＊閆雨迪

（黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 黑龍江 150040）

在化學(xué)制藥中，如何在保障藥物安全性與療效的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少藥物的研發(fā)時間、降低研發(fā)成本是目前最急需解決的問題。生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥領(lǐng)域的應(yīng)用，是一種工藝上的創(chuàng)新，也是促進化學(xué)制藥行業(yè)發(fā)展的重中之重。因此，探究生物催化技術(shù)在化學(xué)治療中的實踐應(yīng)用，以促進化學(xué)制藥的現(xiàn)代化發(fā)展是極其必要的。

1.生物催化技術(shù)簡介

（1）生物催化技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展中，生物酶催化技術(shù)極其重要。該技術(shù)是一門跨領(lǐng)域、跨學(xué)科技術(shù)，與化學(xué)和生物領(lǐng)域息息相關(guān)，將生物催化技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)制藥工程中，可通過酶或微生物促進藥物的生物轉(zhuǎn)化。在化學(xué)反應(yīng)過程中，生物催化劑可以實現(xiàn)分子重組，能在一次反應(yīng)中生成多類產(chǎn)物，以此為化合庫提供更多種類，有利于新藥物的研發(fā)。

目前，微生物在化學(xué)治療領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍較廣，微生物的生長速度較快，微生物種類及其內(nèi)部含有的酶類較為豐富，對藥物的合成有著較強的催化作用，且微生物的適應(yīng)能力極強，化學(xué)反應(yīng)所需的條件不高。在一些難以發(fā)生反應(yīng)的治療環(huán)節(jié)，使用微生物作為生物催化劑有著不錯的效果。另外，微生物的結(jié)構(gòu)相對單一，將微生物用于催化，既可以選擇固定化細胞，又可以使用細胞器[1]。

先導(dǎo)化合物在生物催化的作用下，可以表現(xiàn)出以下幾點特征：第一，可以反應(yīng)的產(chǎn)物范圍較大；第二，在整個化學(xué)反應(yīng)的過程中，無需進行脫保護和基團保護，操作相對簡便，只需一步便可完成反應(yīng)；第三，可以滿足生產(chǎn)定向立體選擇和區(qū)域選擇的需求；第四，生物催化的反應(yīng)條件相對溫和，可以穩(wěn)定某些較為復(fù)雜或不穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)；第五，在均一或溫和的反應(yīng)條件下，可以使反應(yīng)重現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)自動化反應(yīng)；第六，酶的固定化優(yōu)勢極高，所以生產(chǎn)時可循環(huán)使用催化劑[2]。

（2）現(xiàn)階段生物催化技術(shù)的主要研究與進展。生物藥學(xué)以生物學(xué)、微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)為主要技術(shù)手段，將其綜合應(yīng)用后，可以通過一系列的研究，制造出可用于疾病預(yù)防、診斷或治療的藥物制品。在生物制藥中，使用到的各項原材料都由天然的生物材料加工而成，主要為微生物、海洋生物或各類動植物，對其進行一系列的物理處理、化學(xué)處理或生物加工處理后，便可以生產(chǎn)出具有良好療效的生物藥物。而生物催化技術(shù)是基于生物學(xué)發(fā)展而來的一種新技術(shù)手段。該項技術(shù)在研發(fā)初期，生物學(xué)家、科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有機生物體內(nèi)含有生物酶，生物酶可用于催化各項物質(zhì)間發(fā)生反應(yīng)，但酶自身卻不會發(fā)生改變，且催化條件相對簡單，并不復(fù)雜。藥物生產(chǎn)時，主要是利用控制或優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)的方式，通過分子重構(gòu)等一系列的方法生產(chǎn)出新藥物，在傳統(tǒng)的化學(xué)制藥過程中，反應(yīng)條件相對苛刻，也會消耗部分單一性資源，而生物催化技術(shù)便可很好地解決這一點。隨著目前蛋白質(zhì)工程技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，生物催化的底物選擇范圍也持續(xù)擴大，應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛，已逐漸開始在精細化學(xué)和化學(xué)制藥等領(lǐng)域中大顯身手。

如今，在制藥中最為廣泛的技術(shù)為合成技術(shù)，該技術(shù)無需使用高壓氧化或金屬催化劑，也不會對周邊環(huán)境造成破壞，生產(chǎn)流程較為簡便。采用了生物催化技術(shù)后，便可以利用生物酶，提升反應(yīng)速率，還能夠有效降低人力物力成本，包括但不限于設(shè)備磨損、人力手工操作等。生物催化技術(shù)在我國化學(xué)制藥領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括但不限于治療冠心病藥物研發(fā)、抗腫瘤藥物研發(fā)、免疫性藥物研發(fā)、基因重組多肽治療藥物研發(fā)等，并取得了極佳的效果[3]。如治療冠心病的阿托伐他汀、使用γ-干擾素基因的腫瘤基因療法、治療因免疫力低下或缺陷問題引起的糖尿病的西他列汀游離堿等。

2.生物催化技術(shù)特點分析

（1）酶的專一性。在催化時，酶有強烈的專一性特征。也就是說，一種酶只能對某種特定的底物進行催化反應(yīng)，而一種底物可受到多種不同酶的催化作用，這在某種層面上意味著生物催化技術(shù)具有底物選擇的獨特性特征。

（2）酶的反應(yīng)速度快。在整個化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物質(zhì)需要吸收到相應(yīng)的能量才能達到活化狀態(tài)并起作用，而應(yīng)用催化劑可以在一定程度上降低反應(yīng)的活化能，有效加速反應(yīng)速度。比傳統(tǒng)的無機催化劑酶對反應(yīng)的活化降低作用更加顯著，催化效率更高，可進一步提升反應(yīng)速度。經(jīng)研究表明，酶的催化效率可達無機催化劑的107 倍至1013 倍。

（3）設(shè)備要求較低。酶來自于有機物，在溫和條件下具備更高的活性，對環(huán)境和反應(yīng)條件的要求較低。常溫環(huán)境、中性環(huán)境或水環(huán)境中均可完成反應(yīng)。

（4）可被充分降解。若無意外情況，生物催化技術(shù)幾乎不會對環(huán)境有影響。整個催化過程污染極小或是沒有污染，能源損耗率較低，是一種對環(huán)境極其友好的催化方式，既能有效提高生產(chǎn)效率，又能夠顯著降低生產(chǎn)成本，可給企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益、社會效益，也能滿足相應(yīng)的環(huán)保需求，可促進現(xiàn)代化學(xué)制藥行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

3.生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的應(yīng)用

(1)酶催化技術(shù)的應(yīng)用

①裂解酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用。裂解酶催化小分子時，具有較強的選擇性，因此在化學(xué)制藥領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如在消除或加成碳碳鍵、碳氮鍵、碳氧鍵等不飽和鍵，醛縮酶、轉(zhuǎn)羥乙醛酶和氧腈酶等形成C-C 方面有著顯著作用。在實踐應(yīng)用中，使用醛縮酶催化，在醛上加有穩(wěn)定帶負(fù)電的碳，能延長醛的2～3個碳單元，這與化學(xué)反應(yīng)中的醛縮反應(yīng)十分類似。以多巴胺為例，多巴胺是腎上腺素的前體，是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要神經(jīng)傳遞質(zhì)，對低血壓和急性循環(huán)系統(tǒng)不全的治療效果較佳。在催化反應(yīng)中，設(shè)置3,4-二羥基-L-苯丙氨酸為底物，以脫羥酶為催化劑，便可以合成多巴胺。偶姻反應(yīng)在化學(xué)制藥方面的典型案例，是使用裂解酶合成L-黃麻素的前體，在該反應(yīng)中，使用的酶是丙酮酸脫羧酶，另外還需要額外加入焦磷酸硫胺素作為輔助因子。

②氧化酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用。生物氧化反應(yīng)在化學(xué)制藥中的應(yīng)用也相對常見，奠定了氧化酶在化學(xué)制藥中的重要作用。例如丙肝病毒蛋白酶抑制劑、質(zhì)子泵抑制劑埃索美拉唑等，均使用了氧化酶作為主要催化劑。植物雌激素松脂醇可用于治療多種疾病、保護機體，也在化學(xué)制藥領(lǐng)域占據(jù)一席之地。通過青霉菌的香草醇氧化酶和細菌漆酶，再加入丁子香酚，便能夠直接合成松脂醇，該反應(yīng)的成本較低，在適合的條件下，還能夠發(fā)展成1.6 g/L 的半制備規(guī)模。

③還原酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用。生物酶催化劑在還原合成手性藥物中間體這一環(huán)節(jié)有重要作用，在羰基官能團區(qū)域選擇性與立體選擇性等方面的效果極佳。通常情況下，有新的微生物菌株從環(huán)境中分離后，羰基還原活性較高，同時也具備各種具有優(yōu)勢的生化特征，如熱穩(wěn)定性和有機溶劑的耐受性等。比如叔丁基6-氰基-(3R,5R)-二羥基己酸酯是立普妥的重要手性前體，制作時便需使用還原酶，即通過6- 氰基-(5R)-羥基-3-氧代己酸叔丁酯以還原酶還原的方式形成。而從乳酸克魯維酵母中，也能提取出羰基還原酶（KlAKR），可用于不對稱還原反應(yīng)。這時，可采用半理性的設(shè)計法，用以提升酶的活性，在兩輪同源建模和分子對接位點飽和突變篩選后，便可獲得相應(yīng)的突變體，此類突變體的催化效率遠高于原本的野生型羰基還原酶[4]。

④轉(zhuǎn)移酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用。特點基團，如底物分子糖基、氨基、甲基、醛基和羧基等，更適合使用轉(zhuǎn)移酶催化。將這類特點基團向其他的底物分子轉(zhuǎn)移，供體可作為輔助因子攜帶基團完成轉(zhuǎn)移。所以在使用轉(zhuǎn)移酶時，還需同時使用輔酶。目前，在化學(xué)制藥中常見的轉(zhuǎn)移酶是轉(zhuǎn)氨酶，輔酶通常以磷酸砒哆醛為主，磷酸砒哆醛是維生素B6的衍生物，除了在轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)中有著較高的使用性能以外，在脫羥反應(yīng)和消旋反應(yīng)中的作用也十分重要。在反應(yīng)時會優(yōu)先生成希夫堿，隨后可在轉(zhuǎn)移酶的催化特性下完成反應(yīng)。轉(zhuǎn)氨酶的反應(yīng)速度較快，主要是因為其底物特異性較低，通常用于大規(guī)模合成非天然的氨基酸。例如，常見的藥物氨基酸L-絲氨酸，可以利用絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶催化甲醛和甘氨酸來合成。本次生物催化反應(yīng)需要使用到的輔助因子有磷酸吡哆醛和四氫葉酸，另外，反應(yīng)液中的L-絲氨酸濃度要控制在為0.2 mmol/L。

(2)微生物催化技術(shù)的應(yīng)用

目前，微生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的應(yīng)用，是以微生物的反應(yīng)過程為基礎(chǔ)，依靠微生物體內(nèi)反應(yīng)器的生長、繁殖與代謝過程合成一些產(chǎn)物，隨后再借分離純化技術(shù)完成提取與精制，便可生產(chǎn)出最優(yōu)的化學(xué)藥物，這依賴于微生物在生命過程中產(chǎn)生的，可以以極低濃度抑制或影響其他生物機能的低分子量代謝物。微生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的主要作用對象包括抗菌類藥物、抗病毒類藥物、抗腫瘤類藥物、免疫調(diào)節(jié)劑酶抑制劑與除草劑等，主要生物來源有青霉素、放線菌等。微生物制藥技術(shù)的主要特征在于，要使用某個微生物的純種狀態(tài)，并設(shè)置培養(yǎng)基，供它生長，培養(yǎng)基的成分是不允許隨意更改的，若有其他菌種進入，則視為雜菌。例如金色鏈霉菌在含氯培養(yǎng)基中可形成金霉素，若在無氯化物的培養(yǎng)基中可生成四環(huán)素。

4.生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中的實用案例

（1）生產(chǎn)阿托伐他汀。阿托伐他汀是生物催化技術(shù)在化學(xué)制藥中常見的一種物質(zhì)。具體來說，阿托伐他汀可以在一定程度上抑制HMG-CoA 還原酶的活動，達到降低膽固醇合成數(shù)量的作用，可用作降血脂藥劑。6-氰-3、5-二羧基乙酸叔丁酯這兩種生物催化劑是生產(chǎn)阿托伐他汀時的必備催化劑，同時，還需要使用中間體。中間體生產(chǎn)時也需使用到生物催化技術(shù)，可直接通過生物催化優(yōu)化，在分子重組的基礎(chǔ)上，完成具有較強穩(wěn)定性、活性及更大選擇性的優(yōu)化酶生成，隨后便可即時開始化學(xué)反應(yīng)。在生產(chǎn)時，首先開始反應(yīng)的是氰化反應(yīng)。在兩種優(yōu)化酶的催化作用下，氯酮會進行反應(yīng)，并生成不摻雜雜質(zhì)的氯乙醇。隨后在相對溫和的條件下，便能開始第二個反應(yīng)。這一反應(yīng)的核心目的是得到氰醇，所以在這一步需要將第一個反應(yīng)生成的氯乙醇通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)化和反應(yīng)變?yōu)榍璐肌Ｖ?，再使用此前得到的第三種優(yōu)化酶開展生物催化氯化反應(yīng)，便可得到阿托伐他汀。整個催化過程中，進化酶的應(yīng)用大幅度提高了還原反應(yīng)的容積率，可以進一步提高生產(chǎn)效益及獲得的經(jīng)濟效益，且整個催化過程安全系數(shù)較高，對環(huán)境無污染。

（2）生產(chǎn)西他列汀游離堿。西他列汀是一類2型糖尿病治療藥物。在產(chǎn)生西他列汀游離堿時，需要使用到酶的催化反應(yīng)。此前，德國Merck 與美國Codexis 這兩家公司，首先發(fā)現(xiàn)了R 構(gòu)型選擇性轉(zhuǎn)氨酶、構(gòu)型選擇性轉(zhuǎn)氨酶這兩種酶與西他列汀游離堿到分子結(jié)構(gòu)十分相似，考慮到R 構(gòu)型選擇性轉(zhuǎn)氨酶的部分分子質(zhì)量較小，活性較高，還有針對甲基酮的抑制作用，所以，Codexis 公司首先開始了直接性的化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)建了催化劑加氫路線，并嘗試改造R 構(gòu)型選擇性轉(zhuǎn)氨酶，生成了S 構(gòu)型西他列汀酮催化劑。這種催化劑自身不具備活性，整個反應(yīng)過程操作簡便，僅需酶的催化反應(yīng)，無需使用復(fù)雜設(shè)備，包括額外的金屬添加劑或高壓氫化等，便可以提高分子的反應(yīng)能力，不僅節(jié)省了反應(yīng)時間，還有效降低了生產(chǎn)成本。而直接性化學(xué)反應(yīng)也減少了反應(yīng)過程中生成的各種廢棄物，極大程度上提高了生產(chǎn)效率[5]。

（3）生物催化技術(shù)在普瑞巴林生產(chǎn)中的應(yīng)用。美國一家公司研究蛋白質(zhì)工程改造技術(shù)多年，最終，達到了最佳的蛋白質(zhì)工程效果，并成功使用水解酶反應(yīng)生產(chǎn)了普瑞巴林。生物催化技術(shù)在普瑞巴林生產(chǎn)中的應(yīng)用，由脂肪酶對甲基、乙酸和氰基等鉀鹽進行了水解反應(yīng)的催化。同時，也能夠作為化學(xué)合成原料，完成普瑞巴林的制作。在該反應(yīng)中，各項原料的回收率高達40%，ee 值達到了99.5%，成效極佳。

5.結(jié)語

生物催化技術(shù)具有較高的選擇性及環(huán)境友好性，在化學(xué)制藥中有著極高的優(yōu)勢，能夠使化學(xué)制藥工程不再受傳統(tǒng)的工藝限制，相對溫和的反應(yīng)條件也使化學(xué)制藥反應(yīng)過程變得更加簡易。同時，生物酶可在自然條件下降解，整個化學(xué)制藥流程也不會對環(huán)境造成污染或污染極小，將其應(yīng)用于化學(xué)制藥中，可促進化學(xué)制藥領(lǐng)域的發(fā)展，推動我國化學(xué)制藥水平的全面升級。