高水溶性鉑類抗腫瘤藥物的設計與合成

張啟飛 魯彥會 劉朋興 王松青 高清志

天津大學藥物科學與技術學院 天津市現代藥物傳遞及功能高效化重點實驗室，天津 300072

鉑類抗癌藥是腫瘤治療領域具有代表性的一類藥物。目前世界上廣泛應用于臨床治療的具有代表性的鉑類抗癌藥主要有順鉑、卡鉑和奧沙利鉑[1-2]。自1978年美國FDA批準順鉑作為抗腫瘤藥上市以來對它的作用機制的研究已經非常透徹，這也帶動了鉑類有機金屬化合物在腫瘤醫學領域的應用和發展，為設計和開發具有新的分子結構的鉑類抗腫瘤藥物奠定了基礎[3]。

鉑類抗癌藥物的致命缺點是具有極強的毒副作用以及固有的和后續形成的耐藥性問題。另外由于此類藥物是金屬有機化合物，所有鉑類上市藥物普遍存在水溶性極低的特性，給藥品制劑的穩定性和臨床應用帶來了很多的不利影響，比如很難把這些難溶性藥物順利地配制成一種方便合適的劑型。繼順鉑之后開發成功的卡鉑（美國BMS開發）由于從結構上降低了藥物對DNA的反應性，臨床應用近年逐步擴大，有取代順鉑各種臨床應用的趨勢。但是，卡鉑并沒有從根本上解決順鉑存在的耐藥性問題，也沒有從根本上改變藥物的水溶性問題，很難避免藥物存在的致命缺點：嚴重的腎毒性副作用以及臨床制劑的穩定性問題[4]。奧沙利鉑雖然在某種程度上降低了順鉑和卡鉑存在的耐藥性問題，但其在針對多種腫瘤的臨床應用中并沒有超越順鉑和卡鉑的治療效果，也沒有從根本上解決鉑類藥物極強的毒副作用和極低的水溶性問題。鉑類藥物的水溶性不僅直接關系到藥物的制劑工藝和臨床應用，還直接影響到鉑類藥物的藥效學及毒理特征。增加藥物的水溶性一方面可以延緩藥物被水解的速度，提高半衰期，另一方面水溶性高的鉑類化合物可以有效地被腎臟排出，減少此類藥物對腎臟的毒副作用[5]。本文采用糖分子偶聯方法設計與合成了具有極高水溶性的新型鉑類抗腫瘤化合物，其水溶性與順鉑相比提高了600 倍并在初步的動物模型抗腫瘤試驗中顯示了優于順鉑和卡鉑的藥效以及藥物安全性。

1 目標化合物的設計及合成路線

1.1 目標化合物的設計

本文選用常見的葡萄糖作為載體，通過1-位活潑的羥基連接側鏈后，再與丙二酸鉑環己二胺絡合物進行偶聯得到含糖分子結構的鉑類抗腫瘤化合物（圖1）。利用糖分子結構的高水溶性特點提高鉑類化合物的溶解度，進而實現降低藥物毒副作用的目的。

1.2 目標化合物的合成路線

本文所采用的制備方法是將鹵代醇先與葡萄糖在路易斯酸存在下進行縮合，然后進行與丙二酸酯衍生物的取代反應，接下來進行水解，最后在堿性條件下與環己二胺硫酸鉑絡合物進行反應得到目標化合物。合成路線見圖2。本制備路線中涉及在路易斯酸存在下的葡萄糖苷合成反應、葡萄糖的乙酰化、丙二酸酯的2-位取代反應以及最后的脫保護反應[6-7]。

2 合成方法及結果

核磁共振氫譜用德國Brucker AC-400 型核磁共振波譜儀測定。質譜采用Agilent 6310 Ion Trap LC/MS液質聯用儀測定。

2.1 1-O-D-葡萄糖苷-2-溴-乙烷的制備

在室溫條件下將葡萄糖（2.7 g）加入到2-溴乙醇（10 mL）中，冷卻到0℃后用氮氣置換燒瓶內空氣，在氮氣保護下慢慢滴加三氟化硼的乙醚溶液（98%，1 mL）。將反應液在0℃攪拌15min，然后慢慢升溫到室溫并攪拌30 min，然后將反應液加熱到80℃，在80℃反應5h。反應完成后，旋蒸除去溶劑，使用硅膠柱色譜（二氯甲烷∶甲醇=6∶1）對反應生成物實施簡單純化，得到粗產品 2.3 g。 質譜：MS，m/z：287.23[M+1]+。

2.2 1-O-（2，3，4，6-四乙酰基-D-葡萄糖苷）-2-溴-乙烷的制備[7-8]

在室溫條件下，將“2.1”項下反應得到的產品1-O-D-葡萄糖苷-2-溴-乙烷2.3 g溶解于吡啶與乙酸酐 （7 mL∶7 mL）中，攪拌過夜，用薄層色譜法（TLC）監測反應終點。反應完成后，加入100 mL乙酸乙酯，用體積濃度為5%的鹽酸水溶液（25mL，2 次）洗滌，將水相用乙酸乙酯（25mL，2 次）萃取，合并有機相。將有機相依次用飽和氯化銨水溶液（100 mL，1次），蒸餾水（100 mL，1 次），飽和碳酸氫鈉水溶液（100 mL，1 次），飽和氯化鈉水溶液（100 mL，1次）洗滌，用無水硫酸鈉干燥。用旋轉蒸發儀將溶劑蒸干，得到微黃色粗產品。得到的粗產品經硅膠柱色譜純化（石油醚∶乙酸乙酯=3∶1），得到無色油狀目的產物 3.5g，兩步收率為 51.3%。1H-NMR（400 MHz，CDCl3），δ 5.45（1H，t，J=9.6 Hz），5.15（1H，d，J=4 Hz），5.02（1H，t，J=9.6 Hz），4.80～4.83 （1H，m），4.19～4.23 （1H，m），4.04～4.15（2H，m），3.92～4.00（1H，m），3.75～3.85（1H，m），3.49（2H，t，J=6 Hz），1.91～2.11（12H，m）。 質譜：MS，m/z：455.15[M+1]+

2.3 1-O-（2，3，4，6-四乙酰基-D-葡萄糖苷）-丙烷-3，3-二甲酸二乙酯的制備[9-10]

將“2.2”項下反應得到的產品 1-O-（2，3，4，6-四乙酰基-D-葡萄糖苷）-2-溴-乙烷（2.5g）溶解于 5mL 干燥的 N，N-二甲基甲酰胺中，向反應液中加入碳酸鉀（3 g）及丙二酸二乙酯（1.76 g），室溫攪拌過夜。用TLC監測反應終點，待反應完成后，向反應液中加入100 mL乙酸乙酯，然后用飽和氯化銨水溶液（50 mL，1次）洗滌，將水相用乙酸乙酯萃取（25mL，2次），合并有機相。將有機相依次用飽和氯化銨水溶液（100 mL，1 次），蒸餾水（100 mL，1 次），飽和氯化鈉溶液（100 mL，1次）洗滌，然后用無水硫酸鈉干燥，用旋轉蒸發儀將溶劑蒸干，得到的淡黃色油狀物用硅膠柱色譜純化（石油醚∶乙酸乙酯=3∶1），得到無色透明油狀目的產物2.6 g，收率為88.5%。1H-NMR（400 MHz，CDCl3），δ 5.42（1H，t，J=9.6 Hz），4.96～5.10（2H，m），4.78～4.90（1H，m），4.03～4.33（5H，m），3.92～4.02（1H，m），3.71～3.87（1H，m），3.71～3.87（1H，m），3.55（1H，t，J=8 Hz），3.40～3.50（1H，m），2.13～2.28（2H，m），1.94～2.14（12H，m），1.15～1.35（6H，m）。 質譜：MS，m/z：535.34[M+1]+

2.4 1-O-D-葡萄糖苷-丙烷-3，3-二甲酸的制備[11-12]

將 1-O-（2，3，4，6-四乙酰基-D-葡萄糖苷）-丙烷-3，3-二甲酸二乙酯（2.6 g，）溶解于5mL甲醇中。將氫氧化鈉（1.6 g）溶解于10 mL水中，室溫下加入到反應液中，然后升溫至60℃反應24 h。用TLC監測反應終點。待反應完成后，用旋轉蒸發儀除去甲醇，使用強酸性陽離子交換樹脂處理產品。將過濾得到的水溶液用冷凍干燥機干燥后得到無色黏稠狀液體1.3 g，粗產品直接用于下步反應。質譜：MS，m/z：311.25[M+1]+。

2.5 順-[反式-（1R，2R）-二氨基環己烷]鉑（Ⅱ）（1-O-D-葡萄糖苷-丙烷-3，3-二甲酸酯）的制備[13-14]

將 1-O-D-葡萄糖苷-丙烷-3，3-二甲酸粗產品（1.3 g）溶解于15mL水中，加入八水合氫氧化鋇1.3 g，在氮氣保護下將環己二胺硫酸鉑（1.7 g）溶解于2 mL水中，加入到上述反應液中，反應在室溫避光攪拌過夜。待反應完成后，使用離心機除去沉淀，收集上清液，使用冷凍干燥機凍干，用半制備高壓液相色譜分離得到1.5g最終產品，兩步反應總收率為51.9%，白色固體。1H-NMR（400 MHz，D2O），δ 4.80（0.8H，d，J=3.6 Hz），4.25（0.2H，d，J=7.2 Hz），4.18（1H，m），3.12～3.90（8H，m），2.30～2.45（2H，m），2.20～2.30（2H，m），1.82～1.96（2H，m），1.44（2H，d，J=9.6 Hz），1.15～1.24（2H，m），0.95～1.15（2H，m），質譜：MS，m/z：618.36[M+1]+。

2.6 水中飽和溶液溶質質量測定結果

為了比較本研究中糖分子偶聯后鉑類抗腫瘤化合物與上市藥物順鉑、卡鉑以及奧沙利鉑在水溶性方面的不同，本研究分別針對所取得的化合物以及上述3 種上市藥物進行了室溫下藥物的在水中飽和溶液溶質質量測定。

結果表明，本研究中糖分子偶聯后鉑類抗腫瘤化合物在水中的溶解度大于600 mg/mL，與最具代表性的臨床藥物順鉑（1 mg/mL）、卡鉑（17 mg/mL）以及奧沙利鉑（6 mg/mL）相比其水溶性得到了非常顯著的提高。根據筆者的文獻調查，取得具有如此高水溶性的有機鉑類抗腫瘤化合物，本研究屬于首次。

2.7 糖分子偶聯鉑配合物動物模型抗腫瘤藥效實驗結果

在下述試驗中，試驗用動物為8～9周齡的雌性CDF1 種鼠，動物體重為20～25g。用L1210 細胞（每只動物約105個細胞）由腹膜內接種，本研究所得化合物以及臨床藥物順鉑以及卡鉑在動物模型抗腫瘤試驗中的藥效結果見表1。對于本研究中取得的糖分子偶聯鉑類抗腫瘤化合物和卡鉑，使用5%甘露糖醇水溶液（V/V），對于順鉑則使用5%甘露糖醇生理鹽水溶液（V/V）。在腫瘤細胞移植后第1、4 天經由腹腔內注射藥物，每組實驗動物數目為6。

動物壽命延長（ILS）的計算方法如下：

ILS（%）=[（St/Su）-1]×100%

其中，St=接受治療的動物存活日的加權中間數；Su=未接受治療的動物存活日的加權中間數。

表1 糖分子偶聯鉑配合物動物模型抗腫瘤藥效實驗結果

表1 結果顯示，本研究中所取得的高水溶性糖分子偶聯鉑類抗腫瘤化合物在上述動物試驗中取得了安全性和抗腫瘤藥效均優于臨床藥物順鉑和卡鉑的結果。本研究化合物最小劑量組（50.0 mg/kg，相當于0.08 mmol金屬鉑）與卡鉑最大劑量組（80.0 mg/kg，相當于0.20 mmol金屬鉑）以及順鉑最大劑量組（5.0 mg/kg，相當于0.02 mmol金屬鉑）比較，藥效均顯著。在藥物的安全性方面，本研究初步實驗結果顯示，本文所制得化合物不論在動物體重變化以及第42 天動物殘存數量上都優于臨床藥物順鉑和卡鉑。

3 討論

本研究為了設計與合成具有高水溶性的鉑類抗腫瘤藥物，通過在丙二酸鉑結構中偶聯糖分子設計出目標化合物并合成取得水溶性抗腫瘤藥物。結果得到了迄今水溶性最好的金屬鉑類抗腫瘤化合物，其動物模型抗腫瘤活性和安全性均優于順鉑和卡鉑。提示通過糖分子偶聯設計取得的新型鉑類抗腫瘤藥物能夠解決一般鉑類藥物的低水溶性問題，經初步動物模型抗腫瘤藥效實驗證明該類藥物具有理想的抗腫瘤效果。

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