Форбол долгое время считался своего рода «Святым Граалем» для химиков-синтетиков из-за присущих ему трудностей сборки его большой и сложной структуры и его потенциальной ценности в качестве основы для лечения. Родственные форболу соединения, извлекаемые из деревьев и кустарников, таких как масло кротона (Croton tiglium), известны как тиглианы и обладают мощной биологической активностью.
Традиционные общества использовали их для различных применений: от ядов для стрел и слабительных средств до мазей против рака кожи.
Хотя форбол и некоторые другие тиглианы могут быть надежно получены в больших количествах из растительного материала, большинство соединений этого семейства по существу невозможно получить никакими способами. Достижение ученых TSRI, опубликованное в журнале Nature 23 марта 2016 г., позволяет исследователям-фармацевтам впервые создавать такие тиглианы в лаборатории и оценивать их возможное превращение в лекарства.
«Десять лет назад считалось, что у химиков-синтетиков нет шансов произвести эти соединения в полезных количествах», — сказал главный исследователь Фил С. Баран, кафедра химии Дарлин Шили в TSRI.
Атомы кислорода в виде штрих-кода
Другим лабораториям ранее удавалось синтезировать форбол, но очень обременительными и низкоэффективными способами, которые требуют от 40 до 52 шагов и доставляют бесполезную структурную зеркальную версию форбола, смешанную с желаемой формой. Эти существующие синтетические пути также не могут быть легко изменены для создания аналогов форбола (других структурно подобных молекул). Фармацевтические исследователи редко занимаются разработкой многообещающего соединения, если у них нет возможности искать лучшие версии.
Свойства, которые делают форбол настолько сложным для синтеза — его большая структура из 20 углеродов и шесть реактивных атомов кислорода — по сути, те же самые, что лежат в основе его биологической активности и терапевтических перспектив. Форбол и другие тиглианы взаимодействуют с ключевыми сигнальными путями в клетках человека, и их паттерны атомов кислорода в принципе «настраиваются», чтобы оптимизировать их для достижения определенного эффекта.
«Нам нравится думать об атомах кислорода, которые украшают эти молекулы, как об образующих своего рода штрих-код», — сказал Баран. "Их точное расположение в значительной степени определяет функцию молекулы, поэтому способность создавать молекулы с желаемым расположением очень важна."
Подражание природе
Одним из ключей к новому синтезу был относительно простой сдвиг стратегии, который Баран и его коллеги впервые продемонстрировали в исследовании, опубликованном в 2009 году, также в журнале Nature.
Тогда целями были эудесманы, соединения, которые, как и тиглианы, принадлежат к большому классу химических веществ, известных как терпены. Подход Барана к «двухфазному синтезу терпена» включал в себя широкое подражание древней и гибкой стратегии природы, сначала создавая углеродную основу, а затем добавляя атомы кислорода.
"Природа производит тысячи этих терпенов в клетках растений и животных, и в пределах такого семейства, как эудесманы или форболы, соединения не сильно различаются по углеродному скелету — они похожи на одну и ту же машину, но с другой окраской и разными колеса каждый раз, — сказал Баран.
После успеха с эудесманами Баран и его коллеги снова использовали новый подход, чтобы найти короткий путь к синтезу ингенола, главы семейства более сложных терпенов, называемых ингенанами.
Об этом подвиге было сообщено в журнале Science в 2013 году. Один ингенан, синтез которого стал возможен благодаря новому пути, в настоящее время разрабатывается в лекарство — и, похоже, он обладает лучшими свойствами, чем ингенан растительного происхождения, который сейчас используется для лечения предраковых повреждений кожи.
Датская компания LEO Pharmaceuticals, для которой Баран выполнял работу по ингенану, позже обратилась к нему за помощью в отношении еще более сложной цели: форбола и тиглиана. Компания определила тиглиан растительного происхождения как многообещающее средство для лечения рака кожи, но не имела возможности создать улучшенные аналоги.
Мышление по-другому
За 10 месяцев Баран и его команда, в том числе научный сотрудник Шухеи Кавамура, первый автор нового исследования, использовали свою двухфазную стратегию «углерод-затем-кислород», чтобы придумать 19-ступенчатый путь к форболу.
Наибольшая трудность заключалась в открытии большой части промежуточной структуры и установке двух отдельных кислородсодержащих групп на одном конце молекулы — печально известная проблема для потенциальных синтезаторов форболов.
«Если эта реакция не сработает, мы не сможем создать молекулу», — сказал Кавамура.
Решение включает один ключевой этап, на котором в одной колбе протекают 13 различных реакций до получения желаемого промежуточного продукта. «Это преобразование — химический эквивалент шоу Cirque du Soleil», — сказал Баран.
Как и в случае с ингенолом и ингенанами, новый способ можно легко изменить для получения ранее недоступных тиглианов в количествах, достаточных для первоначальных лабораторных исследований. При необходимости LEO Pharma может расширить процесс, чтобы получить достаточно для доклинических испытаний на животных.
Фактически, новый маршрут фактически начинается с одного из промежуточных продуктов в маршруте ингенола, который компания теперь может поставлять в относительно больших количествах.
Баран подчеркнул, что новый путь синтеза форбола не требует изобретения каких-либо новых реакций — все используемые реакции были ранее описаны в химической литературе до 1980 года. «Весь путь стал возможен, если просто по-другому взглянуть на общую стратегию», — сказал он.