作者:叶新山等 来源:《自然-合成》 发布时间:2023/11/3 10:40:11
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复杂药用植物多糖合成及抗肿瘤活性

 

2023年11月2日,北京大学天然药物及仿生药物全国重点实验室叶新山团队在Nature Synthesis期刊上在线发表了题为《中药三七中高度分枝的阿拉伯半乳聚糖多达140糖的合成及其抗胰腺癌活性》(Synthesis of branched arabinogalactans up to a 140-mer from Panax notoginseng and their anti-pancreatic cancer activity)的研究论文,报道了药用植物多糖研究领域中的一项重要进展。该团队采用基于糖基供体预活化的高效合成策略,成功合成了具有高度分枝化结构的三七多糖RN1,并且构建了三七多糖片段化合物库,最终发现了具有抗胰腺癌活性的先导化合物。

北京大学药学院博士生秦贤进为该研究论文的第一作者,叶新山教授为论文的通讯作者。

多糖是传统中药的重要活性成分之一,近年来引起人们的兴趣和关注。已有研究表明,多糖具有多种重要的生物活性,包括抗病毒、抗氧化、抗肿瘤和免疫调节等功能。三七多糖RN1是从中药三七中分离得到的活性成分,已有实验证明其具有抗胰腺癌活性;但三七多糖RN1含量有限,分离纯化过程繁琐,提取效率低下,而且其化学结构不够清晰均一,因此很难通过提取方式获得结构明确均一的三七多糖,这使得中药多糖的进一步研究和开发受到极大的限制。通过合成手段获得结构均一的三七多糖成为深入研究多糖的功能并进一步探索其构效关系的关键。

图1:RN1分子结构示意图。

RN1分子为高度分枝化多糖,由140个单糖单元组成,包含28条支链,分子尺寸庞大,其化学全合成挑战极大(图1)。叶新山团队采用基于糖基供体预活化的聚糖组装策略,对RN1分子进行逆合成分析(图2):通过在糖环2号位引入苯甲酰基(Bz)保护基,以控制140根糖苷键的立体构型,并通过设计一系列保护基(如苄基、苄叉、叔丁基二甲基硅基)来提高糖基化反应的偶联效率。从半乳糖β-1,6-糖苷键处切断,得到40糖供体与100糖受体;两大片段再多次从半乳糖β-1,6-糖苷键处切断,可最终到两种十糖重复片段(514)。然后针对两种十糖片段,设计从高活性的阿拉伯糖α-1,5-糖苷键处切断,可分为两种单糖模块(9,10)、两种二糖模块(11,19)和一种五糖受体模块(12)。

图2:RN1分子逆合成分析。

图3:两种十糖片段的高效组装。

具体合成过程如下:采用高效的基于预活化一釜合成策略,以对甲基苯硫氯和三氟甲磺酸银活化体系促进糖基化反应的发生(图3)。首先采用【1+1+1+2】一釜四组分方式,以80%的收率完成半乳糖主链五糖20的合成,随后脱除3号位临时保护基TBS制得五糖受体12;接着采用【1+1+1+2+5】一釜五组分的方式合成两种十糖片段,十糖片段可以克级规模高效制备。

两种十糖重复片段制备完成后,作者通过对糖基化条件(反应温度、活化剂种类、溶剂类型等)进行优化,最后可以成功实现十糖片段之间的高效拼接(图4):可以通过【10+10+10+10】一釜四组分反应合成四十糖2,通过【10+10+10】一釜三组分反应合成三十糖6,以及通过一釜四组分【10+10+10+10】合成四十糖24。值得一提的是,作者通过条件优化最终实现了一百糖25【30+30+40】的一釜三组分合成。

图4:四十糖供体2及一百糖受体3的合成。

最后,将四十糖供体与一百糖受体进行偶联,是这项工作中最具挑战性的反应。随着糖基供体和受体的尺寸增大,反应活性明显下降,而且随着供受体尺寸的增大,反应活性位点较难暴露,进一步增加了糖基化偶联的难度。作者经过多次尝试,发现当使用0.9当量的对甲基苯硫氯和5.0当量的三氟甲磺酸银时,可以以41%的收率得到全保护的一百四十糖;最终依次脱除所有保护基,即可实现RN1分子的化学全合成。

图5:三七多糖片段化合物库的构建。

除了三七多糖完整分子外,作者还通过预活化一釜合成策略成功合成了8个三七多糖片段,包括三种五糖、两种十糖、一种三十糖、一种四十糖和一种七十糖;脱除所有保护基后可得三七多糖片段化合物库(图5)。

为了确定这些合成物的结构,研究人员使用多种结构表征技术,包括MALDI-TOF-MS和ESI-HRMS用于确定分子量,GPC和HPLC用于评估化合物的均一性,以及1D-NMR和2D-NMR用于确定糖苷键的立体构型(图6)。

图6:三七多糖RN1及化合物库中聚糖分子的结构表征。

为了评价不同尺寸的聚糖的抗肿瘤活性,作者选取三种人源化胰腺癌细胞系Aspc-1、Bxpc-3及Panc-1,探究所合成的聚糖化合物对于胰腺癌细胞的增殖抑制作用。实验结果显示三七多糖的分子尺寸与其抗胰腺癌作用没有显著的线性关系;其中一种半乳糖基十糖表现出较好的抗胰腺癌活性,可能为三七多糖的活性结构域。随后对该活性结构片段的安全性进行细胞毒性评价,结果表明相较于临床一线抗胰腺癌药物吉西他滨,该三七多糖活性片段安全性更好。进一步研究发现,三七多糖活性片段可能是通过阻滞细胞周期于S期,从而促进细胞凋亡进而发挥其抗肿瘤作用。

该工作实现了具有高度挑战性的三七多糖RN1完整分子的首次全合成,揭示了可能的三七多糖活性结构域,发现了具有全新结构骨架的抗胰腺癌先导化合物,为未来新的抗胰腺癌药物的研发奠定了基础,也为多糖类药物研究领域乃至传统中药的现代研究提供了一个范例。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s44160-023-00428-x

 
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