今年的諾貝爾化學獎來得非常及時，本文希望通過梳理有機化學在當前製藥工業的應用前景和面臨的新課題，改變普通大眾對有機化學的誤解和負面看法。
撰文｜謝雨禮
責編｜劉楚
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有機化學仍是製藥行業的核心科技
有機化學，包括天然產物化學和有機合成和方法學等是現代製藥起源和發展的基石。現代製藥起源於小分子化學藥物，比如我們耳聞能詳的藥物青黴素，阿斯匹林，二甲雙胍，青蒿素等。
早期，科學家通過分離天然產物或者有機合成獲得這些藥物後，依靠動物模型生物活性篩選。到上個世紀五十年代，以DNA雙螺旋結構為起點的分子生物學起步，基於靶點的小分子藥物發現蓬勃發展，產生了他汀、拉唑、沙星以及抗病毒和腫瘤靶向藥等一批改變臨床實踐的革命性藥物。
隨後，分子生物學以及生命科技的發展，讓我們能夠從分子層面更好地理解生命的奧妙，包括疾病的發生發展的機理，干預靶點和治療疾病的藥物形式不再局限於小分子，逐漸多樣化。
1976年 ，赫伯特·伯耶（Herbert Boyer）和羅伯特·斯旺森（Robert Swanson）基於DNA重組技術創建了基因泰克（Genentech）公司，這被認為是現代生物製藥起步的標誌。
今天，以單抗為代表的生物藥已經成為一種主流藥物形式，逐漸打破化學藥的壟斷地位，市場份額不斷攀升。蛋白偶聯藥物、核酸、細胞療法、腸道菌、病毒、基因療法和基因編輯也急起直追，成為生物醫藥創新的前沿領域。
這種態勢下，有人認為傳統化藥到頭了，其背後的有機化學也沒有那麼重要了。
這顯然是一個誤解。以新冠藥物molnupiravir受到業界極大關注為例，小分子新冠抗病毒藥物仍然有着不可忽略的優勢。
主要原因有：
有機化學對於醫藥行業的重要性也沒有下降。一方面，有機化學依然是驅動小分子藥物和技術創新的動力；另一方面，有機化學也是新興生命科技必不可少的賦能工具。
自人工合成尿素以來，有機合成已有近200年歷史，技術進展至 「沒有合成不了的分子」，但在製藥領域遠非充分和完善。
作為製藥工業創新的發動機，有機化學當前面臨許多新課題，包括擴展小分子藥物的化學空間、開發環保經濟的生產工藝、智能化和自動化以及生物醫藥新技術的發展等。
課題一：擴展小分子藥物的化學空間
與天然產物複雜多樣的結構比較，目前合成藥物所涉及的化學骨架只是冰山一角。現有藥物分子大致可以歸納到32種化學骨架，大部分含有常見的20種側鏈[1]。
考慮到起始原料、合成難度、反應條件以及時間和資源的限制，藥物化學家一般傾向使用少數可靠通用的化學反應，導致藥物分子局限在比較窄的化學空間。
這種習慣操作導致發現新藥的機會減少，也為藥物後續開發帶來系統性困難。比如，由於金屬催化的偶聯反應大規模使用，導致聯苯結構在化合物庫和候選藥物分子中過度集中。聯苯等平面結構化合物一般溶解性較差，給製劑帶來挑戰。另外，去除金屬雜質也成為工藝開發的重要課題。因此，發現更多簡單方便、手性可控、功能和位置選擇性高的新反應和新化學對於擴展小分子藥物的化學空間至關重要。
過去20年，湧現了不少革命性的化學反應和方法，其中金屬催化的不對稱氫化和環氧化、烯烴複分解反應、偶聯反應，以及有機小分子不對稱催化已經獲得諾貝爾獎的認可。
就製藥行業來說，這還遠遠不夠，藥物化學家希望能夠自由編輯有機分子，也就是在多種官能團存在下，特異性地插入、刪除、交換和構建分子中的原子和官能團[3]。
近年來，以C-H和C-C活化為核心的分子後期功能化（LSF）朝着分子編輯這一目標邁進了一大步（圖1）。比如，親電的氟試劑NFSI，亞磺酸鹽介導的自由基氟烷基化，以及可見光氧化還原催化的CF3偶聯反應可以在後期方便地引入藥物改造中最受歡迎的氟原子[4-6]。
以Suzuki−Miyaura、Negishi、Buchwald-Hartwig、Chan-lam和Ullmann為代表的偶聯反應是藥物化學和工藝化學中構建C-C鍵和C-N鍵最常用的反應，近年來也不斷進化和改善，增加藥物分子常見的氮雜環和極性官能團的耐受性，底物範圍不斷擴大。
偶聯反應的下一個熱門方向是季碳（Csp3）的構建，包括sp3-sp2，sp3-sp3，sp3-N偶聯等[7]。
引入季碳的優點是化學空間呈指數級增加，有望克服藥物分子骨架缺乏多樣性的瓶頸。然而，其缺點同樣明顯。季碳引入手性中心，異構體、雜質數量以及工藝開發難度也大幅增加，給藥物後續開發帶來挑戰，因此理想的季碳偶聯應該是立體選擇性的。
另外一種構建含有多個季碳、類似於天然產物分子骨架的方法是平面結構的還原。比如，上海有機所游書力實驗室發展了系列不對稱去芳構化反應，可以從芳香化合物直接合成天然產物和藥物分子中廣泛存在的季碳中心和螺環結構[8]。多組分反應、多樣性導向合成（DOS）、點擊化學以及DNA模板化學反應和DNA編碼化合物庫等策略和技術也在嘗試新的反應和方法，保持化合物數量優勢的同時克服多樣性不夠的缺點。
課題二：開發環保經濟的生產工藝
工藝開發在某種意義上對化學的要求更高，既要簡單經濟又要綠色環保。今年諾貝爾化學獎的選擇，環保應該是重要的考量因素。不對稱有機催化劑避免了重金屬的使用，受到製藥界的歡迎。最近的例子包括默沙東開發的aza-Michael反應立體選擇性的有機催化劑，用於抗病毒藥物letermovir的生產[9]。
除了有機小分子，生物酶也是理想的綠色催化劑。通過蛋白質工程獲得的transaminase成功應用於糖尿病重磅藥物西他列汀（sitagliptin）的商業化生產激發了製藥界開發酶催化劑的熱情[10]。
另外，生物酶在藥物化學中也逐漸得到應用，特別是內源性物質及其類似物的合成.最近的例子包括腫瘤免疫藥物STING激動劑[11]。
此前，生物酶的應用一直受限於窄的反應類型，其穩定性、活性和選擇性需要通過煩瑣的蛋白工程進行優化。酶的定向進化被認為是解決這一問題的方案，2018年被授予諾貝爾化學獎。
四年內兩獲諾獎，綠色催化劑的重要性可見一斑。
已有報道的方法學和催化劑，一般底物覆蓋的範圍有限，而且經常避免了藥物中常見的極性基團。如何就特定的底物快速找到最合適的反應條件和催化劑是工藝化學的重要課題。
借鑑於生物中的高通量篩選，微量高通量實驗成為加速藥物發現和工藝開發的有用工具[12]。自動化的微量反應器、高通量分析方法（MISER）、MALDI質譜等技術允許短時間內完成數百個到上千個化學反應。禮來公司2013年就報道了他們的自動化平台，每年能夠開展一萬六千個100毫克級的、類型多樣的反應[13]。今天，許多CRO公司能夠提供高通量篩選反應條件和催化劑的服務。
流動化學也是當前工藝開發和綠色化學的前沿領域。不同於傳統的批次反應，流動化學工藝用泵將物料以設定流速打入反應管連接的多個微型反應器或艙室進行充分混合和反應。
由於這些管或艙室的體積非常小，僅需小量的物料進行連續反應，因此帶來諸多益處，。比如減少昂貴試劑的用量、降低溶劑消耗和危廢量、改善溫度控制、以及提高反應效率和安全性等。
流動化學物料接觸表面積大、混合充分，特別適用於光化學和氣液兩相反應。流動化學還可以嵌入金屬的反應管道，直接作為催化劑的來源。比如，諾華以銅管作為催化劑來源，開發了三步92%的收率合成抗驚厥藥物rufinamide的工藝路線[14]。
目前，流動化學工藝的藥品生產質量管理規範（Good Manufacture Practice of Medical Products，GMP）日益完善，FDA已經批准了多個藥品臨床和商業化的連續生產。
禮來是較早研究流動化學的製藥公司之一， 於2017年在《科學》雜誌上報道了cGMP條件下公斤級連續生產抗腫瘤藥物prexasertib的工藝，在標準的通風櫥中每天可以生產三公斤原料藥，流動化學環保經濟的優勢展露無遺[15]。
課題三：智能化和自動化
人工智能（AI）是當前最具革命性的賦能技術，逐漸被引入到各個領域中。AI與高通量技術、流動化學、實時監測和在線分析技術日益融合，藥物化學和工藝化學正在走向智能化和自動化。
AI在化學中最直觀的應用就是設計有機合成路線。Corey提出的 「逆合成分析原理」 獲得了1990年諾貝爾化學獎。
Corey在此基礎上開創了運用計算機技術進行有機合成設計，為AI的應用奠定了基礎。AI路線設計主要有 「基於規則」 和 「機器學習」 兩種算法。
基於規則主要是利用已知的化學反應、選擇性原理、官能團的耐受性等知識進行推算。化學仍然是半經驗科學，基於規則預測的準確性並不高。
近年來基於大數據的機器學習發展更快，得益於電子實驗記錄本和電子版文獻資料的普及。AI機器通過模擬神經網絡的深度學習，路線設計的準確性和效率大為提高。
2018年上海大學和德國合作團隊在《自然》上報道了一篇AI設計合成路線的工作[16]。他們基於1250萬個發表的化學反應，利用深度神經網絡及蒙特卡洛樹算法在5秒鐘的時間裡成功地規劃了新的合成路線。
AI技術還可應用於催化劑的設計、反應條件優化以及發現新反應等方面。磷酸前藥技術（ProTide）在核苷類抗病毒和抗腫瘤藥物中有廣泛應用，如Gilead的抗丙肝明星藥物索菲布韋。
2017年《科學》雜誌報道了一種AI設計的、可高度選擇性控制磷酸前藥中P手性中心的多功能催化劑[17]。另外，英國科學家通過AI預測1000種化學試劑組合的反應性發現了4個全新的化學反應[18]。
結合微量高通量反應和實時分析技術，智能化和自動化的化學合成機器人正在成為現實。2020年《自然》以封面文章的形式報道了一款利物浦大學研究人員開發的AI機器人化學家[19]。這款機器人可以在實驗室中獨立工作，像人類一樣使用各種化學試劑和實驗儀器。然而，與人類不同的是，它除了充電時間每天可以工作21.5個小時。一個有經驗的化學工作者每周可以完成10個左右的化學反應，而這個身高1.75米的AI機器人在8天裡完成了668個實驗，並獨立發現一種全新的催化劑。可以預測，5年內商業化的化學合成機器人可能面世。
智能化和自動化是未來發展的趨勢，必將大大加快和簡化藥物研發的過程。有機化學，包括藥物和工藝化學的研究不能局限於燒瓶，需要開展更多的流管和微反應器反應，並與設備和自動化工程師廣泛合作，以適應機器協助和智能化學的需要。
課題四：生物醫藥新技術發展的需求
如果從還原論的角度看，生命的本質是無機離子、有機小分子、多肽、蛋白質，核酸、脂類和多糖等生物分子在細胞和組織環境下的化學反應和相互作用。
由此衍生的生物醫藥新技術當然離不開有機化學。生物體系和生物大分子的存在，使得生物正交化學（Bio-orthogonal chemistry）和鄰近效應化學（Proximity-Directed Chemistry）成為兩個重要方向。
生物正交化學是指能在真實或者模擬的生物體系中即時發生但不干擾內源性生物化學過程的化學反應。最具代表性的就是點擊化學（Click Chemistry），包括疊氮與炔烴的加成反應、硝酮與環炔烴的反應、醛或酮形成肟或腙的反應、四嗪與環狀烯烴或環狀炔烴的狄爾斯-阿爾德反應，基於異氰化物的點擊反應，以及四環烷偶聯反應等。這些反應使得對細胞中生物分子的實時研究成為可能，廣泛應用於分子探針、靶點鑑定和連接子的構建。
相反，鄰近效應的作用可以促進藥物與靶點發生化學反應，或者誘導內源性生物化學過程從而達到治療疾病的目的。不同於燒瓶中的化學，鄰近效應，比如小分子與蛋白質的結合，可以大大提高有效底物濃度。而且，分子之間的碰撞不是隨機的，具有定向效應，選擇性大大提高。鄰近效應化學在小分子共價抑制劑、PROTAC技術、ADC、核酸和CART小分子開關等新技術中得到廣泛應用。
近年來，生物科技在資本的催動下突飛猛進，而傳統有機化學，包括生物體系中的新化學發展步伐有所滯後。比如，共價抑制劑正在成為小分子藥物的主流。
作為共價抑制劑的彈頭（Warhead），必須滿足以下幾個條件：1）具有成藥性，比如合理的溶解性、化學和代謝穩定性等；2）合適的反應性，足夠惰性而能耐受複雜的生物體系，同時在鄰近效應的誘導下能夠快速捕捉目標殘基；3）高度選擇性，一般是由鄰近效應和蛋白微環境（PH值和疏水性）決定。已知的共價彈頭包括邁克爾受體、磺酰氟、二硫鍵、α-氰基丙烯酰胺和酮羰基等，其中比較成功的彈頭還只有靶向半胱氨酸巰基（Cys）的邁克爾受體丙烯酰胺（圖2）。靶向氨基和羧基的共價抑制劑還非常少見。
藥物創新對新彈頭的需求非常急迫。比如，KRAS是癌基因之王，超過三分之一的腫瘤病人攜帶KRAS突變。攜帶KRAS G12C突變（12位氨基酸Gly突變為Cys）的肺癌病人今年迎來了革命性藥物AMG-510的上市，該藥物就是靶向KRAS突變蛋白12位Cys的共價抑制劑。
因為沒有合適的彈頭，眾多攜帶其他KRAS突變如G12D和G12V的病人目前仍沒有理想的藥物。另外，目前還沒有靶向賴氨酸的理想彈頭。賴氨酸是許多靶點的催化殘基，理論上靶向催化殘基的共價抑制劑不容易耐藥（催化殘基突變造成失活）。發現新彈頭可能需要化學家打破傳統思維，比如在模擬蛋白結合口袋的反應器中尋找新反應。這個環境與傳統的有機溶劑和燒瓶完全不同，需要考察鄰近效應、定位效應以及環境中其他殘基參與的催化效應等。比如，AMG-510與12位巰基發生共價反應時，旁邊10位賴氨酸的催化至關重要，這是該藥物對KRAS G12C蛋白高度選擇性的重要原因[20]。
分子膠和PROTAC是前沿的小分子技術，他們與目標蛋白和內源性蛋白降解酶形成三元複合物結構，誘導目標蛋白降解或者抑制目標蛋白的功能。
經典的PROTAC分子包括三部分：靶向目標蛋白的彈頭、連接子和招募蛋白降解酶的結構。PROTAC分子量經常達到800以上，成藥性較差。雖然已有成功的案例，比如Arvinas公司靶向降解雄激素受體（AR）和雌激素受體（ER）的臨床藥物ARV-110和ARV-471，但如何系統合理地設計和發現類藥的PROTAC成為業界的難題，其中可能涉及到的有機化學是重要的研究方向。
基於碎片的藥物設計和發現值得借鑑。比如，可以將目標蛋白和降解酶與特定設計的分子碎片在模擬的生物體系中孵育，通過鄰近效應和生物正交反應自動產生合理的PROTAC分子。
日本第一三共研製的、治療乳腺癌的Her2 ADC藥物DS-8201獲得空前成功，讓ADC重新發力成為當前生物醫藥領域的熱門方向。ADC藥物也分為三部分，包括毒素/小分子載荷、連接子和單抗。其中毒素和連接子的創新與有機化學密切相關。毒素一般為複雜的天然產物或者合成的高活分子，可以通過前面提到的C-H活化和後期功能化反應進行優化。
ADC連接子一般要求在生物體系中穩定但一旦被腫瘤中特異表達的酶切割或其他條件觸發下即能自動釋放毒素。如圖2所示，目前可供選擇的自裂解連接子並不多。另外，連接子化學不但要耐受蛋白質和複雜毒素分子中的各種官能團，而且涉及兩種不同的溶媒，與毒素連接可以在有機溶劑中進行而另一頭連接單抗則需在水中進行。單抗一般含有多個可供連接的殘基，連接子如何與單抗定點均一反應是ADC化學面臨的難點。
針對這些難題，學術界和工業界已取得不少進展。比如，非天然氨基酸的引入允許單抗與毒素通過生物正交點擊反應連接。蛋白質N端與C端的特異性生物正交反應也有應用於ADC的潛力，比如最近報道的氨醛縮合和去羧基烷基化反應[21,22]。另外，金屬催化的水溶液相容的C-H活化和巰基偶聯反應也有報道[23,24]。
核酸藥物經過了幾十年的發展，最近迎來了一個新的發展高潮，有望成為繼小分子和單抗之後的第三大藥物。特別是mRNA新冠疫苗的成功，讓核酸技術幾乎家戶喻曉。
核酸藥物發展面臨的技術障礙是藥物遞送和免疫原性的問題。而當前的兩個解決辦法，化學改造和藥物遞送技術都離不開有機化學。比如，mRNA疫苗研發中被認為足以獲得諾貝爾獎的創新其實就是通過核苷酸鹼基的化學改造發現了假尿嘧啶，引入假尿嘧啶的mRNA具有正常功能但可以躲避免疫系統的識別[25]。
如圖3所示，核酸的化學改造按部位分三類：鹼基，糖環和連接基團磷酸的改造。到目前為止，最具突破性的改造都是幾十年前的化學發明，包括磷酸基團中的一個氧（PO）換成硫（PS）和糖環2位修飾。寡核苷酸鏈的固液相合成和酶促合成也相對成熟，但仍有優化的空間，比如提高長鏈寡核苷酸的合成產率，避免不穩定的三價磷化學而快速構建磷酸二酯骨架的新方法等。核酸技術的蓬勃發展顯然需要更多的新骨架和新化學。
PS對核酸藥物來說必不可少，因為硫原子的疏水性增加了藥物的血漿蛋白結合率，從而大大改善了核酸的藥代動力學性質。然而，PS給核酸藥物帶來了一個挑戰，因為P手性中心的引入，目前的核酸藥物實際上是多個異構體的混合物。比如，首個治療脊髓性肌萎縮症（SMA）的反義核酸藥物Spinraza包含超過10萬個異構體。
2017年，哈佛大學科學家報道了一種控制PS手性的方法，他們不對稱合成了含有524288個手性中心的反義核酸藥物 mipomersen，而且通過動物實驗證明了手性純的藥物療效優於混合物[26]。這方面最有突破性的工作是著名有機合成化學家 Phil Baran 與BMS合作發現的立體選擇性構建PS磷酸二酯鍵的試劑PSI（圖3，[27]）。
早期核酸的遞送主要是病毒載體和高分子材料，近年來逐漸被更加高效的脂質納米顆粒（LNP）所代替。新型的可離子化脂類分子DODAP，DODMA和MC3等得到廣泛應用，比如第一個上市的siRNA藥物Patisiran就是使用的MC3-LNP技術。LNP顆粒只能有效進入空隙較大的組織且過敏反應嚴重。這些缺點使得開發新的遞送材料和技術變得十分迫切。偶聯遞送技術在核酸藥物中的應用也非常廣泛，特別是肝靶向的GalNAc技術是核酸藥物快速發展的主要推動力。Alnylam開發的靶向PCSK9的降脂小核酸inclisiran就是使用了GalNAc技術，其安全性和便利性甚至超越了口服小分子，被諾華97億美元收購。無論是開發新材料還是新的偶聯技術，有機化學是關鍵的創新驅動力。
多肽也是常見的藥物形式，如胰島素和GLP-1激動劑等。最近，環肽、雙環肽以及多肽偶聯藥物成為熱點。針對不可成藥靶點開發雙環肽的Biocycle公司業界非常知名。構建環肽的反應也是有趣的研究方向[28]。隨着測序成本的下降，DNA編碼化合物庫技術（DEL）發展非常迅猛。DEL可以方便地生成高達百億級的化合物，但由於缺乏與水溶液，以及不穩定DNA分子相容的化學反應，其多樣性不足的問題一直沒有得到很好的解決。DEL化學顯然是有機化學將來的重要方向之一。另外，細胞治療和基因編輯有安全性的擔憂，學術界已經在嘗試開發小分子開關和解毒劑，因此有機化學也將是這些革命性技術的賦能工具之一[29]。
結 語
綜上所述，有機化學在製藥行業仍然發揮着核心科技的作用，今年獲得諾貝爾獎實至名歸。同時，生物醫藥新技術爆發給有機化學提出了許多新的課題和方向。筆者是南開大學化學系92級學生，謹以此文獻給南開化學100周年慶，祝願南開化學再創輝煌。
參考文獻：（上下滑動可瀏覽）
製版編輯|盧卡斯
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