БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2011, том 37, № 6, с. 745-779
УДК 547.458.418.057 : 547.995.17
СИНТЕЗ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДНЫХ МИМЕТИКОВ ГЕПАРИНА © 2011 г. В. Б. Крылов, Н. Е. Устюжанина, Н. Э. Нифантьев#
Лаборатория химии гликоконъюгатов, Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН,
119991, Москва, Ленинский проспект 47 Поступила в редакцию 10.05.2011 г. Принята к печати 24.05.2011 г.
Наиболее широко используемым антикоагулянтным препаратом в современной медицинской практике является природный гексозаминогликан гепарин. К сожалению, его применение может сопровождаться рядом побочных процессов, включая тромбоцитопению и кровотечения. Это определяет актуальность разработки альтернативных антикоагулянтных средств на основе модифицированного гепарина и полианионных производных олиго- и полисахаридов, таких как сульфатиро-ванные глюканы, фосфоманнаны и фукоиданы. В настоящем обзоре рассматриваются работы по синтезу олигосахаридов, отвечающих низкомолекулярным фрагментам гепарина и их производным, а также олигосахаридов, имитирующих участки цепи гепарина, определяющих биологическое действие. Работы проводились с целью создания фармацевтических препаратов, лишенных отмеченных выше недостатков гепарина.
Ключевые слова: углевод, гексозаминогликан, гепарин, антикоагулянт, миметик гепарина.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее широко используемым антикоагулянтным препаратом в современной медицинской практике является природный гексозаминогликан гепарин [1—4]. Гепарин и структурно родственный ему гепарансульфат, относящиеся к высокосульфа-тированным гексозаминогликанам (GAG), представляют собой линейные цепи, построенные из чередующихся остатков гексуроновой кислоты и а-^-глюкозамина, которые связаны между собой (1 —4)-гликозидными связями (рис. 1) [5]. Высокая гетерогенность этих полисахаридов обусловлена наличием двух изомерных гексуроновых кислот, ß-.D-глюкуроновой и a-Z-идуроновой, а также частичным 0,Л-сульфатированием и Л-ацетилирова-нием полисахаридной цепи. Гепарин отличается от
Сокращения: обозначения углеводных остатков приведены в соответствии с рекомендациями номенклатурной комиссии IUPAC-IUB; ATIII — антитромбин III; CAN (аммоний-церий (1У)-нитрат), CSA — (±)-камфор-10-сульфоновая кислота; DBU — 1,8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ен; DMAP — 4-диме-тиламинопиридин, GAG — гликозаминогликан, , FGF-1,2 — факторы роста фибробластов 1,2, FGFR-1,2 — рецепторы факторов роста фибробластов 1,2;: Lev — левулиноил (CH3C(O)CH2CH2C(O)-), NBS - Л-бромсукцинимид, NIS -Л-иодсукцинимид; рМВп — пара-метоксибензил; Py — пиридин, TBAF — тетрабутиламмонийфторид; TBS — трет-бутил-диметилсилил; TES — триэтилсилан; TFA — трифторуксусная кислота; Tf — трифторметилсульфонил; TMS — триметилси-лил, Tol — толил, Ts — п-толуолсульфонил, Z — бензилокси-карбонил; толилтриазол - метилбензотриазол. #Автор для связи (тел./факс: (499)135-8784; эл. почта: nen@ioc.ac.ru).
гепарансульфата большим содержанием остатков а-Х-идуроновой кислоты и N и 0-сульфатов. Учитывая структурное подобие гепарина и гепарансульфата, их принято объединять термином "гепа-риноиды".
За счет структурного разнообразия и высокого отрицательного заряда эти биополимеры способны связываться со многими белками, в том числе и с рецепторами, проявляя тем самым разнообразную биологическую активность [2, 4]. Наиболее хорошо изученным примером взаимодействия гепаринои-дов с белком является специфическое связывание ключевого пентасахаридного фрагмента (2) [6] с антитромбином III (АТШ), белком крови, выполняющим важную регуляторную функцию в процессе гемостаза. Комплекс гепарина с антитромбином III (АТ111) способен блокировать ряд ключевых факторов коагуляции крови, обусловливающих образование фибринового сгустка [7]. Из-за этого эффекта гепарин уже более 70-ти лет применяется в качестве антикоагулянтного препарата для предотвращения тромботических состояний.
Кроме того, в 1991 г. было обнаружено, что ге-париноиды необходимы для связывания факторов роста фибробластов (FGF-1, FGF-2 и др.) со своими высокоаффинными рецепторами (FGFR-1, FGFR-2 и др.) [8]. Это взаимодействие играет важную роль в процессах пролиферации, дифференциации и миграции клеток, а также ангиоге-незе при развитии раковой опухоли. С помощью
сл
И
К О О ч м
и о
X
к
ТчГНАс
ОН
о
V
ОБО,
шко;
(2) Ключевой пентасахаридный фрагмент полисахаридной цепи, связывающийся с АТШ
ОН
шко.
он
(3) Трисахаридный фрагмент полисахаридной цепи, связывающийся с БОР-1
ОН
он
(4) Трисахаридный фрагмент полисахаридной цепи, связывающийся с РОР-2
¡3
ё
О а
к
й тз
£
а\
Рис. 1. Структурные фрагменты полисахаридной цепи гепарина. Здесь и далее структурные формулы гепариноидов и их производных преведены в формулах Хе-уорса. Это связано с тем, что присутствующие в них остатки идуроновой кислоты обладают аномальной конформационной подвижностью и могут быть представлены смесью двух крестообразных конформеров (^Сф а также конформеров свёрнутой ванны (250) [7].
рентгеноструктурного анализа тройного комплекса РОР-РОРЯ-гепарин были выявлены сайты связывания полисахарида как с фактором роста (РОР), так и с его рецептором (РОРЯ) [9]. Анализ библиотеки различных фрагментов гепа-риноидов позволил выявить минимально необходимые трисахаридные фрагменты (3) и (4), ответственные за связывание с РОР-1 и РОР-2, соответственно (рис. 1) [10]. Помимо специфичного взаимодействия выделяют и неспецифичные связывания крупных отрицательно заряженных ге-париноидов с широким рядом белков. Отмечено, что благодаря таким взаимодействиям, гепарино-иды играют ключевую роль в процессах развития воспаления, метастазирования раковых клеток, заражения вирусами и др. [2, 3].
Такой разнообразный спектр физиологической активности накладывает существенные ограничения на применение природного гепарина и гепа-рансульфата в качестве терапевтических средств. При использовании гепарина в качестве антитром-ботического средства часто наблюдается развитие побочных процессов, таких как геморрагия и тром-боцитопения [11, 12]. Кроме того, сильный антико-агулянтный эффект нативных гепариноидов не позволяет использовать их в качестве противовоспалительных, противоопухолевых, противовирусных препаратов. Создание низкомолекулярных ми-метиков гепарина со строго определенной структурой позволяет получить высокоэффективные препараты более специфичного биологического действия, снизив тем самым риски побочных процессов [4]. Поиск таких миметиков среди синтетических сульфатированных олигосахаридов является интенсивно развивающимся направлением биохимии углеводов. Рассмотрению основных типов структур и подходов к их синтезу посвящен настоящий обзор.
1. СИНТЕЗ ОЛИГОСАХАРИДНЫХ ФРАГМЕНТОВ ГЕПАРИНА
1А. Синтез пентасахаридных цепей,
ответственных за связывание ATШ
В начале 80-ых годов XX столетия было установлено точное строение минимального фрагмента гепарина, связывающегося с АТ111 [6] и обладающего активностью, достаточной для разработки лекарственного препарата на его основе. Фактически, это открытие создало основу для всех дальнейших исследований, направленных на поиск низкомолекулярных аналогов и миметиков гепарина. Было показано, что обсуждаемый фрагмент является пентасахаридным и состоит из трех сульфатированных остатков глюкозамина, остатка глюкуроновой кислоты и остатка 2-О-сульфатированной идуроновой кислоты (рис. 1).
Позднее, в середине 80-х годов, исследовательскими группами Синаи и ван Бёкеля независимо друг от друга был осуществлен синтез соединения (5) [13, 14], отвечающего обсуждаемому структурному фрагменту гепарина.
Схемы сборки целевого пентасахарида (5) в обеих работах, базирующиеся на результатах проведенного ретросинтетического анализа (схема 1), были схожи и предполагали использование одного и того же защищенного предшественника (6). Гидроксильные группы, которые планировалось сульфатировать, были защищены ацетильными заместителями, остальные — бензильными. Использование 2-азидосахаров в качестве предшественников остатка глюкозамина связано с необходимостью присутствия несоучаствующего заместителя при С2 для построения а-гликозидных связей. Для сборки целевого пентасахарида (5) в обеих работах была использована схема [1 + 4], то есть на ключевой стадии синтеза осуществлялось сочетание моносахаридного донора (7) с тетраса-харидным гликозил-акцептором (8). В свою очередь, фрагмент (8) получали по схеме [2 + 2] гли-козилированием дисахаридного блока (10) диса-харидным гликозилбромидом (9). Синтез, осуществленный параллельно в группе ван Бёкеля [14], отличался от вышеописанного только использовавшейся защитной группой при О4' в гли-козил-донорном аналоге блока (9) (левулиновой вместо хлорацетильной), а также применением 2-азидо-2-дезокси аналога ^-бензилоксикарбо-нильного производного (10).
Сочетание избирательно защищенных дисаха-ридных блоков (9) и (10) осуществлялось в присутствии AgOTf и приводило к тетрасахариду (11), в котором затем удаляли временную хлорацетиль-ную защиту при О4 остатка глюкуроновой кислоты с образованием тетрасахаридного акцептора (8) (схема 2). Взаимодействие моносахаридного бромида (7) с тетрасахаридом (8) в присутствии AgOTf приводило к требуемому пентасахариду (6) с выходом 89%. Схема, позволяющая перевести защищенный предшественник в целевое сульфатиро-ванное производное, была разработана также в этих первых работах и принципиально не изменилась до самых современных синтезов. На первой стадии проводили омыление ацильных защитных групп, после чего сульфатировали свободные гидрок-сильные группы. Далее гидрогенолизом в присутствии катализатора Pd/C удаляли бензильные заместители, одновременно восстанавливая азид-ные группы до аминных. Финальное селективное ^-сульфатирование в водных условиях приводило к целевому продукту (5).
(9) (10)
Схема 1. Ретросинтетический анализ пентасахаридного фрагмента гепарина (5) [7].
(9)
(10)
СООМе
RO
ОВп
.ОАс
ОАс О,
N.
ОАс
ОВп NHZ
/ (11) R = С1СН2СО Л (8)R = Н
7, т
(6)
(5)
+
Схема 2. Синтез пентасахарида (5) по Синаи [13]. Реагенты и условия: г: AgOTf, 2,4,6-триметил-Ру, -20—*-20°С, 18
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.