青蒿素_中药奇葩疟疾克星

第25卷 增刊大学化学2010年4月

青蒿素 中药奇葩疟疾克星

吴毓林

(中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室 上海200032)

1 疟疾和抗疟药

疟疾是一种很古老的疾病,我国远在公元前的黄帝内经!素问∀中即有记载,而疟(瘧)字则在更早的甲骨文中就已存在。疟疾也是全球流行最广泛的传染病之一,迄今虽已主要局限于东南亚、非洲等一些热带地区,但每年仍有2~3亿人感染,约100万人死亡。19世纪末才搞清楚疟疾是一种由蚊子传播疟原虫而引起的寄生虫病,但是在病因清楚之前人类社会一直在和疟疾进行抗争,在我国的很多中医医籍中都可以看到多种多样的截疟、治疟的处方,而在南美洲的印第安原住民则用当地特有的金鸡纳树(c i n chona)的树皮来治疗疟疾,这一树皮在17世纪传入了欧洲,解救了当时欧洲众多的疟疾患者。处于现代化学萌芽期的欧洲在利用树皮作药的同时,开展了对其有效成分的分离,1820年分离得到了其中主要的抗疟成分奎宁(quinine),1922年最终确定了它的结构,之后基于应对奎宁的来源问题和探索更有效的抗疟药物,第二次世界大战后基本上是模仿奎宁的结构而设计发展了一批新的药物如氯喹(ch l o r o quine)、伯喹(pri m aquine)等,从而形成了现在可称之为第一代的一线抗疟药物(图1)。

图1 奎宁和奎宁类抗疟药

2 中药青蒿和青蒿素的发现

奎宁和氯喹这类药物对疟疾治疗的成功没有延续太久,20世纪60年代开始出现了抗药性的疟原虫,尤其是在东南亚和非洲地区,甚至已到了无有效药物可用的地步。而当时的越南战争则更凸显这一问题的严重性,热带丛林地区疟疾肆虐,成为部队大量减员的主要原因。越南方面向中国提出了协助解决疟疾困扰的要求,中国领导人接受了这一要求,确立了由全国多部门参加,以疟疾防治药物研究为主要任务,代号为#523∃的紧急军工项目。为解决抗药性问题,该项目除注意合成新化合物外,更期望从中药中发现新的抗疟有效成分。在#523∃项目的

组织下,各参加单位数年间筛选了数以百计的中草药药材,从中获得了一批有效单体,再根据抗疟活性、毒性和植物资源等方面的因素选出了青蒿素作为重点研究对象。中药青蒿的抗疟作用虽然早在晋代葛洪的肘后备急方∀的治寒热诸疟第十六∀中已经提及,但药材青蒿所指的植物并不明确,直至1977年版的中华人民共和国药典∀中还称包括青蒿(Arte m isia ap iacea H ance)和黄花蒿(Arte m isia annua L.)二种植物,现在知道仅在黄花蒿中含有青蒿素,而且黄花蒿中青蒿素的含量与产地大有关系,欧美和中国北方乃至东部产的黄花蒿中青蒿素含量很低。即便中国西南地区产的高含量黄花蒿中,青蒿素的含量也仅0.6%~1.1%。相对于金鸡纳树皮中含有5%的奎宁生物碱,青蒿素的发现要困难得多。在20世纪60年代曾进行过中药青蒿的分离研究,但未有所获,可能是所取药材不对或提取条件不合适。1971年发现市售青蒿用乙醚提取得到的提取液残渣对鼠疟原虫的抑制率可达100%,而且在初步的临床试验中也取得了较好的效果。但是继续大量提取到的青蒿素II临床效果却不佳,也许与其前后采用的药材产地不同有关。幸运的是,不久之后用石油醚或乙酸乙酯从黄花蒿中提取到了高效的抗疟单体,称之为黄花蒿素或黄蒿素,即现在的青蒿素。研究还发现四川,现重庆酉阳产的黄花蒿含有较其他地区高得多的青蒿素,以致于后来在酉阳建立了我国第一家吨级规模的青蒿素生产厂。

1973年分离出青蒿素单体后开展的药理和临床研究证明,青蒿素对疟原虫尤其是对抗药性虫株有极高的杀灭作用,但是它的化学结构却在两年多以后才最后得到完全的确证[1]。1975年初,根据当时测得的波谱数据和综合化学反应研究结果,已经能得出结构的大致状况,如青蒿素是分子式为C15H22O5的倍半萜内酯化合物,不含羟基和双键。以后在另一抗疟天然产物鹰爪甲素(y i n gzhaosu A)是过氧化合物这一信息启发下[2],通过定性和定量分析,证明青蒿素也是一个过氧化合物。再参考南斯拉夫从同一植物中分离出的属倍半萜杜松烷(cadi nane)类型的青蒿乙素(arteannuin B)结构[3 4],提出了过氧基团处于内酯位的可能结构,为当时生物物理所的计算提供了有益的参考。完整的、确切的青蒿素结构最后是由生物物理所在化学推断的基础上,于1975年底通过单晶X光衍射分析才确定下来的;1978年再由反常散射的X光衍射分析最后确定了青蒿素的绝对构型(图2)[5]。

在青蒿素发现历史上有一个小插曲。1979年青蒿素的结构公开报道后,当年从Arte m isia annua L.(黄花蒿)中分离出青蒿乙素的南斯拉夫化学家曾一再声称,他们当时除青蒿乙素外也已分离得到了青蒿素,只是因没有确切地定下结构才未正式报道。对此他们很遗憾,错失了这一重大发现。据我们事后看到的他们登在国际会议论文集上的摘要[6],他们报告了一新化合物,并认定其为一臭氧化合物(ozn ide of dihydroarteannuin)。现在看来,此化合物的分子式虽然与青蒿素相同,但另一些数据和化学反应情况则与青蒿素有所出入。其实,他们从贝尔格莱德地区所采集的黄花蒿中青蒿素含量很低,分离的难度较高;更重要的他们是从事纯天然产物方面的分离与结构分析,即便发现了青蒿素,也不可能知道它是新一代的抗疟活性化合物。

3 青蒿素的化学

青蒿素分子式C15H22O5,分子量282.34,无色针状晶体,熔点:150~153%,比旋光度[ ]D

图2 青蒿素的结构测定

为+68(c=1.0,C HC l3)。属倍半萜4,5 碳碳键断开的杜松烷(cadinane)结构类型,含7个立体异构源中心(手性中心),具有独特的三噁烷结构单元和有趣的C OO C O C O C O原子链,形成过氧缩酮、缩醛和内酯的串联组合。X光晶体衍

射显示5个氧原子集中在分子的一侧(图3)。

图3 青蒿素的结构

迄今,植物化学研究显示,青蒿素以及11 次甲基青蒿素(arti m isitene)是自然界仅有的含

三噁烷结构单元的化合物。生源合成研究证明,青蒿素是按通常杜松烷型倍半萜的合成途径经二羟甲戊酸(m evalon ic ac i d)、紫穗二烯(a m orpha 4,11 d i e ne)合成到青蒿酸,后再由青蒿酸转化至青蒿素以及黄花蒿中同时微量存在的11 次甲基青蒿素,只是仍不清楚后一步需要光照下实现的转化是如何进行的,是否为酶催化的过程(图4)。由于近年青蒿素类药物需要量大增,而青蒿素的原料基本依赖于中国,国外一些实验室在巨资资助下探索用基因工程的方法合成青蒿素,但至今还只能实现青蒿酸的合成,也正是由于还不清楚最后一步过氧基团引入的过程,无法合成到青蒿素。

与一般过氧化合物不同,青蒿素是一个比较稳定的化合物,室温下可长期保存,190%时过

氧裂解生成重排产物。通常在稀酸条件下过氧基团不受影响,而碱性条件下则过氧基团极易断裂生成多种产物。青蒿素最引人关注的反应是它的还原反应(图5),氢化还原得脱氧青蒿素,醋酸 锌粉、醋酸 碘化钠和电化学还原也可得脱氧青蒿素(deoxyq i n ghaosu),但后两个反应

产率不高。脱氧青蒿素尽管只失去一个氧原子,但抗疟活性完全丧失,这是过氧基团为青蒿素