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礼来Science:如何在CGMP规范下安全高效地制备千克级抗癌药?

大多数药物的工业化生产是分批制备的,通过增加规模以尽可能低的成本生产尽可能多的符合要求的药物。但这种大规模制备方法也有尴尬之处,候选药物一旦进入临床试验阶段,所需的量往往会由克级暴涨到千克级,不过就算是千克级,对于适合大规模制备的设备来说也还是太少了些。另外,对于一些个性化疗法来说,所需药物的量也不适合进行工业化的大规模制备。药物研发和个性化疗法的发展促使药物制造业从传统的批处理生产向更灵活的连续过程转变。在连续流动化学的反应过程中,产品分子是连续生产而非分批生产,这一技术虽然在实验室制备条件下取得了不少进展,但在大批量的工业生产中应用较少。2016年,麻省理工学院Timothy F. Jamison教授和同事们基于连续流动化学发明的“冰箱大小的全自动药物生产机器”(点击阅读详细),入选了美国化学会旗下C&EN评选出的2016年顶级科研成果(点击阅读详细)。


近日,制药巨头礼来公司(Eli Lilly)的研发人员Kevin P. Cole等人在Science 上发表文章,报道了CGMP(current good manufacturing practices)规范下进行的小体积连续流动千克级化合物制备,他们生产了24千克的化疗候选药物——prexasertib单乳酸盐单水合物,以满足临床试验的需求。通过在实验室的通风橱中使用连续的小型反应装置、萃取装置、旋蒸仪、结晶仪和过滤装置,以8个连续的单元操作,每天大约生成3千克的目标产物。相比于分批生产,连续过程的安全性更好,反应及纯化的收率和选择性也得到了提高。另外,连续生产过程的每个阶段都与质量控制系统相连,符合CGMP规范。

Prexasertib单乳酸盐单水合物。图片来源:C&EN


细胞周期检查点激酶1(Checkpoint kinase 1,CHK1)是一种多功能的蛋白激酶,可以调节DNA复制和损伤修复,是抗癌治疗的新靶点之一。Prexasertib单甲磺酸盐单水合物11可以抑制CHK1的酶活性(IC50<1 nM),正在进行抗癌治疗的临床试验。由于该化合物口服生物利用度较低,需要采取注射给药,因此必须具有良好的水溶性。以往化合物11通过九步合成,但由于使用有毒的试剂且合成路线并非最优,不适合大量生产。本文作者设计了一条适合连续流动生产的prexasertib单乳酸盐单水合物12的合成路线,1211具有更好的水溶性,更具商业化前景。

Prexasertib单乳酸盐单水合物适合连续流动生产的合成路线。图片来源:Science


具体合成路线如上图所示,从芳香酮化合物2出发,先和N, N-二甲基甲酰胺二甲基缩醛发生缩合反应得到化合物3,酚攫氢后对烷基溴4发生亲核取代反应,两步以77%的收率得到化合物5,再和盐酸羟胺缩合生成噁唑化合物6,氢氧化钾条件下噁唑开环得到α-氰基酮化合物7,和肼反应得到杂环化合物8,无需分离再和化合物9发生氨基亲核取代反应得到化合物10,甲酸条件下消除氮原子上的Boc保护基,在四氢呋喃和水的混合溶剂中与乳酸反应就得到了prexasertib单乳酸盐单水合物12。如果从化合物10出发,直接与甲磺酸反应,则得到化合物11。整个反应过程简便易行,方括号内的中间体无需分离,可直接进行下一步的反应。


连续流动生产的实验装置如下图所示:A是混合悬浮-混合产品排出(MSMPR)结晶装置,B是溶解过滤装置,C是气-液脱保护活塞流反应器(PFR)。

连续流动生产的实验装置。图片来源:Science


为了最小化风险,在CGMP规范下的连续流动生产过程分为三个阶段来进行(下图)。以第一阶段α-氰基酮化合物7和肼反应得到杂环化合物8为例,7的四氢呋喃溶液和肼的醋酸、甲醇、水混合体系分别以不同的速率导入缩合反应PFR装置中,130 ℃条件下反应70 min,并通过HPLC监测反应进程。随后反应液导入逆流萃取装置中,并向萃取装置中分别加入甲苯、碳酸盐和水,经过萃取和对水相的反萃取,收集上层产物8的甲苯、四氢呋喃和甲醇的混合有机相,再和DMSO一同加入旋转蒸发仪中,60 ℃下旋蒸浓缩,能以2.4 kg/4 hr得到产物8的DMSO溶液直接用于下一步反应。当然,8的DMSO溶液也可以稳定保存超过60天。

在CGMP规范下的连续流动生产。图片来源:Science


第一阶段需要使用到肼——一种火箭燃料,如果进行常规的分批生产,在反应器中需要一次加入大量肼作为反应原料,这实在是太过危险。而本文所用的连续流动生产过程,将危险的肼少量连续地加入反应器,这就让反应能够在较高温度和压力下安全地进行。


另外,整个生产过程中还包含了多种过程分析技术(PAT)以保证复合CGMP规范,包括在线HPLC、折射率(RI)检测以及对温度、压力、质量流率等参数的监测。


研究人员最终合成了24千克的prexasertib单乳酸盐单水合物化合物12,据估计足够114,000次单剂量给药。


波士顿大学的化学家、专注于连续流动技术的Snapdragon公司共同创始人Aaron Beeler接受C&EN 采访时说,这一成果开启了药品连续生产的新篇章。在CGMP规范下,Cole等人的多步流动化学过程称得上是实质性的进步。Cole博士也希望他们的工作能够改变精细化学品和药物的生产方式,使之更加现代化。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Kilogram-scale prexasertib monolactate monohydrate synthesis under continuous-flow CGMP conditions

Science, 2017, 356, 1144, DOI: 10.1126/science.aan0745


部分内容编译自:http://cen.acs.org/articles/95/i25/Flow-chemistry-reaches-manufacturing-milestone.html


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