蟲草素合成工藝研究現(xiàn)狀

王智森 高飛 紀(jì)玉哲 楊燦 李慧敏 苑文華

摘要：蟲草素是在蛹蟲草中分離提純得到的含氮配糖體的核酸衍生物，屬嘌呤類生物堿，是一種核苷類抗生素。蟲草素具有抗病原微生物、免疫調(diào)節(jié)、以及抗腫瘤、抗代謝紊亂、氧化損傷、治療神經(jīng)疾病等多種生物活性，在臨床上應(yīng)用及其廣泛。本文綜述了蟲草素合成工藝的研究進(jìn)展，為后續(xù)的有關(guān)研究提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：蟲草素;合成;研究進(jìn)展

Abstract：Cordycepin is a nucleic acid derivative of nitrogen-containing glycosides separated and purified from Cordyceps militaris. It belongs to purine alkaloid and is a nucleoside antibiotic. Cordycepin has a variety of biological activities such as anti-pathogen microbial immune regulation， anti-tumor， anti-metabolic disorder， oxidative damage and nerve diseases， and is widely used in clinical applications In this paper， the progress in the synthesis of cordycepin is reviewed， which provides valuable reference for the subsequent research。

Keywords：Cordycepin;Synthesis;Research progress

【中圖分類號】R28 ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? ? ? ? ? 【文章編號】2107-2306（2021）13--01

蟲草素[1]（cordycepin）即3’-脫氧腺苷（3’-deoxyadenosine），是一種天然核苷類似物（nucleosideanalogue）。與腺苷（adenosine）化學(xué)結(jié)構(gòu)較為相似，僅缺少3’-OH。蟲草素在野生的冬蟲夏草中含量極低，研究所用的蟲草素多為蛹蟲草中提取合成的。隨著蟲草素研究的不斷深入，其抗病毒、抗腫瘤等[2]生物活性不斷被發(fā)現(xiàn)，蟲草素被廣泛應(yīng)用于功能性食品、保健品藥品等多個(gè)領(lǐng)域，引起了人們的廣泛關(guān)注，但蟲草素的在市場上來源混雜，價(jià)格昂貴，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。本文以蟲草素的合成工藝為研究重點(diǎn)，從化學(xué)合成和生物合成兩大方面進(jìn)行蟲草素研究進(jìn)展概述，為蟲草素的合成開發(fā)。

1、蟲草素的全合成

目前有關(guān)蟲草素全合成的研究報(bào)道較少，蟲草素化學(xué)全合成路經(jīng)在1984年由Ohon[3]等首次提出，以腺苷為起始原料，通過間氯過氧苯甲酸環(huán)氧化、豬肝臟酯酶水解立體選擇合成中間物質(zhì)，在經(jīng)酯化水解、氧化開環(huán)、四氫化硼還原、嘌呤成苷等一系類步驟得到蟲草素。該方法繁瑣復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻，蟲草素收率低于2%，無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。Aman[4]改進(jìn)了上述方法，去除層析分離等繁瑣操作，省略了分離純化的精制過程，工藝路線適用于大工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品的純度較高，總收率為20%，經(jīng)過酸水解和氫化可得蟲草素純度大于99%。Mcdonald[5]等人以二氫呋喃甲醇為原料合成蟲草素，主要通過炔醇環(huán)異構(gòu)化為內(nèi)環(huán)烯醇醚不對稱完全合成蟲草素。

2013年李啟歡[6]等人在結(jié)合半合成方法進(jìn)行了蟲草素的全合成研究，分別以D-葡萄糖和D-木糖為合成原料取得了重大突破，以Barton-McCombie反應(yīng)脫去葡萄糖和木糖3`-脫氧核糖為關(guān)鍵步驟，分別經(jīng)過8步和7步化學(xué)反應(yīng)以37%和40%的總產(chǎn)率完成了蟲草素的全合成，并且在最后新制備的飽和溶液的氨水中，利用高溫封閉加熱可以順利去除酯基保護(hù)基團(tuán)，經(jīng)過水重結(jié)晶后純度超過了98.5%，產(chǎn)率高達(dá)95%。同年，陽如春等人對蟲草素全合成路徑進(jìn)行了分類分析，詳細(xì)對蟲草素反應(yīng)途徑、基因組進(jìn)行歸納整理。

2、蟲草素的半合成

在1960年Todd[7]等人發(fā)表了第一條蟲草素的半合成的化學(xué)合成路徑，該方法以以 5'-O-乙酰腺苷與對硝基苯磺酰氯為起始原料，反應(yīng)生成3'-O-p-對硝基苯磺?；佘?，然后和碘化鈉在特定溫度下與2'-5-己二酮中反應(yīng)生成3'-碘-腺苷，最后利用鈀碳?xì)浠D(zhuǎn)化為蟲草素。該方法簡單便捷，可以通過取代、催化等簡單操作方式得到蟲草素;但是由于其原料特殊產(chǎn)率相對較低，成本較高不適合規(guī)模化生產(chǎn)。

Hansske[8]和Robins[9]等人在1980報(bào)道了以腺苷為原料的三步合成蟲草素的簡短方法，腺苷在無水乙腈環(huán)境下，與2-乙酰氧基異丁酰溴反應(yīng)生成中間體，在經(jīng)過陰離子交換樹脂后與三乙基硼氫化鋰（或氘化物）發(fā)生還原反應(yīng)，生成蟲草素。該方法在微量制備時(shí)收率較高，但在規(guī)?；a(chǎn)時(shí)收率下降至30%，并且原料成本較高，無法工業(yè)化生產(chǎn)。后Kwon[10]對上述方法進(jìn)行了優(yōu)化改良，但是改進(jìn)后產(chǎn)率雖有所提升，但超低溫的環(huán)境仍然不適合生產(chǎn)。

Norman[11]等人和Talekar[12]等人發(fā)表了更加簡便以腺苷為生產(chǎn)原料蟲草素半合成方法，主要通過腺苷與原乙酸三甲酯在酸性產(chǎn)物下生成中間體，該中間體與乙酰溴發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，三丁基氫化錫和偶氮異二丁腈還原反應(yīng)，最后在堿性條件下脫去保護(hù)基，得到蟲草素，收率可達(dá)30%以上，是現(xiàn)在主流的合成方法。但是該方法有微弱毒性，也會造成一定的環(huán)境污染。

Shiragami等人后續(xù)進(jìn)行了制備過程中試劑改進(jìn)，雖大大降低了毒性與污染，但產(chǎn)率也極大的降低，并且步驟繁瑣，無法解決蟲草素工業(yè)化生產(chǎn)問題。

Kim[13]等以KimBarton-Mc Combie 反應(yīng)為主要途徑合成蟲草素，Zhang[14]等利用腺苷在堿性條件下用三苯基氯甲烷選擇性地保護(hù) 5'位羥基，對甲苯磺?；Ｗo(hù)3'位羥基。最后再在堿性條件下脫去保護(hù)基得到蟲草素。這些方法簡單，反應(yīng)條件要求較低。但需要色譜柱純化，并且蟲草素整體收率不高，也無法進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。如果解決色譜柱純化問題，可以考慮用于工業(yè)化生產(chǎn)。

3、蟲草素的生物合成

在大量有關(guān)蟲草素的相關(guān)報(bào)道中，認(rèn)為蟲草素是冬蟲夏草的有效成分，但隨著對蟲草素研究的不斷深入，冬蟲夏草中發(fā)酵菌絲中只含有極微量的蟲草素，在子實(shí)體中幾乎不含蟲草素。天然的蟲草素，主要存在于蛹蟲草、新疆蟲草、蟲草頭孢菌等部分蟲草素屬分離出來的菌株中。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)蟲草素的生物合成存在多種途徑，在1961年Kredich[15]等人首次報(bào)道了蟲草素的潛在前提是腺苷。1976年Lennon[16]等人通過關(guān)鍵腺苷和核糖研究蟲草素在蛹蟲草中的生物合成途徑，推測蟲草素的生物合成可能是由還原機(jī)制生成，并未報(bào)道具體合成途徑。

在2011年Zheng[17]等人對蛹蟲草菌的全基因組完成相關(guān)測序，經(jīng)分析表明蛹蟲草擁有腺苷和嘌呤代謝的反應(yīng)所需大部分基因，但是缺乏脫氧腺苷激酶和RNR。在2014年，Xiang等人結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)證明5'-核苷酸酶在蟲草素合成過程中發(fā)揮這重要作用。2016年Lin等人首先在腺苷激酶（ ADK）催化下生成腺苷單磷酸 ，腺苷單磷酸再在腺苷酸激酶反應(yīng)下生成腺苷二磷酸，再與核苷酸還原酶作用下3'-d ADP ，ADEK將3' -dADP的作用下生成3'-dAMP ，最終在 5'核苷酸酶（NT5E）轉(zhuǎn)化成蟲草素。2017年Xia等人通過對比蟲草素生物合成全基因組信息與模式真菌構(gòu)巢曲霉的對比基因組，大膽推測了蛹蟲草的腺苷通過磷酸轉(zhuǎn)移酶（ Cns3 編碼） 磷酸化生成3'-AMP，在經(jīng)磷酸水解酶（ Cns2編碼） 去磷酸化形成中間體2'-C-3'-dA，最終經(jīng)氧化還原酶Cns1介導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成蟲草素。

4.總結(jié)與展望

蟲草素因其非常廣譜的生物活性，已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。隨著生物技術(shù)和化學(xué)合成技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸摸索出蟲草素合成的機(jī)制、途徑，并且對合成蟲草素的基因組完成了探索，為后需蟲草素合成工藝打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并且在藥理作用方面研究在不斷完善。經(jīng)整理發(fā)現(xiàn)蟲草素生物合成途徑以及差異表達(dá)基因的代謝通路和化合物關(guān)系網(wǎng)絡(luò)分析方面還有所欠缺。未來研究可以以蟲草素短周期、高產(chǎn)量、無污染、提產(chǎn)率的合成方法和蟲草素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及調(diào)控機(jī)理作為研究方向，做好蟲草素產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作，為人類的健康事業(yè)貢獻(xiàn)出自己的力量。

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