第十章甾类激素药物VIP

1 一 甾体激素药物的分类及其药理作用 1 甾体化合物的结构 1 甾体化合物的基本结构 第十章甾体激素药物 甾体类化合物 甾体化合物 Steroids 又称类固醇 是一类含有环戊烷多氢菲核的化合物 结构通式如下图 是广泛存在于自然界中的一类天然化学成分 包括植物甾醇 胆汁酸 C21甾类 昆虫变态激素 强心苷 甾体皂苷 甾体生物碱 蟾毒配基等 四环脂烃化合物 环戊烷多氢菲 C17 一般在核的C 10和C 13上常有甲基 在C 3 C 11和C 17上可能有羟基或酮基 A环及B环可能有双键 C 17上有长短不一的侧链 甾体化合物母核的基本结构 2 2 立体结构 天然甾体化合物B C环都是反式 C D环多为反式 A B环有顺 反两种稠合方式 甾体化合物可分为两种类型 A B环顺式稠合的称正系 即C5上的氢原子和C10上的角甲基都伸向环平面的前方 处于同一边 为 构型 以实线表示 A B环反式稠合的称别系 即C5上的氢原子和C10上的角甲基不在同一边 而是伸向环平面的后方 为 构型 以虚线表示 A B C环为椅式构象 D环为信封式构象六个手性中心 非那雄胺 四个环全部为反式稠合 3 雌甾烷雄甾烷孕甾烷13 CH310 CH310 CH313 CH313 CH317 C2H5 18 19 18 18 19 20 21 2 甾体激素药物的分类与药理作用 1 从化学角度分类 4 2 根据生理活性分类 观点1 2 甾体激素药物的分类与药理作用 5 甾体激素 性激素 肾上腺皮质激素 雌性激素 雄性激素 孕激素 雄性激素 蛋白同化激素 糖代谢皮质激素 盐代谢皮质激素 雌甾烷 雄甾烷 孕甾烷 2 根据生理活性分类 观点2 6 结构特点 雄甾烷母核 10 13位角甲基 17 OH4 烯 3 酮 UV吸收 雄激素 睾丸素 性激素 作用 刺激副性特征器官的发育与成熟 增进两性生殖细胞的结合与孕育能力 调节代谢 更年期综合症 骨质疏松症等 7 雌甾 1 3 5 10 三烯 3 17 二醇A环芳构化 3 酚羟基具有弱酸性3位羟基与17位羟基共平面 距离0 855nm不稳定 易代谢 口服无效用途 治疗卵巢功能不全所引起的疾病 雌二醇 雌激素 8 酚羟基 可以溶于NaOH水溶液乙炔基 乙醇溶液溶液遇硝酸银试液产生白色炔雌醇银沉淀17 位引入乙炔基 17 羟基代谢受阻 口服活性是雌二醇的10 20倍 用途 与孕激素合用有抑制排卵作用 和减轻突发性出血等副作用 可以和炔诺酮 或甲地孕酮配伍制成口服避孕药 炔雌醇 孕激素 9 睾酮类 妊娠素 炔诺酮 左炔诺孕酮 10 抗孕激素药物 孕激素受体拮抗剂孕激素拮抗剂 结构 11 二甲氨基苯基 活性反转 17 丙炔基 口服 稳定 半衰期为34小时 血药峰值与剂量无关代谢为N 去甲基 N 去双甲基和丙炔醇用途 竞争性作用于孕激素受体和皮质激素受体与前列腺素类药物合用 抗早孕 米非司酮 11 蛋白同化激素作用 促进蛋白质合成和抑制蛋白质异化 加速骨组织钙化和生长 刺激骨髓造血功能 促进组织新生和肉芽形成 降低血胆甾醇 苯丙酸诺龙 17 羟基雌甾 4 烯 3 酮 17 苯丙酸酯 12 肾上腺皮质激素类药物 结构 孕甾烷母核 4 烯 3 20 二酮 21 羟糖皮质激素 11和17位均有含氧基团取代盐皮质激素 11和17位仅有其一 或均没有含氧基团 用途 糖皮质激素 可的松 氢化可的松等 主要影响人体糖 蛋白质 脂肪代谢 抗炎 抗过敏 盐皮质激素 醛固酮 去氧皮质酮等 主要影响水盐代谢 促进钠离子重吸收 钾离子排泄 可治疗阿犹森病 低血钠病 13 糖皮质激素构效关系 糖皮质激素结构修饰的目的 糖 盐活性分离21位羟基酯化1 延效 2 增加水溶性C1位引入双键 A环变为船式 抗炎引入6F 9 F 抗炎同时引入9 F和16羟基或16甲基 皮质激素药物的重要基团或结构 C17具有2个C原子侧链 C3具有一个共轭的酮基 C17 具有一个 OH C21有一个 OH或者酯基 C11有 OH或酮基 醋酸氢化可的松 14 醋酸氢化可的松 孕甾母核 4 烯 3 20 二酮 11 17 21 三羟基 21醋酸酯用途 关节炎 风湿症 免疫抑制 抗休克 肾上腺皮质激素类药物 15 醋酸地塞米松 16 甲基 11 17 21 三羟基 9 氟孕甾 1 4 二烯 3 20 二酮 21 醋酸酯结构 用途 胶原性疾病 过敏性疾病 急性白血病和肾上腺皮质功能减退症 肾上腺皮质激素类药物 16 二 甾类激素药物的生产 1 人工合成 全合成 如雌二醇 2 天然原料结构改造 半合成 化学合成 微生物转化 1 生产方法 17 2 生产技术的历史和现状 1932 1939年 从动物是腺体中分离天然甾体激素 雌酮 Estrone 雌二醇 Estradiol 皮质酮 Corticosterone 等 在实验室进行全合成 促进了药物化学学科发展 1940 年代 发明薯蓣皂苷元 Diosgenin 为甾体激素药物的原料 合成激素药物中间体的工业方法 1949年 Honch发现肾上腺皮质激素可的松 Cortisone 对治疗风湿性关节炎有显著疗效 促使科学家们努力去探索甾体药物的合成 1952年 美国Upjohn药厂的Peterson和Murray首先发现黑根霉 Rhizopusnigricans 能使孕酮 Progesterone 一步转化为11 羟基孕酮 11d hydroxyprogerone 得率达到85 以上 1950 后期 1960 初期 发明了甾体避孕药物 是人类生育控制划时代的成就 消费量大幅度增加 促进甾体药物工业生产水平达到新的高度 1970 年代 甾体激素全合成实现工业化生产 优势领域在孕激素及雌激素 1980 20世纪末 甾体激素药物发展趋缓 21世纪初 发展进入新阶段 新品种的发现 临床新适应症的发现等 市场情况 1980年产量约9 5吨 销售额15亿美元 占医药产品总销售额的4 3 1990年产量增至105吨 销售额108亿美元 年均递增10 4 2000年销售额约200亿美元 约占世界医药总销售额的6 成为产量仅次于抗生素的第二大类药物 18 1949年人们发现肾上腺皮质激素可的松对治疗风湿性关节炎有显著疗效 促使科学家们努力去探索甾体药物的合成 甾体化合物分子中含有几个不对称的中心 人工合成相当困难 后来又探索用化学方法改造已有的天然甾体化合物生产甾体药物 但步骤多 收率低 价格昂贵 难于工业化生产 以从胆汁中提取的脱氧胆酸 deoxycholicacid 为原料 花费了二年时间 经过30余步化学反应 最后从1270磅的脱氧胆酸才合成得到938毫克的醋酸可的松 Cortisoneacetate 其中仅将C 12上的氧原子转移到C 11上 C 11上的氧对抗炎作用是必需的 就需要10步反应 1952年 美国科学家发现黑根霉能使孕酮一步转化成11 羟基孕酮 收率达到85 以上 从此解决了可的松等皮质激素类化合物合成中最大的难题 开创了微生物转化甾体化合物的先例 后来生物转化在甾体化合物中的进展也开拓了它在其他领域中的应用 如维生素 二羟丙酮以及某些氨基酸 生物碱的合成也离不开生物转化 现代微生物的生物转化技术已广泛应用于化学和制药工业 19 三 微生物转化的特点 专一性 底物及产物空间结构专一产量高 一个酶促反应可代替几个化学反应 收率高反应条件温和 常温常压 可改善工人劳动条件 避免减少使用强酸 强碱或有毒物质可进行化学法难以进行的反应 20 四 甾体药物微生物转化的反应类型 1 甾体化合物的微生物转化反应位点 2 主要反应类型 氧化 还原 水解 酯化 酰化 异构化 卤化和A环开环反应等 氧化反应包括 羟基化 环氧化 脱氢和芳构化反应等 21 3 工业上重要的微生物转化反应羟基化反应 最普遍 最重要的氧化反应 有11 11 16 和19位上的羟基化反应 C 1 2脱氢反应环氧化反应A环芳构化反应还原反应水解反应侧链降解 22 工业上重要的甾体化合物微生物转化反应 五 甾体药物的生物转化生产工艺的一般流程 发酵工程的基本技术过程 生物反应器 发酵罐 生物转化反应器 酶反应器 游离或固定化酶 细胞 为催化剂反应简单发酵罐 生物反应过程中 伴随有细胞的生长 代谢 或者同时进行复杂酶系的生物催化反应发酵过程细胞培养过程反应复杂 3 生物反应器的分类 型式多样 按照几何尺寸或结构分类 釜 罐 式 高径比1 3 管式 长径比 30 塔式 竖立高径比 10 膜式 内一膜件 最常见 一般用于连续操作 一般用于连续操作 膜反应器 酶膜反应器 C 固定化细胞的中空纤维反应器生物反应器 膜装置 反应与分离耦合 如 发酵罐 超滤膜 CSTR UR a b 酶 游离态操作方式 间歇 连续 27 菌种 孢子制备 种子罐 发酵罐 过滤 提取液 结晶 滤液 底物溶解 溶料罐 滤饼 提取液 结晶 1 甾体药物的生物转化生产工艺流程 28 2 转化方法 一步发酵转化法 边发酵边转化 是我国目前甾体医药工业普遍采用的微生物转化法 静息细胞 干细胞或孢子悬浮液法 多菌种协同转化法 固定化细胞或固定化酶转化法 双水相系统转化法 有机相介质转化法 29 甾体生物转化工艺一般可分为两个阶段 菌体生产和产酶阶段将菌种接入斜面孢子培养基上 在一定温度下培养3 5天 然后将成熟孢子接入摇瓶和种子罐沉没培养 种子培养好后转入发酵罐 在适当培养基和培养条件 温度 搅拌 通风量 pH 下进行培养 细菌的生长阶段一般为12 24小时 真菌为24 72小时 在这个阶段重要的是创造各种良好条件使微生物尽快的生长和繁殖 在尽可能短的时间内繁殖大量的菌体并产酶 甾体转化阶段将被转化的物质直接加入到培养液中进行生物转化 这一阶段需要控制好适合转化反应的各种条件 如pH 温度 搅拌和较大的通气量等 必要时还可以加入酶激活剂和抑制剂 30 3 典型甾体药物的生产工艺 3种典型的肾上腺皮质激素药物的生产步骤粗线为微生物转化 细线为化学合成 以3种典型的肾上腺皮质激素药物氢化可的松 醋酸可的松和醋酸泼尼松的生产为例 说明甾体微生物转化的过程 31 1 氢化可的松的生产工艺原理 概述氢化可的松 Hydrocortisone 化学名11 17 21 三羟基孕甾 4 烯 3 20二酮 作用与用途 肾上腺皮质激素类药物 能影响糖代谢 并具有抗炎 抗病毒 抗休克及抗过敏作用 主要用于肾上腺皮质功能减退症的代替治疗 产品 原料药 制剂 a 氢化可的松片 b 氢可软膏 c 氢可注射液 32 氢化可的松的生产工艺 33 氢化可的松生产工艺流程以皂素为起始原料 经裂解 氧化 水解 环氧化 沃式氧化 开环 上溴 碘代 置换等一系列化学合成 得到甾环21 醋酸酯 化合物RSA 以化合物RSA作为发酵的底物 经过微生物的生物转化反应 在甾环的11 位引入羟基后 形成氢化可的松 34 氢化可的松生产工艺流程及主要工艺参数 茄子瓶28 5d孢子悬浮液1 接种量种子培养基种子培养28 0 06MPa250r min 25M3 h 19 21h发酵培养基发酵培养10 接种量 28 0 06MPa160r min 40 60M3 h 12 13h底物RSA溶解罐氧化反应28 160r min 周期30 40h 40 150M3 h离心过滤发酵液粗品提取醋酸异丁酯 7 1 氢化可的松粗品分离甲醇和二氯甲烷 14 86 氢化可的松精品结晶 精制乙醇 活性炭干燥氢化可的松成品 35 种子标准 菌丝量1 3 1 2 种龄19 21h 在试管中下沉 5min 呈芝麻粒状 pH4 1 4 6左右 镜检无杂菌发酵菌体标准 菌丝体积占1 2 2 3 pH3 8 菌龄12 13h 镜检菌体生长良好 无杂菌氧化过程 转化周期30 40h 过程检测放罐标准 pH6 4 7 0 H2SO4显色 1级成品标准 外观白色或几乎白色 熔点 208 干燥失重 1 0 比旋度 162 169 含量 98 5 培养基 种子培养基 玉米浆1 25 酵母膏0 23 硫酸铵0 3 葡萄糖1 05 pH6 4 6 7发酵培养基 玉米浆1 20 酵母膏0 25 硫酸铵0 5 葡萄糖1 05 pH6 4 6 7 底物投料方式 填加有机溶剂 乙醇 RSA 工业酒精 80 85 1 18注意 回流溶解 加热过猛不利于底物溶解和生物转化 氢化可的松生物转化工艺主要控制要点 36 氧化级别的比色分析 底物RSA H2SO4 浓 肾上腺皮质酮 红色 氧化级别分 0 1 2 3 4 5六级 生产菌种 蓝色犁头霉 Absidiacoerulea 转化率70 分离率69 71 收率45 50 新月弯孢霉 Curvalarialunata 转化率80 93 收率55 60 发酵液的TLC图谱 37 2 醋酸泼尼松的生产工艺 英文名 PrednisoneAcetate化学名 17 21 二羟基孕甾 1 4 二烯 3 11 20 三酮21 醋酸酯 分子式 C23H28O6分子量 400 47 理化性质 白色或几乎白色的结晶性粉末 无臭 味苦 在氯仿中易溶 在丙酮中略溶 在乙醇或醋酸乙酯中微溶 在水中不溶 熔点 为235 242 熔融时同时分解 用途 具有抗炎 抗过敏作用 临床上用于各种急性严重细菌感染 严重的过敏性疾病 胶原性疾病 红斑狼疮 结节性动脉周围炎等 风湿病 肾病综合征 严重的支气管哮喘 血小板减少性紫癜 各种肾上腺皮质功能不足症 剥脱性皮炎 天皰疮 神经性皮炎 湿疹等 38 醋酸泼尼松的生产过程 39 醋酸泼尼松生产过程中的微生物转化反应 作用机理 C1 2位脱氢酶与辅酶 VK2酮类 酮烯醇化结构双键 直接脱去氢 C1 2位脱氢酶 EC1 3 994 单一蛋白 分子量为56 62KDa 胞内酶 诱导酶 40 醋酸泼尼松的工艺流程 C1 2位脱氢反应 化学合成 以SeO2为催化剂 转化率为65 生物转化 以简单节杆菌为生产菌种C1 2位脱氢酶 专一性高 转化率为97 以上 41 生物脱氢工艺的主要操作要点 种子标准 1 TTC染色 菌液呈1min变色 3min变红 15min变紫 镜鉴无杂菌 透光率10 25 pH7 2 7 5 底物投料方式 直接