虫草素合成工艺研究现状

王智森 高飞 纪玉哲 杨灿 李慧敏 苑文华

摘要：虫草素是在蛹虫草中分离提纯得到的含氮配糖体的核酸衍生物，属嘌呤类生物碱，是一种核苷类抗生素。虫草素具有抗病原微生物、免疫调节、以及抗肿瘤、抗代谢紊乱、氧化损伤、治疗神经疾病等多种生物活性，在临床上应用及其广泛。本文综述了虫草素合成工艺的研究进展，为后续的有关研究提供有价值的参考。

关键词：虫草素;合成;研究进展

Abstract：Cordycepin is a nucleic acid derivative of nitrogen-containing glycosides separated and purified from Cordyceps militaris. It belongs to purine alkaloid and is a nucleoside antibiotic. Cordycepin has a variety of biological activities such as anti-pathogen microbial immune regulation， anti-tumor， anti-metabolic disorder， oxidative damage and nerve diseases， and is widely used in clinical applications In this paper， the progress in the synthesis of cordycepin is reviewed， which provides valuable reference for the subsequent research。

Keywords：Cordycepin;Synthesis;Research progress

【中圖分类号】R28             【文献标识码】A             【文章编号】2107-2306（2021）13--01

虫草素[1]（cordycepin）即3’-脱氧腺苷（3’-deoxyadenosine），是一种天然核苷类似物（nucleosideanalogue）。与腺苷（adenosine）化学结构较为相似，仅缺少3’-OH。虫草素在野生的冬虫夏草中含量极低，研究所用的虫草素多为蛹虫草中提取合成的。随着虫草素研究的不断深入，其抗病毒、抗肿瘤等[2]生物活性不断被发现，虫草素被广泛应用于功能性食品、保健品药品等多个领域，引起了人们的广泛关注，但虫草素的在市场上来源混杂，价格昂贵，制约了其进一步的发展应用。本文以虫草素的合成工艺为研究重点，从化学合成和生物合成两大方面进行虫草素研究进展概述，为虫草素的合成开发。

1、虫草素的全合成

目前有关虫草素全合成的研究报道较少，虫草素化学全合成路经在1984年由Ohon[3]等首次提出，以腺苷为起始原料，通过间氯过氧苯甲酸环氧化、猪肝脏酯酶水解立体选择合成中间物质，在经酯化水解、氧化开环、四氢化硼还原、嘌呤成苷等一系类步骤得到虫草素。该方法繁琐复杂、反应条件苛刻，虫草素收率低于2%，无法进行工业化生产。Aman[4]改进了上述方法，去除层析分离等繁琐操作，省略了分离纯化的精制过程，工艺路线适用于大工业生产，产品的纯度较高，总收率为20%，经过酸水解和氢化可得虫草素纯度大于99%。Mcdonald[5]等人以二氢呋喃甲醇为原料合成虫草素，主要通过炔醇环异构化为内环烯醇醚不对称完全合成虫草素。

2013年李启欢[6]等人在结合半合成方法进行了虫草素的全合成研究，分别以D-葡萄糖和D-木糖为合成原料取得了重大突破，以Barton-McCombie反应脱去葡萄糖和木糖3`-脱氧核糖为关键步骤，分别经过8步和7步化学反应以37%和40%的总产率完成了虫草素的全合成，并且在最后新制备的饱和溶液的氨水中，利用高温封闭加热可以顺利去除酯基保护基团，经过水重结晶后纯度超过了98.5%，产率高达95%。同年，阳如春等人对虫草素全合成路径进行了分类分析，详细对虫草素反应途径、基因组进行归纳整理。

2、虫草素的半合成

在1960年Todd[7]等人发表了第一条虫草素的半合成的化学合成路径，该方法以以 5'-O-乙酰腺苷与对硝基苯磺酰氯为起始原料，反应生成3'-O-p-对硝基苯磺酰基腺苷，然后和碘化钠在特定温度下与2'-5-己二酮中反应生成3'-碘-腺苷，最后利用钯碳氢化转化为虫草素。该方法简单便捷，可以通过取代、催化等简单操作方式得到虫草素;但是由于其原料特殊产率相对较低，成本较高不适合规模化生产。

Hansske[8]和Robins[9]等人在1980报道了以腺苷为原料的三步合成虫草素的简短方法，腺苷在无水乙腈环境下，与2-乙酰氧基异丁酰溴反应生成中间体，在经过阴离子交换树脂后与三乙基硼氢化锂（或氘化物）发生还原反应，生成虫草素。该方法在微量制备时收率较高，但在规模化生产时收率下降至30%，并且原料成本较高，无法工业化生产。后Kwon[10]对上述方法进行了优化改良，但是改进后产率虽有所提升，但超低温的环境仍然不适合生产。

Norman[11]等人和Talekar[12]等人发表了更加简便以腺苷为生产原料虫草素半合成方法，主要通过腺苷与原乙酸三甲酯在酸性产物下生成中间体，该中间体与乙酰溴发生开环反应，三丁基氢化锡和偶氮异二丁腈还原反应，最后在碱性条件下脱去保护基，得到虫草素，收率可达30%以上，是现在主流的合成方法。但是该方法有微弱毒性，也会造成一定的环境污染。

Shiragami等人后续进行了制备过程中试剂改进，虽大大降低了毒性与污染，但产率也极大的降低，并且步骤繁琐，无法解决虫草素工业化生产问题。

Kim[13]等以KimBarton-Mc Combie 反应为主要途径合成虫草素，Zhang[14]等利用腺苷在碱性条件下用三苯基氯甲烷选择性地保护 5'位羟基，对甲苯磺酰基保护3'位羟基。最后再在碱性条件下脱去保护基得到虫草素。这些方法简单，反应条件要求较低。但需要色谱柱纯化，并且虫草素整体收率不高，也无法进行规模化生产。如果解决色谱柱纯化问题，可以考虑用于工业化生产。

3、虫草素的生物合成

在大量有关虫草素的相关报道中，认为虫草素是冬虫夏草的有效成分，但随着对虫草素研究的不断深入，冬虫夏草中发酵菌丝中只含有极微量的虫草素，在子实体中几乎不含虫草素。天然的虫草素，主要存在于蛹虫草、新疆虫草、虫草头孢菌等部分虫草素属分离出来的菌株中。据调查发现虫草素的生物合成存在多种途径，在1961年Kredich[15]等人首次报道了虫草素的潜在前提是腺苷。1976年Lennon[16]等人通过关键腺苷和核糖研究虫草素在蛹虫草中的生物合成途径，推测虫草素的生物合成可能是由还原机制生成，并未报道具体合成途径。

在2011年Zheng[17]等人对蛹虫草菌的全基因组完成相关测序，经分析表明蛹虫草拥有腺苷和嘌呤代谢的反应所需大部分基因，但是缺乏脱氧腺苷激酶和RNR。在2014年，Xiang等人结合前人经验证明5'-核苷酸酶在虫草素合成过程中发挥这重要作用。2016年Lin等人首先在腺苷激酶（ ADK）催化下生成腺苷单磷酸 ，腺苷單磷酸再在腺苷酸激酶反应下生成腺苷二磷酸，再与核苷酸还原酶作用下3'-d ADP ，ADEK将3' -dADP的作用下生成3'-dAMP ，最终在 5'核苷酸酶（NT5E）转化成虫草素。2017年Xia等人通过对比虫草素生物合成全基因组信息与模式真菌构巢曲霉的对比基因组，大胆推测了蛹虫草的腺苷通过磷酸转移酶（ Cns3 编码） 磷酸化生成3'-AMP，在经磷酸水解酶（ Cns2编码） 去磷酸化形成中间体2'-C-3'-dA，最终经氧化还原酶Cns1介导的氧化还原反应转化成虫草素。

4.总结与展望

虫草素因其非常广谱的生物活性，已成为当下的研究热点。随着生物技术和化学合成技术的发展，人们逐渐摸索出虫草素合成的机制、途径，并且对合成虫草素的基因组完成了探索，为后需虫草素合成工艺打下了坚实基础，并且在药理作用方面研究在不断完善。经整理发现虫草素生物合成途径以及差异表达基因的代谢通路和化合物关系网络分析方面还有所欠缺。未来研究可以以虫草素短周期、高产量、无污染、提产率的合成方法和虫草素调控网络及调控机理作为研究方向，做好虫草素产业化开发工作，为人类的健康事业贡献出自己的力量。

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