导语
天然产物是创新药物的主要结构来源。Sarpagine生物碱历史悠久，主要来自于夹竹桃科和钩吻科等具有传统用药历史的植物中，目前已有超过100个成员被分离鉴定。然而该类生物碱的天然来源有限，限制了其在新药研发中的应用，同时其化学结构也往往需要深度改造以提升成药性。近日，重庆大学药学院张敏课题组在该领域取得进展，相关研究成果发表在Nat. Commun.（DOI: 10.1038/s41467-023-41268-9）。
前沿科研成果
发展Bischler-Napieralski/homo-Mannich反应新序列
重庆大学药学院张敏教授团队长期致力于具有重要活性的生物碱的全合成研究。该课题组基于环丙醇对亚胺加成（homo-Mannich反应）的发现，开发了C–H键氧化—homo-Mannich串联和连续反应，实现吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环的快速构建，完成了萨杷晋碱、钩吻碱、马钱子碱的全合成（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 6420; Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60, 13105；Nature Chem.2023, 15, 1074）；开发了吲哚不对称烯丙基去芳构化—homo-Mannich反应序列，完成了白坚木碱、蕊木碱、山橙碱和ibophyllidine碱等的全合成（Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202307286）。开发了环丙醇对富电子芳环的加成和偶联反应，实现了schizozygane碱和indolizidine碱的合成（J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 19975; Org. Lett.2023, 25, 2058）。
在前期研究中，构建吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架使用的C–H键氧化—homo-Mannich串联反应十分依赖N-PMP基团，尽管其使用可以协助C–H键氧化和homo-Mannich串联反应高效发生，但其引入和去除也为合成路线带来了额外的步骤。为进一步提高构建吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架的效率，张敏课题组近日利用甲酰胺1的Bischler-Napieralski反应产生亚胺离子2，随后其与分子内的环丙醇基团发生homo-Mannich反应，在无保护基使用下快速高效地实现了吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架的构建，从而进一步缩短了sarpagine生物碱的全合成路线，也为其多样化衍生提供了方法学基础（图1）。以此为关键反应，完成了系列sarpagine生物碱的全合成。初步抗增殖实验发现天然产物vellosimine和Na-methylvellosimine具有中等的抗肿瘤活性。得益于sarpagine生物碱核心骨架—吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架新构建方法的开发，作者合成了一系列的天然产物衍生物，找到了活性提高10倍以上的衍生物15ai，并揭示了其作用机制为诱导铁死亡发挥抗肿瘤作用。
图1. 研究背景（图片来源：Nat. Commun.）
天然产物全合成合成如图2示。该研究以L-色氨酸酯为原料，通过N-甲酰化和Kulinkovich反应两步制备具有多种取代的手性环丙醇1，进而通过新发展的Bischler-Napieralski/homo-Mannich反应序列构建吲哚并氮杂[3.3.1]壬烷桥环骨架。随后，通过酮羰基α-联烯化反应构建氮杂[2.2.2]辛烷桥环骨架。以化合物14为关键中间体，通过对C16位羰基和C20位联烯的官能团转化，完成了vellosimine (4)、Na-methylvellosimine (5)和10-methoxyvellosimine (6)的不对称全合成。以15a为中间体，经过酯化、钯碳氢化还原和N-季铵盐化实现alkaloid Q3 (7)的全合成。此外，15a经过N-甲酰化、aldol/Cannizzaro串联、N-脱甲酰化反应得到二醇18，DDQ氧化18生成醚19，随后经AZADO氧化和NIS/MeOH氧化得到酯20。20经TFA/Et3SiH还原和联烯的氢化还原，实现了polyneuridine (8)地全合成。polyneuridine (8)经N-季铵化转化为天然产物macusine A (9)。对20进行N-甲基化和钯碳氢化还原，便实现了dehydrovoachalotine (10)全合成。
图2. Sarpagine生物碱的全合成（图片来源：Nat. Commun.）
经过初步的抗肿瘤细胞增殖实验筛选，作者发现天然产物vellosimine和Na-methylvellosimine具有中等的抗细胞增殖活性，进一步对该类sarpagine生物碱进行结构优化，发现衍生物15ai可将活性提高10倍。随后，通过系统的活性研究发现，化合物15ai具有诱导肿瘤细胞铁死亡的作用。将铁死亡抑制剂Ferrostatin-1或ROS抑制剂N-乙酰半胱氨酸与化合物15ai共培养处理细胞后，发现共培养组的细胞存活率显著提升。流式细胞术证实15ai可显著诱导脂质ROS和胞质ROS水平增加，并且该诱导趋势可被Fer-1抑制。此外，使用透射电镜分析了细胞形态学变化，结果表明15ai处理后的细胞出现线粒体肿胀的现象（细胞发生铁死亡的一个显著特征）。最后，通过Western Blotting实验证实了化合物15ai可通过下调SLC7A11，减少GSH合成，诱发ROS积累，从而诱导肿瘤细胞铁死亡（图3）。
图3. 化合物15ai诱导MDA-MB-231细胞铁死亡（图片来源：Nat. Commun.）
总结
该研究发展了一种Bischler-Napieralski/homo-Mannich反应新序列，高效简洁地实现了sarpagine生物碱核心骨架—吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架的构建。以此为关键步骤，完成了系列sarpagine生物碱和衍生物的多样性合成。通过活性研究发现了活性提高10倍以上的天然产物衍生物，并揭示了其作用机制。
该论文由邱寒月、费兴海、杨娇娇、乔桢、袁珊等多届学生和老师接力完成，通讯作者是张敏教授。该研究得到国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费、重庆市科技局、泸州市科学技术和人才工作局等的经费支持。
论文信息：
A Bischler-Napieralski and Homo-Mannich Sequence Enables Diversified Syntheses of Sarpagine Alkaloids and Analogues
Hanyue Qiu, Xinghai Fei, Jiaojiao Yang, Zhen Qiao, Shan Yuan, Hu Zhang, Ling He, and Min Zhang
Nat. Commun.,2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41268-9
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