他汀类药物的生物技术合成以及应用

他汀类药物的生物技术合成以及应用

摘要：

他汀类药物是一类可以非常显著降低血液中胆固醇含量的药物;还可以减少中风或其他疾病的风险。近几年来报道，他汀类药物还有其他的生物活性以及许多潜在的治疗用途。天然他汀类药物有洛伐他汀和康帕丁，而普伐他汀是通过生物转化形成的。辛伐他汀，是领先市场的第二他汀类药物，是一种洛伐他汀的半合成衍生物。洛伐他汀主要是由Aspergillus terrus（土曲霉）菌株合成的，而康帕丁是由penicillium citrinum菌株合成。洛伐他汀和康帕丁是通过液体深层发酵进行工业生产，但也固态发酵进行生产，这种新的生产方式具有一定的优势。洛伐他汀在生物化学和遗传学上的一些研究进展让辛伐他汀在新的生产方式方面得以发展。这种洛伐他汀衍生物可以通过monacolin J（无侧链洛伐他汀）过程有效合成，这个过程是一个酰基转移酶LovD进行的。利用基因lovF 的组合生物合成，可以通过一种不同的方法设计土曲霉，从而使聚酮合成酶在体内合成2,2- dimethylbutyrate（simvastatin的侧链）。这样产生的转化菌株能通过直接发酵产生辛伐他汀而非洛伐他汀。

关键字：他汀类药物生物合成和遗传学生物技术生产

简介：

据世界卫生组织的报道，心血管疾病是威胁健康的主导因素。2005年，约有1750万人死于这些疾病，死亡率占全球约30％。这种疾病是由于血浆中的胆固醇含量提高而致，因而胆固醇血症成为了动脉粥样硬化和冠状动脉疾病（Kannel等人，1961年）的主要危险因素。一般来说，人体中的胆固醇只有三分之一是从饮食取得的，而其三分之二是由肝脏合成，还有一小部分是由其他器官合成的（Furberg 1999年;Alberts等人1980年）。出于这个原因，抑制胆固醇的生物合成来控制其含量成为一个重要策略，以降低胆固醇在血液中浓度，如manzoni和Rollini（2002）关于他汀类的一篇报道中如是说。

他汀类药物可以选择性抑制胆固醇的合成的限速酶，即HMG-CoA还原酶。因此，这些化合物便可以降低胆固醇含量，尤其是降低低密度脂蛋白（LDL）或低密度胆固醇（“坏胆固醇”）含量，而稍微增加高密度脂蛋白胆固醇（“好胆固醇”）的含量，因此，防止动脉内斑块的集结。此外，他汀类药物已经运用于预防性药物前列心血管疾病，因为大量的临床试验数据显示，他汀类可以降低风险冠状动脉疾病的发病率和死亡率。

这就解释了的他汀类药物在医疗和商业领域取得巨大成功的原因。2006年，两种他汀类药物出现于Forbes杂志的的名单之首，并入美国的20个最畅销药物之中，同为8.4美元和44亿美元的年销售额，预计他汀类药物使用量在增加。然而，由于有关他汀类药物的专利即将关闭，再加上多种生产过程的盛行，他汀类药物与仿制药的竞争也将更加的棘手。

过去几年里，天然他汀类药物（洛伐他汀和康帕丁）的生物化学和遗传方面在科学领域取得了重要进展。这些研究的生物技术开发创新也使衍生物的生产取得了显著进步。

一组不同的研究已经表明，他汀类治疗已经超越了降低高密度胆固醇水平的生物效应。一些新的研究已经发现了他汀类药物许多新的生物（药）活性，如在癌症、阿尔茨海默氏症和与年龄有关的骨质流失等疾病的潜在应用。

他汀类药物的历史发展

他汀类药物可分为天然他汀类和半合成衍生物，以及合成他汀类药物。所有的天然他汀类药物都是hexahydronaphtalne内酯。第一种他汀类药物是由科学家Sankyo Co. Ltd 在日本分离出来的，他在老鼠肝提取物通过真菌培养发现了可以抑制HMG-CoA还原酶的化合物，这种物质由Penicillium citrinum所生产的，即原名为ML236B或美伐他汀，以后叫做康帕丁（Endo et 等1976年）。一旦弄明白了这种新化合物的潜力，默克公司的科学家便可以通过真菌进行选育。他们分离出了土曲霉，能够产生一种非常有效的他汀类药物：洛伐他汀（Alberts等人，1980年）。Endo et 等人（1979）从红曲霉中同样分离出同一种化合物，尽管这个物种不能经过工业生产而得到代谢产物。除了额外的一个甲基，洛伐他汀与康帕丁的化学结构是相同的。

临床试验证明洛伐他汀可以显著降低低密度脂蛋白，而且副作用很小。1987年，食品和药物管理局批准洛伐他汀以Mevacor的名称上市。Sankyo研制出了普伐他汀，是一种更有效的康帕丁衍生物。这个公司与Bristol - Myers Squibb公司联手注册分发普伐他汀和销售（如Pravachol销售）。

Merck研制的洛伐他汀第二代半合成衍生物，目前仍占领着他汀类药物的第二大市场。这种衍生物就是辛伐他汀，虽然它是由洛伐他汀人工合成的，但它也可以利用生物技术进行生产。

Merck赞助了纳维亚辛伐他汀生存研究，对2221个被确诊为中度高胆固醇血症（200-300毫克/分升）的病人运用了辛伐他汀。结果显示，使用辛伐他汀的患者不仅降低了胆固醇（25％）含量和低密度脂蛋白含量（35％），更重要的是，还减少42％他们

的死亡率。

这些成功的的业绩吸引了其他药品公司进入他汀类药物市场。他们花费一部分努力用于制造合成他汀类药物，紧随众所周知的商业名称为立普妥的阿托伐他汀之后，氟伐他汀（Sando Ag，Lescol）成为第一个完全合成的他汀类药物.这种产品很快成为了畅销药物。

各种合成他汀类药物的结构是不同的，而且与天然他汀类药物的结构完全不同。只有戊二酰辅酶A的类成分，它负责抑制HMG-CoA还原酶，是常见的天然和合成他汀类药物。(Manzoni 和Rollini 2002)。正如前面提到的阿伐他汀（立普妥），是最重要的合成他汀类药物，其次是氟伐他汀（Lescol），瑞舒伐他汀（Crestor），拥有较小的市场份额。还有匹伐他汀也出现在目前商业化一些东方国家。

洛伐他汀生物合成

对红曲霉早期的研究表明，莫纳克汀L和J是洛伐他汀的生物合成途径中间体（Endo等人，1985）。结果表明，莫纳克汀L是由九个醋酸分子首先合成的，然后，反过来，经羟基转换为莫纳J克汀因子。羟基化反应中，18O2通过一个单加氧酶系统被纳入莫纳J，这个系统存在于红曲霉中自由提取的细胞色素P -450中（Komagata等人，1989）。随后的实验展示了莫纳克汀J转化为洛伐他汀的过程（Kimura等人，1990）。

在土曲霉的研究中，经过使用标记前体表明，洛伐他汀的生物合成途径也开始醋酸，醋酸分子相互之间头尾相连连接成二聚链。甲基常常是在侧链或蛋氨酸的C6上，并插入到结构中，然后关闭环（Shiao和Don 1987年）。然后，主练呈环化状态，有些他汀类的主链还会通过侧链C8主链环化。随之，经有氧氧化主链上的氧原子插入（Alberts等人1980，Greenspan和Yudrovitz 1985年，Moore等，1985年）。对P.citrinum 和M.ruber 进行的研究途径是相似的（Endo 1985; Chakravarti和Sahail 2004年）。

因此，已经证明，洛伐他汀是由聚醋酸通过派生途径而来的（Moore等人，1985）。由Peeves、McAda和骨髓增生异常综合征Panlabs公司的学者首创基因研究确定，I型聚酮合酶（PKS）基因对于土曲霉合成洛伐他汀是必不可少的（亨德里克森等，1999年）。它的产品也就是现在的洛伐他汀nonaketide合酶（LNKS）已被证明（马，唐2007）要包括七个活性中心（活性中心序列：KS ketosynthase;MAT =丙二酰辅酶A：非加太酰基转移酶; DH=脱水;MT=甲基转移酶;KR= ketoreductase;ACP=酰基载体蛋白; CON=缩合域）。在LNKS（lovB）基因的表征为理解二氢莫钠L和洛伐他汀的碳链的组装设置提供了一个平台。此外，由于次生代谢的基因都存在于微生物体内，该基因还为克隆和定性其他参与洛伐他汀合成的基因提供了一个方便的通道。Kennedy等人在1999年将此