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本来说忙于访学暂时不写博文了，但适逢新年假期有点空闲时间，顺手介绍一下我们最近发表的一项工作。这篇论文（Organic Letters 2015, 17(24): 6098-6101）讲述的是没有D环的紫杉烷，即所谓D-seco taxane能够表现出与紫杉醇类似微管结合力以及细胞毒性。我们的工作算是为紫杉醇构效关系中一个长期未能彻底解决的小问题画上了一个句号。
D环是紫杉醇（paclitaxel）和多西他赛（docetaxel）一个四员氧环，这个小环的独特存在，对于紫杉醇的生物活性影响还特别大，所以引起人们的持续关注。这里先讲一个背景知识，紫杉醇所属的紫杉烷类分子作用于微管，通过影响微管的聚合和解聚合过程，使肿瘤细胞的有丝分裂不能顺利进行，从而产生凋亡（也可能还有其他形式的死亡），产生细胞毒性即俗称的抗癌活性。
早期把D环打开的同时，也影响了其他一些取代基的存在，使人们无法准确考察D环的贡献。换句话说，无法准确阐述这些化合物活性丢失的原因，究竟是D环开环，还是其他取代基的改变？
此后经过人们持续的努力，先后发现了如下三个结构的分子（1-3），对促进微管聚合/抑制解聚的作用分别是紫杉醇的1/3，1/7和与之类似。不过，这些D-seco紫杉烷有一共同之处，那就是细胞毒性特别低，只有紫杉醇的1/1000到1/100，也就是说紫杉醇的细胞毒通常为纳摩尔级，而这些分子只有微摩尔级或稍强。
这样就不免带来一个疑问：是否D环开环导致的微管作用降低，可以被通过其他结构的变化而补偿，而细胞毒的损失却不能呢？或者也可以这样提问：如何解决D-seco taxane在分子和细胞水平上作用的分离？本来紫杉烷分子对微管的作用和细胞毒性通常是高度相关的（可参见包括我们前期工作在内的有关文献），但也有少量分子这两个作用是分离的。这一方面如那些论文的作者所推测，是和分子不能顺利进入细胞有关（也有课能是在细胞中化合物不稳定），总之是细胞中有效药物浓度太低，导致分子和细胞水平作用的关联度降低。另一方面也可能缘于其中某些分子的靶点从微管变为其他靶点，或者是多靶分子但其他靶点对细胞毒性的贡献成为主要因素。
虽然细胞内有效浓度低是一个常见的想法，但这类分子的结构高度相似，其理化性质应该比较接近，这使我对这个解释产生怀疑。如果有人说P-糖蛋白这类外排蛋白对这类微小结构变化可能很敏感，但我们对紫杉烷研究的经验和从文献结果得出的推论，此类分子的“北半球”也就是上半部是与P-糖蛋白作用的位点。而作为地处“南半球”也就是分子下半部的D环变化未必能有这么明显的差别。因此我的假设是，已有的D-seco taxanes 1-3虽然与微管有相当强的作用，但可能作用不够持久，难以在细胞水平产生细胞毒这类生物学效应。于是我的想法是在分子内引入可以稳定与微管作用的基团，就有可能恢复细胞毒性。
第一个尝试是在结构3上寻求改变，将其20位甲基变为羟甲基、甲酰基、甲氧甲基等基团（结构通式参见3’，其中R=CH2OH, CHO, CH2OCH3）。然而这类结构合成的难度很大，常常出现各种反应不能得到预期产物，使得我们被迫放弃进一步合成这类结构的分子。这时候我似乎开始理解，为什么当初文献合成3时最后一步反应仅有不到5%的收率！
这时我的助手建议把3位乙酰基变为甲基，也就是合成4的结构，理由是前面的意外反应很多与4-酰基结构有关，使用醚类结构可以避免这些反应，同时4位甲氧基取代紫杉醇的作用也只是略弱于带有4为乙酰基的紫杉醇。我同意了他的观点，于是合成了4的系列物，但其中R-=CHO的结构仍然因为不稳定而未能得到。
不过遗憾的是，虽然我们的分子模拟合作者预测这几个化合物与微管的结合与紫杉醇接近，但实验测定的结果却是比紫杉醇弱了约40-200倍，其中R=CH2OH的结构作用最强。对于这一结果，我推测甲氧基可能带来了比较大的影响，于是建议把甲氧基改为烯丙基，一是让4位取代基指向更深的结合口袋，同时由于烯丙试剂活性较高使合成相对容易，而且一步转化即有望得到结构5中乙酰甲基醚的结构。要知道该文的第一作者为此课题已经苦苦奋斗了3-4年，这个课题“做得都快吐了”，也就是产生了抵触心理。所以我也希望能迅速找到一个出口，如果还走不通就打算这样总结了。
幸运的是，结构5与其4位甲氧基的结构类似物相比，不仅把对微管的结合提高了10倍，更把细胞毒提高了300倍！也就是说我们做到了把微管作用和细胞毒均提高到与紫杉醇类似的程度，也消除了D-seco taxane中分子与细胞水平作用分离的现象。虽然把烯丙醚改变为乙酰甲醚的结构仍未能成功（参见结构5中带虚线框中的片段），但这已足以使我们以“Restoration of Microtubule Interaction and Cytotoxicity in D-seco Taxanes Upon Incorporation of 20-Hydroxymethyl-4-Allyloxy Groups”为题递交了我们的论文。
文章发表后，我给组里群发邮件里说，这项工作非常考验毅力。就在我们几乎要认命的时候，成功悄然来临。因此这也算是一个励志故事，告诉大家持之以恒的努力才能修成正果。
如果说我们走出了紫杉烷研究中一个长期未能解答问题的最后也是关键性的一步，应该不算过分。不过对于那些作用于微管作用强但细胞毒性很弱的D-seco taxane而言，我们依然不知道原因究竟是什么。虽然我基于当初的假说最终幸运地得到了具有期望性质的分子，但当初那些研究者的推测究竟对不对，我依然无法回答。虽然他们的理由不能说服我，但我也没有证据说明他们是错的。要解答这个疑问，毫无疑问还需要进一步的工作，不过我们已不再有解答这个问题的动力。这个问题或是将来由其他人来回答，或是恐怕将永远成为知识海洋中一个未解的小小谜团。