شیمیدانان MIT برای اولین بار یک ترکیب قارچی به نام ورتی سیلین A را سنتز کردند که بیش از ۵۰ سال پیش کشف شد و پتانسیل آن را به عنوان یک عامل ضد سرطان نشان داد.
این ترکیب ساختار پیچیده ای دارد که سنتز آن را دشوارتر از ترکیبات مرتبط می کند، حتی اگر تنها چند اتم متفاوت باشد.
محمد موثقی، استاد شیمی MIT، میگوید: «ما درک بهتری از این داریم که چگونه این تغییرات ساختاری ظریف میتواند به طور قابل توجهی چالش مصنوعی را افزایش دهد. ما اکنون این فناوری را داریم که نه تنها برای اولین بار، بیش از ۵۰ سال پس از جداسازی آنها، به آنها دسترسی پیدا می کنیم، بلکه می توانیم بسیاری از انواع مهندسی شده را نیز بسازیم که مطالعات دقیق تری را امکان پذیر می کند.”
در آزمایشهایی که روی سلولهای سرطانی انسان انجام شد، یک مشتق از ورتیسیلین A در برابر نوعی سرطان مغز کودکان به نام گلیومای خط میانی منتشر، امیدبخش بود. محققان می گویند برای ارزیابی پتانسیل آن برای استفاده بالینی به آزمایش بیشتری نیاز است.
موثقی و جون چی، استاد پزشکی در موسسه سرطان دانا-فاربر/ مرکز سرطان و اختلالات خونی کودکان بوستون و دانشکده پزشکی هاروارد، نویسندگان ارشد این مطالعه هستند. امروز ظاهر می شود مجله انجمن شیمی آمریکا. Walker Knauss PhD ’24 نویسنده اصلی مقاله است. Xiuqi Wang، شیمیدان دارویی و زیستشناس شیمیایی در Dana-Farber، و Mariella Filbin، مدیر تحقیقات برنامه عصبشناسی-انکولوژی کودکان در مرکز سرطان و اختلالات خونی کودکان دانا-فاربر/بوستون نیز نویسندگان این مطالعه هستند.
یک سنتز پیچیده
محققان اولین بار در سال ۱۹۷۰ گزارش دادند که ورتیکین A از قارچ هایی که از آن برای محافظت در برابر عوامل بیماری زا استفاده می کنند، جدا شده است. ورتی سیلین A و ترکیبات قارچی مربوطه به دلیل فعالیت های ضد سرطانی و ضد میکروبی بالقوه خود توجه را به خود جلب کرده اند، اما پیچیدگی آنها سنتز آنها را دشوار کرده است.
در سال ۲۰۰۹، آزمایشگاه موثقی سنتز (+)-۱۱,۱۱′-dideoxyverticillin A را گزارش کرد که یک ترکیب قارچی شبیه ورتی سیلین A است. این مولکول دارای ۱۰ حلقه و هشت مرکز استریوژنیک یا اتم کربن با چهار گروه شیمیایی مختلف است. این گروه ها باید به گونه ای پیوند شوند که اطمینان حاصل شود که جهت گیری یا استریوشیمی صحیح نسبت به بقیه مولکول دارند.
با این حال، هنگامی که این سنتز به دست آمد، سنتز ورتی سیلین A همچنان چالش برانگیز باقی ماند، حتی اگر تنها تفاوت بین ورتی سیلین A و (+)-۱۱,۱۱′-dideoxyverticillin A وجود دو اتم اکسیژن بود.
موثقی میگوید: «این دو اکسیژن فرصتی را که برای انجام دگرگونیهای شیمیایی دارید تا حد زیادی محدود میکنند. این ترکیب را بسیار شکنندهتر، بسیار حساستر میکند، بنابراین با وجود اینکه ما در طول سالها پیشرفتهای روششناختی داشتهایم، این ترکیب همچنان برای ما یک چالش است.»
هر دو ترکیب ورتی سیلین A از دو قسمت یکسان تشکیل شده اند که باید به هم نزدیک شوند تا مولکولی به نام دایمر تشکیل شود. برای ایجاد (+)-۱۱,۱۱′-dideoxyverticillin A، محققان واکنش دیمریزاسیون را در انتهای سنتز انجام دادند و سپس چهار پیوند کربن-گوگرد حیاتی را اضافه کردند.
اما در تلاش برای سنتز ورتسین A، محققان دریافتند که انتظار برای آخرین بار اضافه شدن این پیوندهای کربن-گوگرد منجر به استریوشیمی صحیح نمی شود. در نتیجه، محققان مجبور شدند در رویکرد خود تجدید نظر کنند و در نهایت یک توالی مصنوعی بسیار متفاوت ایجاد کردند.
موثقی میگوید: «ما متوجه شدیم که زمان وقوع رویدادها کاملاً حیاتی است. ما باید ترتیب رویدادهای پیوند را به طور قابل توجهی تغییر میدادیم.
سنتز ورتی سیلین A با یک مشتق اسید آمینه به نام بتا هیدروکسی تریپتوفان شروع می شود و سپس، گام به گام، محققان گروه های عملکردی شیمیایی مختلفی از جمله الکل ها، کتون ها و آمیدها را برای ارائه استریوشیمی صحیح اضافه می کنند.
یک گروه عاملی حاوی دو پیوند کربن-گوگرد و یک پیوند دی سولفیدی در ابتدا برای کمک به کنترل استریوشیمی مولکول معرفی شد، اما دی سولفیدهای ظریف باید به عنوان یک سولفید مضاعف “نقاب” و محافظت می شدند تا از تجزیه آنها در واکنش های شیمیایی بعدی جلوگیری شود. گروههای حاوی دی سولفید پس از واکنش دیمریزاسیون مجدداً تولید شدند.
موثقی میگوید: «این دیمریزاسیون خاص واقعاً از نظر پیچیدگی زیرلایههایی که ما گرد هم آوردهایم، که دارای آرایهای متراکم از گروههای عملکردی و استریوشیمی هستند، متمایز است.
سنتز کلی به ۱۶ مرحله از ماده اولیه بتا هیدروکسی تریپتوفان تا ورتی سیلین A نیاز دارد.
کشتن سلول های سرطانی
هنگامی که محققان با موفقیت این سنتز را به پایان رساندند، همچنین قادر به انجام تنظیماتی در سنتز برای ایجاد مشتقات ورتی سیلین A بودند. سپس محققان Dana-Farber این ترکیبات را در برابر انواع مختلف گلیوما منتشر شده خط میانی (DMG)، یک تومور مغزی نادر با گزینههای درمانی کمی، آزمایش کردند.
محققان دریافتند که ردههای سلولی DMG حساسترین ردههای سلولی به این ترکیبات، آنهایی هستند که سطح بالایی از پروتئینی به نام EZHIP دارند. این پروتئین که در متیلاسیون DNA نقش دارد، قبلاً به عنوان یک هدف دارویی بالقوه برای DMG شناسایی شده بود.
چی میگوید: «شناسایی اهداف بالقوه این ترکیبها نقش مهمی در درک بهتر مکانیسمهای عمل آنها ایفا میکند و مهمتر از آن، به بهینهسازی ترکیبات موجود در آزمایشگاه موساقی کمک میکند تا برای توسعه درمانهای جدید بیشتر مورد هدف قرار گیرند.»
به نظر می رسد مشتقات ورتی سیلین با EZHIP به گونه ای تعامل دارند که متیلاسیون DNA را افزایش می دهد، که سلول های سرطانی را وادار به مرگ برنامه ریزی شده سلولی می کند. ترکیباتی که بیشترین موفقیت را در کشتن این سلول ها داشتند N-sulfonylated (+)-11,11′-dideoxyverticillin A و N-sulfonylated verticillin A بودند. N-sulfonylation (افزودن یک گروه عاملی حاوی گوگرد و اکسیژن) مولکول ها را پایدارتر می کند.
موثقی میگوید: «محصول طبیعی خود قویترین نیست، بلکه سنتز محصول طبیعی است که ما را به نقطهای رسانده است که بتوانیم این مشتقات را تولید و مطالعه کنیم».
تیم Dana-Farber در حال حاضر در حال کار برای تأیید بیشتر مکانیسم اثر مشتقات ورتی سیلین هستند و همچنین امیدوارند آزمایش این ترکیبات را در مدل های حیوانی سرطان مغز کودکان آغاز کنند.
“ترکیبات طبیعی منابع ارزشمندی برای کشف دارو بودهاند، و با ترکیب تخصص ما در شیمی، بیولوژی شیمیایی، بیولوژی سرطان و مراقبت از بیمار، پتانسیل درمانی این مولکولها را بهطور کامل ارزیابی خواهیم کرد. ما همچنین مولکولهای سرب خود را در بیش از ۸۰۰ رده سلول سرطانی نمایه کردهایم و میتوانیم عملکرد Qi در سایر موارد سرطان را به دست آوریم.”
این تحقیق توسط موسسه ملی علوم پزشکی عمومی، بنیاد تحقیقات اپندیموما و بنیاد درمان سرطان کودکان تامین شده است.