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[摘 要]氢化可的松是哺乳动物主要的肾上腺皮质激素类药物和重要的甾体药物合成的中间体。本文简要介绍了其半合成法。
[关键词]氢化可的松；半合成法；甾体药物
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-277-01
氢化可的松（hydrocortisone，HC）的化学名称为11β，17α，21-三羟基孕甾-4-烯-3，20-二酮，属肾上腺皮质激素类药，是激素类药物中产量最大的品种。因全化学法合成HC价格昂贵，目前生产几乎都采用含甾体母核的生物质作原料的半合成法。
一、HC半合成法简介
甾体药物半合成法的起始原料都是甾醇的衍生物，如从薯芋科植物穿地龙、黄姜、黄独等植物根茎萃取的薯芋皂素；从丝竺属植物剑麻萃取的剑麻皂素等。比较薯芋皂素与HC的化学结构可知，必须去掉薯芋皂素中的E、F环。薯芋皂素经开环裂解去掉E、F环后，即能获得理想的HC关键中间體——双烯醇酮醋酸酯。在此过程中，除将C3羟基转化为酮基，C5、C6双键位移至C4、C5位外，还需要引入三个特定的羟基。这些羟基的转化和引入，有的较易进行，如C3的羟基经氧化可直接得到酮基，与此同时还伴有△5双键的转位。C21位上有活性氢原子，可通过卤代之后，再转化为羟基；利用双键的存在，可经过氧化反应转化为C17羟基，并且由于X环的立体效应使C17羟基恰好为α-构型。在HC半合成路线中，关键一步是C-11β羟基的引入。由于在C-11位周围没有活性功能基团的影响，常规化学法很难氧化非活泼碳氢键，而生物催化法却能对它立体选择性氧化。有效的菌种是黑根霉和犁头霉。前者可专一性的在C-11位引入α-羟基，引入构型恰恰相反，故还需将其氧化为酮得醋酸可的松，再用钾硼氢对其进行不对称还原，得C-11位β-羟基物，即HC；犁头霉却能在化合物S的C-11位上直接引入β-羟基，后者就缩短了合成HC的工艺路线。
这两种合成方法都是以薯芋皂素为起始原料，经双烯醇酮酸酯环氧化后，再经Oppenauer氧化得环氧黄体酮。区别是在由环氧黄体酮出发后的不同合成路径。梨头霉法是由环氧黄体酮先上溴开环、氢解除溴上碘置换得醋酸化合物，再经梨头霉氧化直接引入C11位上β-OH得HC。黑根霉法是先在C11位上引入-OH后，经用铬酐铬酸氧化C11位α-OH为酮基，再上溴开环，用Raney镍氢消除溴，上碘置换得醋酸可的松，而后以缩氨脲保护C11、C20位上的酮基，用钾硼氢还原C11位上酮基使成为β-OH，脱去C11、C20位上的保护基和水解C21位上的乙酰基后得到HC。
梨头霉能在去氧氢化可的松（R5）C11位直接引入β-OH，缩短了合成HC的工艺路线。目前国内生产HC的菌种主要是蓝色犁头霉，但由于蓝色犁头霉氧化专一性低，HC的收率受到限制。国外大都是用新月弯孢霉进行工业化生产，国内对用新月弯孢霉进行生物转化生产HC也有相关研究，但工业化生产较少。一般说来，新月弯孢霉对底物去氧氢化可的松醋酸酯（RSA）具有较低的脱乙酰活性，而犁头霉AS3.65却对RSA呈现较高的脱乙酰活性。
生物转化法大大简化了HC的合成路径，成本也大幅度降低。为提高转化率和收率，研究人员做出了重大努力，取得了较大进展。
二、提高HC半合成收率及转化率的途径
国内利用微生物进行生物转化生产甾体药物，可将微生物胞内酶引入反应体系，利用微生物全细胞对底物进行生物转化。而在实际生产中，甾体化合物在水溶液中溶解度很低，一般溶解度范围在10-5～10-6mol/L，而微生物体内的11β-羟化酶位于水相中，又是一种胞内酶，底物需要透过细胞膜进入细胞才能进行转化反应，甾体底物与生物酶的接触十分困难。而利用“变压生物转化技术”，根据微生物本身特性，通过在生物反应的一定阶段施加温和压力，以破坏底物RSA晶体结构，显著改善其在水相中的溶解性，增加生产菌株的细胞膜通透性，可促进底物与胞内酶的结合，使蓝色犁头霉HC转化率提高15%。
蓝色犁头霉的二级发酵培养工艺，分离出菌丝物在液相悬浮介质中对RS底物进行C11β-羟基化，在底物浓度相同的情况下，与直接发酵氧化（一步转化法）比较，氧化（C11β-羟基化）速度提高1～2倍，缩短了发酵周期；RS的投料浓度也比直接发酵氧化提高了1.2～1.3倍，间接提高了转化率。
对于微生物转化合成HC的方法，为了提高产率和转化率，国内、外都进行了不懈的努力。发展药物合成中一步分离的发酵工艺可使整个工艺简化。从RS开始合成去氢HC，需要连续两步微生物转化反应。若对每步反应的产物进行提取、分离，势必造成人力、物力和时间的浪费。若：①采用两种微生物分别培养后转化，Mazumder成功地采用两种不同的固定化微生物，连续转化RS得到了去氢HC；②两种微生物分别培养后混合转化，Shull用培养好的草分枝杆菌（Mycobaccerium phlei）菌液稀释新月弯孢霉混合，经一步转化使RS变成去氢HC；③两种微生物混合培养与转化也能使整个工艺简化。另外药物合成需要与反应器设计、分离纯化、过程强化等化学工程技术更加紧密地合作才能取得更大的效果。
三、减少副产物产生的方法
减少副产物的生成也是提高HC转化率的重要方面。HC黑根霉和犁头霉半合成工艺中最大的副产物是表氢化可的松，即C11α-羟基化合物。它是没有生理活性的副产物。对合成甾体糖皮质激素来说，由于11β-OH是抗炎药物必须的基团，最重要的微生物转化是羟化反应。Hayano将C-11-α和C-12-α位的氢用3H所取代的孕甾-3，20-二酮作为底物，用黑根霉进行羟化来进行研究，说明甾体的酶促羟化反应是羟基位置上的氢被直接取代，即羟基取代的立体构型是由氢原子原来所占的空间位置决定的。11-β-羟化其上羟基的立体位置是竖直的，由于10，13角甲基的存在，11-β-竖键羟基的立体阻碍比11-α-横键羟基位阻为大，造成11-β-羟化比11-α-羟化收率低，且副产物较多。表氢可的松可转化为可的松或其它甾体，如氟氢可的松等加以利用，以减少原料的浪费。
波兰学者Sedlaczek等在新月弯孢霉对RS的C11β-羟基化过程消除副产物方面取得了引人注目的进展。通过理性了解真菌的系统生物学知识，借助传统的诱变选育技术，对新月弯孢霉菌丝细胞的原生质体（有完整核型）用化学诱变剂NTG处理，分离选育出对甾体RS的C11β-羟基化稳定型的突变株，可显著降低副产物量的65%，获得产率较亲株高28.5%。
若以RS-17α，21-二醋酸酯为底物代替常规的去氧氢化可的松醋酸酯（RSA），实验转化结果中副产物14α-羟基-RS的生成量明显减少。这是因为在甾体分子C14-位附近的α面当引入较大的取代基，如17α醋酸酯，可造成14α-位的立体障碍，抑制14α-羟基化活性，提高11β-羟基化物的收率。荷兰Gist公司采用化合物RS-17α-醋酸酯为底物，获得了高收率的HC及HC17α-醋酸酯的混合物，后者易水解为HC。
我国是甾体激素药物的生产大国，其中HC又是产量很大的品种。但是HC的微生物转化收率与国外先进水平存在一定差距，因此，在对发酵工艺条件改进的同时，需要进一步加强对HC基因工程和代谢组学的研究，使我国早日成为甾体药物生产强国。
[关键词]氢化可的松；半合成法；甾体药物
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-277-01
氢化可的松（hydrocortisone，HC）的化学名称为11β，17α，21-三羟基孕甾-4-烯-3，20-二酮，属肾上腺皮质激素类药，是激素类药物中产量最大的品种。因全化学法合成HC价格昂贵，目前生产几乎都采用含甾体母核的生物质作原料的半合成法。
一、HC半合成法简介
甾体药物半合成法的起始原料都是甾醇的衍生物，如从薯芋科植物穿地龙、黄姜、黄独等植物根茎萃取的薯芋皂素；从丝竺属植物剑麻萃取的剑麻皂素等。比较薯芋皂素与HC的化学结构可知，必须去掉薯芋皂素中的E、F环。薯芋皂素经开环裂解去掉E、F环后，即能获得理想的HC关键中间體——双烯醇酮醋酸酯。在此过程中，除将C3羟基转化为酮基，C5、C6双键位移至C4、C5位外，还需要引入三个特定的羟基。这些羟基的转化和引入，有的较易进行，如C3的羟基经氧化可直接得到酮基，与此同时还伴有△5双键的转位。C21位上有活性氢原子，可通过卤代之后，再转化为羟基；利用双键的存在，可经过氧化反应转化为C17羟基，并且由于X环的立体效应使C17羟基恰好为α-构型。在HC半合成路线中，关键一步是C-11β羟基的引入。由于在C-11位周围没有活性功能基团的影响，常规化学法很难氧化非活泼碳氢键，而生物催化法却能对它立体选择性氧化。有效的菌种是黑根霉和犁头霉。前者可专一性的在C-11位引入α-羟基，引入构型恰恰相反，故还需将其氧化为酮得醋酸可的松，再用钾硼氢对其进行不对称还原，得C-11位β-羟基物，即HC；犁头霉却能在化合物S的C-11位上直接引入β-羟基，后者就缩短了合成HC的工艺路线。
这两种合成方法都是以薯芋皂素为起始原料，经双烯醇酮酸酯环氧化后，再经Oppenauer氧化得环氧黄体酮。区别是在由环氧黄体酮出发后的不同合成路径。梨头霉法是由环氧黄体酮先上溴开环、氢解除溴上碘置换得醋酸化合物，再经梨头霉氧化直接引入C11位上β-OH得HC。黑根霉法是先在C11位上引入-OH后，经用铬酐铬酸氧化C11位α-OH为酮基，再上溴开环，用Raney镍氢消除溴，上碘置换得醋酸可的松，而后以缩氨脲保护C11、C20位上的酮基，用钾硼氢还原C11位上酮基使成为β-OH，脱去C11、C20位上的保护基和水解C21位上的乙酰基后得到HC。
梨头霉能在去氧氢化可的松（R5）C11位直接引入β-OH，缩短了合成HC的工艺路线。目前国内生产HC的菌种主要是蓝色犁头霉，但由于蓝色犁头霉氧化专一性低，HC的收率受到限制。国外大都是用新月弯孢霉进行工业化生产，国内对用新月弯孢霉进行生物转化生产HC也有相关研究，但工业化生产较少。一般说来，新月弯孢霉对底物去氧氢化可的松醋酸酯（RSA）具有较低的脱乙酰活性，而犁头霉AS3.65却对RSA呈现较高的脱乙酰活性。
生物转化法大大简化了HC的合成路径，成本也大幅度降低。为提高转化率和收率，研究人员做出了重大努力，取得了较大进展。
二、提高HC半合成收率及转化率的途径
国内利用微生物进行生物转化生产甾体药物，可将微生物胞内酶引入反应体系，利用微生物全细胞对底物进行生物转化。而在实际生产中，甾体化合物在水溶液中溶解度很低，一般溶解度范围在10-5～10-6mol/L，而微生物体内的11β-羟化酶位于水相中，又是一种胞内酶，底物需要透过细胞膜进入细胞才能进行转化反应，甾体底物与生物酶的接触十分困难。而利用“变压生物转化技术”，根据微生物本身特性，通过在生物反应的一定阶段施加温和压力，以破坏底物RSA晶体结构，显著改善其在水相中的溶解性，增加生产菌株的细胞膜通透性，可促进底物与胞内酶的结合，使蓝色犁头霉HC转化率提高15%。
蓝色犁头霉的二级发酵培养工艺，分离出菌丝物在液相悬浮介质中对RS底物进行C11β-羟基化，在底物浓度相同的情况下，与直接发酵氧化（一步转化法）比较，氧化（C11β-羟基化）速度提高1～2倍，缩短了发酵周期；RS的投料浓度也比直接发酵氧化提高了1.2～1.3倍，间接提高了转化率。
对于微生物转化合成HC的方法，为了提高产率和转化率，国内、外都进行了不懈的努力。发展药物合成中一步分离的发酵工艺可使整个工艺简化。从RS开始合成去氢HC，需要连续两步微生物转化反应。若对每步反应的产物进行提取、分离，势必造成人力、物力和时间的浪费。若：①采用两种微生物分别培养后转化，Mazumder成功地采用两种不同的固定化微生物，连续转化RS得到了去氢HC；②两种微生物分别培养后混合转化，Shull用培养好的草分枝杆菌（Mycobaccerium phlei）菌液稀释新月弯孢霉混合，经一步转化使RS变成去氢HC；③两种微生物混合培养与转化也能使整个工艺简化。另外药物合成需要与反应器设计、分离纯化、过程强化等化学工程技术更加紧密地合作才能取得更大的效果。
三、减少副产物产生的方法
减少副产物的生成也是提高HC转化率的重要方面。HC黑根霉和犁头霉半合成工艺中最大的副产物是表氢化可的松，即C11α-羟基化合物。它是没有生理活性的副产物。对合成甾体糖皮质激素来说，由于11β-OH是抗炎药物必须的基团，最重要的微生物转化是羟化反应。Hayano将C-11-α和C-12-α位的氢用3H所取代的孕甾-3，20-二酮作为底物，用黑根霉进行羟化来进行研究，说明甾体的酶促羟化反应是羟基位置上的氢被直接取代，即羟基取代的立体构型是由氢原子原来所占的空间位置决定的。11-β-羟化其上羟基的立体位置是竖直的，由于10，13角甲基的存在，11-β-竖键羟基的立体阻碍比11-α-横键羟基位阻为大，造成11-β-羟化比11-α-羟化收率低，且副产物较多。表氢可的松可转化为可的松或其它甾体，如氟氢可的松等加以利用，以减少原料的浪费。
波兰学者Sedlaczek等在新月弯孢霉对RS的C11β-羟基化过程消除副产物方面取得了引人注目的进展。通过理性了解真菌的系统生物学知识，借助传统的诱变选育技术，对新月弯孢霉菌丝细胞的原生质体（有完整核型）用化学诱变剂NTG处理，分离选育出对甾体RS的C11β-羟基化稳定型的突变株，可显著降低副产物量的65%，获得产率较亲株高28.5%。
若以RS-17α，21-二醋酸酯为底物代替常规的去氧氢化可的松醋酸酯（RSA），实验转化结果中副产物14α-羟基-RS的生成量明显减少。这是因为在甾体分子C14-位附近的α面当引入较大的取代基，如17α醋酸酯，可造成14α-位的立体障碍，抑制14α-羟基化活性，提高11β-羟基化物的收率。荷兰Gist公司采用化合物RS-17α-醋酸酯为底物，获得了高收率的HC及HC17α-醋酸酯的混合物，后者易水解为HC。
我国是甾体激素药物的生产大国，其中HC又是产量很大的品种。但是HC的微生物转化收率与国外先进水平存在一定差距，因此，在对发酵工艺条件改进的同时，需要进一步加强对HC基因工程和代谢组学的研究，使我国早日成为甾体药物生产强国。