理高级别的软组织肉瘤患者,初诊时10%已发生了转移,而且即使肿瘤局部控制良好,术后仍有40% - 50%的患者会出现局部复发,大于50%的患者会发生远处转移。

曲贝替定的上市为那些蒽环类和IFO药物治疗失败的患者,以及不适合这些药物治疗的晚期软组织肉瘤患者提供了新的治疗选择。

2015年,曲贝替定获得了FDA批准上市,用于接受过蒽环类药物治疗的患有不可切除或转移脂肪肉瘤或平滑肌肉瘤患者的治疗。除了软组织肉瘤,曲贝替定也在欧洲,加拿大等地区获得了监管机构批准用于治疗铂类药物敏感的复发性卵巢癌。

尽管Cuevas团队在曲贝替定上市之前通过半合成策略暂时解决了产品放大合成的问题,但在产品上市之后曲贝替定的工业化生产依然面临很多障碍,依然存在包括质量控制在内的诸多尚未完善解决的技术难点。这也是导致曲贝替定上市之后其全年产量仍然维持在很低水平的重要原因。

除此之外,safracin B的发酵单位低,产品本身稳定性差,每吨发酵液只能提取数百克的safracin B,而且后续的半合成反应路线仍然超过20步,总体合成收率低于1%,因此该半合成策略也同样存在很大的优化空间。如何提高总收率,缩短反应路线,减少保护基以及n-Bu3SnH等有毒试剂的使用仍然是工业化生产探索过程中需要解决的问题。

曲贝替定的专利早已过期 (WO1987007610)。其实无论是软组织肉瘤还是卵巢癌,曲贝替定在全球范围内都有着很大的市场。但对于这样一种化学结构极其复杂的药物而言,即使是原研公司工业化生产都仍然存在诸多障碍,因此有能力克服重重困难,完成药物工业化生产的制药公司并不多。

博瑞生物医药是全球范围内极少数的几家在该领域进行探索并克服工业化生产障碍的制药公司,并将于近期递交曲贝替定的DMF (drug master file)。

很多来源于海洋的天然产物具有非常新颖的化学结构和独特的药理作用机制,但通过天然产物的提取分离来获得用于药物开发过程所需的化合物往往非常低效。对于这些结构复杂的天然产物而言,化合物的全合成或半合成很有可能成为制约相关药物研发的一个很关键的因素。 

但对于结构复杂的药物来说,即使打通全合成路线,药品上市之后的工业化生产往往也需要克服非常多的技术障碍。能够完成结构如此复杂的药物的工业化生产,对于制药公司而言绝非易事。

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