脂肪酶催化藥物合成的研究進(jìn)展

脂肪酶(Lipase，EC3.1.1.3)可以水解三酸甘油酯產(chǎn)生脂肪酸、單甘油酯、雙甘油酯及甘油，在有機(jī)溶劑(包括超臨界流體)中，亦可催化逆水解反應(yīng)，例如酯化、交酯化、氨解、交流酯化及肽解等反應(yīng)。脂肪酶已廣泛應(yīng)用于食品、造紙、皮革、洗滌劑、化工材料和醫(yī)藥合成等諸多領(lǐng)域，其中，藥物合成一直是脂肪酶研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

目前，臨床上超過(guò)60%的常用藥物為手性藥物。通常的化學(xué)工藝對(duì)手性分子的合成并不理想，存在反應(yīng)路徑長(zhǎng)、重金屬催化劑殘留和收率低等缺點(diǎn)；而脂肪酶對(duì)底物具有高度的立體選擇性，只需單步反應(yīng)就可以高效率地制備出手性產(chǎn)物，這使得脂肪酶在光學(xué)純化合物制備和藥物手性轉(zhuǎn)換中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。非水酶學(xué)的建立和發(fā)展，使脂肪酶的這種特性在手性藥物及其中間體合成中的地位更加突出。

同時(shí)，脂肪酶作為生物催化劑具有高度的區(qū)域選擇性，特別適合于一般化學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的多功能化合物的合成，能很好地避免多取代產(chǎn)物等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。脂肪酶催化反應(yīng)除具有高度的立體選擇性和區(qū)域選擇性、副反應(yīng)少等特點(diǎn)外，還具有催化反應(yīng)條件溫和、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)越性，可以保證產(chǎn)物的光學(xué)純度和收率。脂肪酶作為生物催化劑，為化學(xué)過(guò)程提供了更為清潔和高效的途徑。

近年來(lái)，研究人員通過(guò)新脂肪酶的篩選、酶固定化、反應(yīng)介質(zhì)的改變、酰基供體的選擇和反應(yīng)條件(如溫度、水活度、底物摩爾比例和真空氣壓等)的優(yōu)化，構(gòu)建了許多脂肪酶催化藥物合成的優(yōu)化工藝，脂肪酶在藥物合成領(lǐng)域的研究得到不斷拓展和創(chuàng)新。作者在此對(duì)近5年來(lái)脂肪酶催化合成抗炎鎮(zhèn)痛藥物、抗抑郁藥物、抗菌藥物、抗腫瘤藥物、維生素類(lèi)藥物及其中間體的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 脂肪酶催化合成抗炎鎮(zhèn)痛藥物

非甾體類(lèi)抗炎鎮(zhèn)痛藥物(Nonsteroidal antiinflammatory drugs,NSAIDs)是一類(lèi)具有解熱、鎮(zhèn)痛、抗炎、抗風(fēng)濕和血小板聚集作用的藥物，主要用于治療多種疾病引起的持續(xù)性發(fā)炎、疼痛和發(fā)燒[1]。此類(lèi)藥物大多因手性中心的存在而具有對(duì)映體，比如萘普生、酮洛芬、布洛芬和氟比洛芬等。最近研究人員利用脂肪酶在手性藥物拆分中具有的優(yōu)勢(shì)，對(duì)合成這四種藥物的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了較好的結(jié)果。

1.1 脂肪酶催化合成(S)-萘普生

萘普生[(+)α-甲基-6-甲氧基-2-萘乙酸]是世界上應(yīng)用最多的非甾體類(lèi)抗炎鎮(zhèn)痛藥物。臨床研究表明，(S)-萘普生的生理活性是其對(duì)映體的28倍，并作為單一對(duì)映體藥物用于人體。在有機(jī)溶劑中水解(R,S)-萘普生甲酯是合成(S)-萘普生的理想途徑(圖1)。

圖1 立體選擇性水解(R,S)-萘普生甲酯

Salgin等[2]用皺褶假絲酵母脂肪酶(CRL)在超臨界二氧化碳存在下的含水緩沖溶液/異辛烷反應(yīng)體系中立體選擇性水解消旋萘普生甲酯。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)映體比率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，對(duì)映體選擇率(E)為236，轉(zhuǎn)化率(x)為41.6%，產(chǎn)物對(duì)映體過(guò)剩值(eep)為98.2%,底物對(duì)映體過(guò)剩值(ees)為70.0%。在超臨界二氧化碳中選擇合適的反應(yīng)體系和實(shí)驗(yàn)條件，產(chǎn)物對(duì)映體過(guò)剩值、對(duì)映體比率、轉(zhuǎn)化率、酶活性和穩(wěn)定性均能達(dá)到較好的水平。Takac等[3]研究了在水-有機(jī)二相體系中催化水解消旋萘普生甲酯合成(S)-萘普生的一系列參數(shù)對(duì)CRL立體選擇性的影響，并獲得了(S)-萘普生的最高對(duì)映體比率，E為171.1，x為49.8%,eep為95.7%。Sahin等[4]比較了不同類(lèi)型添加劑對(duì)包裹在四乙氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷中的CRL的立體選擇性的影響。結(jié)果顯示，加入氨基杯[4,6]芳烴和羧基杯[6]芳烴添加劑的包裹脂肪酶與不加添加劑的包裹脂肪酶相比具有更高的轉(zhuǎn)化率和立體選擇性。因此，選擇適宜的添加劑對(duì)脂肪酶的立體選擇性具有重要的影響。Kwon等[5]對(duì)南極假絲酵母脂肪酶B(CALB)催化的消旋萘普生酯交換反應(yīng)在真空、水、己烷和超臨界二氧化碳中的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，CALB-(S)-萘普生復(fù)合物的氫鍵比CALB-(R)-萘普生復(fù)合物的氫鍵更加穩(wěn)定，此外，與普通條件下相比，在超臨界條件下可在更短的反應(yīng)時(shí)間里具有最小能量值，得到更高的產(chǎn)率。

1.2 脂肪酶催化合成(S)-酮洛芬

酮洛芬(α-甲基-3-苯甲酰基-苯乙酸)的羧基α-碳是手性中心，存在(R)-和(S)-對(duì)映體。然而，(S)-酮洛芬和(R)-酮洛芬卻顯示了不同的藥理活性[6]。(S)-對(duì)映體可用于減緩炎癥和減輕疼痛，而(R)-對(duì)映體活性很低，甚至在有些情況下，還有不必要的生理副作用和毒性。

最近，Long等[7]克隆了粘質(zhì)沙雷菌ECU1010的一種脂肪酶，并在大腸桿菌中表達(dá)，這種重組脂肪酶能立體選擇性水解(R,S)-酮洛芬酯合成(S)-酮洛芬(圖2)，eep達(dá)到91.6%，E達(dá)到63，x高達(dá)48.2%。重組脂肪酶也表現(xiàn)了很高的立體選擇性，這為得到具有更高活性的脂肪酶提供了另外一條途徑。

圖2 立體選擇性水解(R,S)-酮洛芬酯

Wu等[8]在用大孔丙烯酸樹(shù)脂吸附的南極假絲酵母脂肪酶催化水解酮洛芬乙酯的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)45℃下這種酶制劑在強(qiáng)酸環(huán)境(pH值1.0)比在中性環(huán)境中水解酮洛芬乙酯顯示了更高的對(duì)映選擇性。這是由于在強(qiáng)酸環(huán)境下，酶構(gòu)象的改變提高了其立體選擇性。Ong等[9]將CALB于酶膜反應(yīng)器中固定，與游離CALB相比，固定化CALB降低了對(duì)映分離(R,S)-酮洛芬的酶量，eep和E分別提高到87.8%和27。

1.3 脂肪酶催化合成(S)-布洛芬

布洛芬[2-(4-異丁基苯基)丙酸]是常用的非甾體類(lèi)抗炎鎮(zhèn)痛藥物，廣泛用于治療頭痛和輕微的疼痛。消旋布洛芬的兩個(gè)對(duì)映體只有(S)-對(duì)映體具有抗炎的特性[10]。有報(bào)道稱(chēng)(S)-布洛芬酸的鎮(zhèn)痛作用是(R)-對(duì)映體的160多倍，(R)-布洛芬不僅沒(méi)有活性并且還可能引起副作用[11]。

為了合成光學(xué)純的(S)-布洛芬，很多研究者對(duì)脂肪酶催化消旋布洛芬的酯交換反應(yīng)進(jìn)行了研究。Wang等[12]在親水醋酸纖維素/疏水聚四氟乙烯薄膜復(fù)合材料中設(shè)計(jì)了一種特殊的微結(jié)構(gòu)作為脂肪酶的載體，手性拆分消旋布洛芬，產(chǎn)物對(duì)映體過(guò)剩值和對(duì)映體選擇率均比自由脂肪酶催化體系顯著提高，這種固定化載體改善了脂肪酶的立體選擇性和穩(wěn)定性。Gottemukkala等[13]研究了溶劑十八烷烴的側(cè)鏈甲基位置和水活度對(duì)CRL催化布洛芬酯交換的對(duì)映選擇性的影響(圖3)。結(jié)果顯示， CRL在40℃下水活度為0.73的異辛烷中，催化反應(yīng)達(dá)到最好的效果，起始反應(yīng)速率和對(duì)映選擇性均較好。

圖3 皺褶假絲酵母脂肪酶動(dòng)力學(xué)拆分(R,S)-布洛芬

Foresti等[14]利用商業(yè)脂肪酶Novozym 435，在無(wú)其它溶劑存在條件下催化(R,S)-布洛芬和乙醇的酯交換反應(yīng)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分子模型進(jìn)行深入的計(jì)算分析。在最佳反應(yīng)條件下，產(chǎn)物對(duì)映體過(guò)剩值達(dá)到54%，布洛芬轉(zhuǎn)化率達(dá)到63%。Liu等[15]在0.1 mol·L-1磷酸緩沖溶液(pH值8)中，用來(lái)自子囊菌酵母的胞外脂肪酶LIP催化水解(S)-布洛芬酯，得到了高純度的(S)-布洛芬，ee達(dá)到98%。

1.4 脂肪酶催化合成(S)-氟比洛芬

與當(dāng)前使用的大多數(shù)芳基丙酸類(lèi)NSAIDs相比，氟比洛芬[2-(2-氟-4-聯(lián)苯)-丙酸]是以R(-)-體和S(+)-體的混合形式被人體吸收的。越來(lái)越多的研究表明，R(-)-氟比洛芬和S(+)-氟比洛芬具有不同的藥理學(xué)活性。

Shin等[16，17]用脂肪酶催化合成光學(xué)純的(S)-氟比洛芬，獲得了極高的ee(98%)和x(48%)。Bae等[18]用來(lái)自粘質(zhì)沙雷菌ES-2的脂肪酶立體選擇性水解(R,S)-氟比洛芬乙酯合成(S)-氟比洛芬(圖4)。反應(yīng)24 h后，在獲得較高轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，ee、x和E分別高達(dá)98.5%、45.1%和332，顯示該酶在合成(S)-氟比洛芬方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖4 立體選擇性水解(R,S)-氟比洛芬乙酯

2 脂肪酶合成抗抑郁藥物及其中間體

達(dá)泊西汀、氟西汀、度洛西汀和西酞普蘭是治療抑郁癥的臨床常用藥,它們均因具有手性中心而存在(S)-對(duì)映體和(R)-對(duì)映體，進(jìn)而具有不同藥理和生理學(xué)活性,其結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖5。

圖5 抗抑郁藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)

Torre等[19]用南極假絲酵母脂肪酶A(CALA)拆分3-氨基-3-苯基-1-丙醇(化合物Ⅰ)，得到了合成(S)-達(dá)泊西汀的重要中間體N-(O-3-丁基二甲硅烷基-3-羥基-1-苯丙基)甲氧基乙酰胺(圖6)，合成的(S)-達(dá)泊西汀有較高的產(chǎn)率(72%)和ee(93%)。

圖6 由3-氨基-3-苯基-1-丙醇合成(S)-達(dá)泊西汀

Chaubey等[20]研究證實(shí)固定化的節(jié)桿菌屬螺菌脂肪酶(ABL)在動(dòng)力學(xué)拆分氟西汀中間體時(shí)具有極好的特性。在固定化酶催化反應(yīng)中，轉(zhuǎn)化率、對(duì)映體過(guò)剩值和對(duì)映選擇性等均顯著提高。Kamal等[21]研究了固定化洋蔥假單胞桿菌脂肪酶催化γ-疊氮醇類(lèi)乙酸鹽的水解和醇解反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)拆分得到的對(duì)映純?chǔ)?疊氮醇類(lèi)，可以用于抗抑郁藥(S)-氟西汀和(S)-度洛西汀的合成。Wang等[22，23]在以乙酰乙烯酯為酰基供體的無(wú)溶劑體系中，研究了固定化南極假絲酵母脂肪酶B催化拆分S-4-[(4-二甲氨基)-1-(4-氟苯)-1-羥基-1-丁基]-3-羥甲基-苯基腈(西酞普蘭中間體)的動(dòng)力學(xué)模型，(S)-二醇的純度達(dá)到99.5%，產(chǎn)率達(dá)到86.2%(圖7)。

圖7 脂肪酶催化二醇和乙酰乙烯酯的不對(duì)稱(chēng)酯交換反應(yīng)

3 脂肪酶催化合成抗菌藥物及其中間體

甲霜林[N-(2,6-二甲苯基)-N-2-(甲氧乙酰基)丙氨酸甲酯]是丙氨酰胺的一種，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明其具有很好的殺菌活性，并且沒(méi)有毒副作用[24]。然而只有(R)-甲霜林具有殺菌活性[25]。Park等[26]用固定在丁基纖維素上的洋蔥假單胞桿菌脂肪酶高效合成了殺菌劑(R)-甲霜林的重要中間體2-甲氧乙基-(R)-N-(2,6-二甲苯基)丙氨酸[(R)-2]，獲得了較高的產(chǎn)率(34%)和ee(96%)(圖8)。

圖8 脂肪酶催化外消旋酯水解

圖9 固定化脂肪酶合成唑烷酮類(lèi)抗菌藥物中間體

辣椒辣素(反-8-甲基-N-香草基-6-壬酰胺)及其類(lèi)似物是辣椒中辣椒素一類(lèi)的化合物，其中已有很多作為藥物應(yīng)用于臨床。酶催化合成辣椒辣素類(lèi)似物也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。N-香草壬酰胺(VAN)是辣椒辣素的取代物，和辣椒辣素具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和藥理作用，能抑制細(xì)菌的繁殖[28]。Liu[29]在超臨界二氧化碳中用脂肪酶催化鹽酸香蘭素胺成功合成N-香草壬酰胺，產(chǎn)率很高(圖10)。研究發(fā)現(xiàn),N-香草壬酰胺具有抗大腸桿菌的性能，可以作為食品防腐的潛在抗菌藥物。

圖10 超臨界二氧化碳中脂肪酶催化合成N-香草壬酰胺

穿心蓮內(nèi)酯是草藥穿心蓮的主要活性成分，具有抗菌活性[30]，多年來(lái)被廣泛用于治療多種疾病，比如細(xì)菌和病毒感染。Chen等[31]將洋蔥伯霍爾德桿菌脂肪酶固定化后在丙酮中催化穿心蓮內(nèi)酯制備14-乙酰基穿心蓮內(nèi)酯，產(chǎn)率達(dá)到95%(圖11)。為在非水介質(zhì)體系中脂肪酶催化穿心蓮內(nèi)酯獲得更多的穿心蓮內(nèi)酯類(lèi)似物提供了良好的啟示。

圖11 脂肪酶在丙酮中催化穿心蓮內(nèi)酯與乙酸乙烯酯的區(qū)域選擇性酰化

4 脂肪酶催化合成抗腫瘤藥物

6-氮尿苷和5-氟尿苷因具有細(xì)胞毒性，可以用于治療結(jié)腸癌、直腸癌、白血病等。通過(guò)合成各種6-氮尿苷和5-氟尿苷衍生物，可以克服藥物的不良理化性質(zhì)，并降低其毒副作用。比如5′-O-酰基-6-氮尿苷和5′-O-酰基-5-氟尿苷衍生物的抗腫瘤活性都比自身高，且降低了化療時(shí)的毒副作用[32，33]。但傳統(tǒng)化學(xué)合成方法的區(qū)域選擇性差，所以合成得到的大部分都是酰化混合物。

近年來(lái)，研究者選擇脂肪酶合成了一系列6-氮尿苷和5-氟尿苷的單一酰化衍生物，產(chǎn)率較高。Wang等[34，35]和Zong等[36]首次分別利用CALB和嗜熱棉毛菌脂肪酶高效區(qū)域選擇性酰化合成6-氮尿苷的5′-O-單酯(圖12)。研究表明，選擇不同類(lèi)型的酰基供體，對(duì)CALB和嗜熱棉毛菌脂肪酶的活性具有重要的影響，以乙酸乙烯酯作為酰基供體時(shí)反應(yīng)速率、底物轉(zhuǎn)化率和區(qū)域選擇性都很高。

Zinni等[37]利用CALB的區(qū)域選擇性醇解合成了一系列新的2′,3′-6-氮尿苷雙酰化衍生物，產(chǎn)率均較高，合成的親水和親脂性衍生物可以用作6-氮尿苷的前藥。Wang等[38]以月桂酸乙烯酯為酰化試劑，用嗜熱棉毛菌脂肪酶Lipozyme TL IM選擇性合成了5-氟尿苷酯的衍生物5′-O-酰基-5-氟尿苷，其抗腫瘤效果比5-氟尿苷更好。研究了水活度、底物摩爾比、反應(yīng)溫度和攪拌速度對(duì)反應(yīng)的影響，在最適反應(yīng)條件下反應(yīng)6 h，底物轉(zhuǎn)化率達(dá)到94.8%，選擇性超過(guò)99%。由于氟尿苷存在一級(jí)羥基基團(tuán)5′-OH和二級(jí)羥基基團(tuán)3′-OH，兩者成酯后都會(huì)對(duì)抗腫瘤效果有影響。Xia等[39]根據(jù)脂肪酶的區(qū)域選擇性，用CALB在乙腈中合成了5′-O-酰基-5-氟尿苷衍生物，用來(lái)自洋蔥假單胞菌的固定化脂肪酶(PSL-C)在四氫呋喃中合成了3′-O-酰基-5-氟尿苷衍生物，兩種酶的選擇性和催化產(chǎn)率均很高。

5 脂肪酶催化合成維生素類(lèi)藥物

維生素是一類(lèi)具有生物活性的低分子有機(jī)物，是人體進(jìn)行正常物質(zhì)代謝、維持正常生理功能所必不可少的類(lèi)活性藥物。如果長(zhǎng)期缺乏某種維生素，就會(huì)引起人體生理機(jī)能障礙。

將維生素酯化合成維生素酯類(lèi)衍生物不僅能得到更多的維生素類(lèi)藥物，還能克服維生素自身存在的缺點(diǎn)。Yin等[40]用固定化假絲酵母脂肪酶催化維生素A醋酸酯和棕櫚酸反應(yīng)合成維生素A棕櫚酸酯。研究了脂肪酶種類(lèi)、底物摩爾比、反應(yīng)溫度和水活度等因素對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，25℃下在己烷中，維生素A醋酸酯和棕櫚酸的摩爾比為1∶3，以100 mg 固定化假絲酵母脂肪酶催化反應(yīng)12 h，維生素A棕櫚酸酯的產(chǎn)率達(dá)到81%。Zhang等[41，42]用南極假絲酵母脂肪酶B(Novozyme 435)區(qū)域選擇性催化酯交換反應(yīng)合成了維生素B6單酯5-O-乙酰吡哆醇(5-AcPN)(圖13)。

圖13 吡哆醇的酯交換反應(yīng)

在酯交換反應(yīng)中，不同的酰基供體不僅影響著反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，而且也影響到區(qū)域選擇性。Zhang等對(duì)影響反應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,在乙腈中，醋酸乙烯酯作為酰基供體，南極假絲酵母脂肪酶B(Novozyme 435)催化合成5-O-乙酰吡哆醇(5-AcPN)的最大轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%，區(qū)域選擇性達(dá)到93%。Bai等[43]也對(duì)該反應(yīng)的影響參數(shù)進(jìn)行了研究，得到了與Zhang等類(lèi)似的結(jié)果。

維生素 E 經(jīng)酯化修飾轉(zhuǎn)化成其衍生物形態(tài),可改善其穩(wěn)定性、水溶性和表面活性等。Torres等[44]首次用酶催化維生素E的酰化反應(yīng)。在2-甲基-2-丁烯(2M2B)中，分別用吸附于離子交換樹(shù)脂、生物可降解聚合物聚乙交酯和聚丙烯上的南極假絲酵母脂肪酶B，催化醋酸乙烯酯與維生素E進(jìn)行酯交換反應(yīng)，結(jié)果顯示吸附于離子交換樹(shù)脂的南極假絲酵母脂肪酶B(Novozym 435)催化效果最好。

6 展望

作為應(yīng)用最為廣泛的生物催化劑之一的脂肪酶，近年來(lái)在藥物及藥物中間體合成領(lǐng)域的研究熱度仍持續(xù)升高。但是，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多問(wèn)題需要解決，如脂肪酶的種類(lèi)不夠豐富、酶活性不穩(wěn)定、回收困難、成本昂貴、固有的最大動(dòng)力學(xué)拆分效率只能達(dá)到50%等，這些因素在一定程度上限制了脂肪酶的應(yīng)用范圍，因而成為研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

隨著基因工程技術(shù)、蛋白質(zhì)工程技術(shù)和發(fā)酵工程技術(shù)的飛速發(fā)展并日趨成熟，輔以酶工程、底物工程和介質(zhì)工程等技術(shù)手段的交叉引入，為脂肪酶的研究提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和空間，在降低脂肪酶成本的同時(shí)，脂肪酶的穩(wěn)定性、活性和選擇性進(jìn)一步提高，反應(yīng)機(jī)理也更加明確。更多新型的脂肪酶獲得了成功應(yīng)用，新的脂肪酶催化藥物合成工藝也不斷地被成功構(gòu)建和優(yōu)化。可以預(yù)測(cè)，隨著研究工作者的不斷努力，脂肪酶在藥物合成領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加深入、系統(tǒng)，同時(shí)，脂肪酶的應(yīng)用領(lǐng)域必將進(jìn)一步擴(kuò)大并在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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