Химики Массачусетского технологического института (MIT) впервые успешно синтезировали вертициллин А – грибковую молекулу, известную более 50 лет назад и привлекшую внимание своим потенциалом как противораковое средство.
Создание вертициллина А считается чрезвычайно сложной задачей из-за его замысловатой химической архитектуры. Даже по сравнению с близкородственными соединениями, его синтез оказался значительно труднее, несмотря на различие всего в паре атомов.
Профессор химии MIT Мохаммад Мовассаги подчеркивает, как тонкие структурные изменения могут существенно усложнить синтез. Он отмечает, что теперь у исследователей есть технология для получения этой молекулы спустя более 50 лет после ее открытия, а также для создания множества вариантов для дальнейших детальных изучений.
В лабораторных тестах, проведенных с использованием человеческих раковых клеток, одно из производных вертициллина А показало многообещающие результаты против диффузной глиомы срединных структур – агрессивного детского рака мозга. Ученые, однако, подчеркивают, что необходимы дополнительные испытания для оценки его потенциальной применимости в клинической практике.
Соавторами исследования, опубликованного в Journal of the American Chemical Society, являются Мовассаги, а также доцент медицины Джун Ци из Dana-Farber Cancer Institute/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center и Гарвардской медицинской школы. Ведущим автором статьи стал Уокер Кнаусс. Среди других авторов – медицинский химик и химический биолог Сюки Ван, а также директор по исследованиям Мариэлла Филбин из Pediatric Neurology-Oncology Program при Dana-Farber/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center.
Изначально вертициллин А был выделен из грибов в 1970 году. Грибы используют это соединение для защиты от патогенов. Вертициллин А и аналогичные грибковые молекулы изучались на предмет потенциальной противораковой и антимикробной активности, однако их сложность долгое время препятствовала синтезу.
В 2009 году лаборатория Мовассаги успешно синтезировала (+)-11,11′-дидезоксивертициллин А – соединение, тесно связанное с вертициллином А. Эта молекула имеет 10 колец и восемь стереогенных центров – атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя различными химическими группами, требующими точной ориентации, или стереохимии.
Даже после того успеха сам вертициллин А оставался недостижимым. Ключевое различие между вертициллином А и (+)-11,11′-дидезоксивертициллином А заключается в двух атомах кислорода, но их добавление кардинально изменило поведение молекулы в процессе синтеза.
Мовассаги объясняет, что эти два атома кислорода значительно сужают возможности для химических превращений. «Они делают соединение настолько хрупким, настолько чувствительным, что даже после многих лет методологических достижений, оно продолжало представлять собой вызов», – отмечает он.
Обе версии молекулы вертициллина состоят из двух идентичных половин, которые должны быть соединены в структуру, называемую димером. В предыдущем синтезе (+)-11,11′-дидезоксивертициллина А команда проводила димеризацию ближе к концу процесса, а затем формировала четыре ключевые связи углерод–сера.
При попытке применить ту же последовательность к вертициллину А это не сработало. Добавление связей углерод–сера на поздних этапах не обеспечило правильной стереохимии, что вынудило команду полностью перепроектировать порядок шагов.
«Мы поняли, что время проведения событий абсолютно критично. Нам пришлось значительно изменить порядок образования связей», – говорит Мовассаги.
Новый синтез начинается с производного аминокислоты – бета-гидрокситриптофана. Оттуда исследователи поэтапно строят структуру, добавляя химические функциональные группы, включая спирты, кетоны и амиды, тщательно контролируя стереохимию на каждом этапе.
Для обеспечения этого контроля команда на раннем этапе ввела группу, содержащую две серно–углеродные связи и дисульфидную связь. Поскольку дисульфиды чувствительны, их пришлось «маскировать», превращая в защищенную пару сульфидов, чтобы структура не разрушилась во время последующих реакций. После димеризации дисульфидсодержащие группы были восстановлены.
Мовассаги комментирует, что эта конкретная димеризация выделяется по сложности объединяемых субстратов, которые имеют такую плотную группу функциональных групп и стереохимии.
В общей сложности путь от исходного бета-гидрокситриптофана до вертициллина А занимает 16 шагов.
С появлением доступного вертициллина А исследователи смогли также адаптировать подход для создания его производных. Команда из Dana-Farber протестировала эти молекулы против нескольких типов диффузной глиомы срединных структур (DMG) – редкой опухоли мозга с ограниченными вариантами лечения.
Наиболее сильные эффекты наблюдались в клеточных линиях DMG, которые производят высокие уровни белка EZHIP. EZHIP влияет на метилирование ДНК и ранее был отмечен как потенциальная мишень для лекарств против DMG.
Ци отмечает, что определение потенциальных мишеней этих соединений сыграет решающую роль в дальнейшем понимании их механизма действия. Это также поможет оптимизировать соединения из лаборатории Мовассаги, сделав их более целенаправленными для разработки новых методов терапии.
Производные вертициллина, по–видимому, воздействуют на EZHIP таким образом, что увеличивают метилирование ДНК, что приводит раковые клетки к запрограммированной клеточной гибели. Наиболее эффективными молекулами в этих экспериментах оказались N-сульфонилированный (+)-11,11′-дидезоксивертициллин А и N-сульфонилированный вертициллин А. N-сульфонилирование – добавление функциональной группы, содержащей серу и кислород – улучшает молекулярную стабильность.
Мовассаги объясняет, что сам природный продукт не является самым мощным, но именно его синтез позволил создать производные и изучить их.
Далее исследователи из Dana-Farber планируют более детально подтвердить, как действуют производные вертициллина, и надеются протестировать соединения на животных моделях педиатрических раковых опухолей мозга.
«Природные соединения – ценный ресурс для открытия лекарств, и мы полностью оценим терапевтический потенциал этих молекул, объединяя наш опыт в химии, химической биологии, онкобиологии и уходе за пациентами. Мы также профилировали наши ведущие молекулы в более чем 800 линиях раковых клеток и сможем шире понять их функции при других видах рака», – говорит Ци.
Исследование было профинансировано Национальным институтом общих медицинских наук (National Institute of General Medical Sciences), Фондом исследований эпендимом (Ependymoma Research Foundation) и Фондом Curing Kids Cancer Foundation.
