合成過程是獲取小分子原料藥的主要工具，也是小分子新藥CMC的首字母（Chemistry）。市售化學(xué)品經(jīng)歷一步步反應(yīng)轉(zhuǎn)化最終得到原料藥產(chǎn)品，化學(xué)反應(yīng)貫穿于小分子藥物的全生命周期。在藥物研發(fā)的各個(gè)階段，化學(xué)相關(guān)的研發(fā)內(nèi)容的研發(fā)重點(diǎn)與工作環(huán)境都有所區(qū)別。

藥物化學(xué)與工藝化學(xué)的知識(shí)內(nèi)核是一樣的，都是有機(jī)化學(xué)。在藥物發(fā)現(xiàn)階段，人們需要篩選的候選化合物分子眾多（數(shù)以萬計(jì)乃至于百萬計(jì)的化合物分子被用于篩選）：因此，藥物化學(xué)的工作重點(diǎn)是高效合成毫克級(jí)至克級(jí)的化合物庫、先導(dǎo)化合物。而在候選化合物的分子結(jié)構(gòu)確定之后，人們在臨床前和臨床階段的化學(xué)研究重點(diǎn)逐漸從藥物化學(xué)轉(zhuǎn)向工藝化學(xué)：而工藝化學(xué)也與相關(guān)的制造（Manufacturing）、質(zhì)量控制（Control），共同組成了小分子新藥CMC業(yè)務(wù)的主體。

本篇文章以藥物研發(fā)的各階段為區(qū)分標(biāo)志，介紹小分子新藥研發(fā)過程中的化學(xué)相關(guān)工作。

1.?????藥物發(fā)現(xiàn)階段的化學(xué)工作（藥物化學(xué)）

1.1?苗頭化合物（hit）階段

如本教材第二篇1.2節(jié)所述，[1]人們會(huì)從一個(gè)目標(biāo)靶點(diǎn)出發(fā)，尋找合適的化合物結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷一系列篩選與優(yōu)化，得到候選臨床前化合物。用于篩選的化合物大致有兩種來源：一種是在過往的藥物發(fā)現(xiàn)過程中，通過各種方式積累起來的數(shù)以萬計(jì)、十萬計(jì)、百萬計(jì)的化合物庫；另一種是基于現(xiàn)有的藥物設(shè)計(jì)方案，人們自行設(shè)計(jì)的、可以被成功合成的化合物庫。

我們假設(shè)一個(gè)擁有成藥性質(zhì)的化合物，它的核心結(jié)構(gòu)由三個(gè)關(guān)鍵片段拼接而成；三個(gè)片段之中的每一個(gè)官能團(tuán)，都可以有幾種、數(shù)十種甚至上百種選擇。通過排列組合，我們不難理解：對于一個(gè)核心結(jié)構(gòu)的化合物，我們可能有數(shù)千甚至上萬種選擇。人們或通過人力、或通過機(jī)器輔助的方式，有時(shí)借助組合化學(xué)的手段，[2]得到成千上萬種化合物，建立成化合物庫?；衔飵熘械拿恳粋€(gè)化合物僅需要毫克級(jí)別的量，即能通過高通量篩選等方式，完成與目標(biāo)靶點(diǎn)分子的親合力試驗(yàn)，得到一些苗頭化合物（hit）。因此，通過人力或者機(jī)器輔助的形式建立化合物庫，是苗頭化合物階段的藥物化學(xué)工作。

近年來，人們使用的組合化學(xué)的工具日趨多元化，有時(shí)候可以高效率地在一輪藥物篩選中，篩選數(shù)萬乃至數(shù)十萬種化合物。最近，一種叫做“DNA編碼化合物庫”的組合化學(xué)工具成為了行業(yè)熱點(diǎn)。[3]它利用DNA自身復(fù)制拼接的高效性，使用短鏈DNA分子作為不同片段的載具，在DNA拼接擴(kuò)增的過程中高效合成各種排列組合的化合物結(jié)構(gòu)；相關(guān)化合物結(jié)構(gòu)經(jīng)歷與目標(biāo)靶點(diǎn)的親和色譜篩選之后，與目標(biāo)靶點(diǎn)親和力強(qiáng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)留在色譜上；人們可以通過測定與目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的DNA序列信息，判斷相關(guān)化合物的結(jié)構(gòu)，即得到苗頭化合物的結(jié)構(gòu)信息。

對于大型制藥企業(yè)與以藥物發(fā)現(xiàn)為主營業(yè)務(wù)的CRO企業(yè)而言，它們通常經(jīng)過一段時(shí)間的業(yè)務(wù)積累，擁有很多核心結(jié)構(gòu)片段確定的化合物庫。有的時(shí)候，一組化合物庫對于一個(gè)已知的目標(biāo)靶點(diǎn)可能不產(chǎn)生苗頭化合物結(jié)構(gòu)；但是當(dāng)一個(gè)新的目標(biāo)靶點(diǎn)被學(xué)界發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，原來塵封的化合物庫可能出現(xiàn)相應(yīng)的苗頭化合物。因此，每一輪新的化合物庫的建立過程，對于一個(gè)藥物化學(xué)研發(fā)主體而言，都是知識(shí)、數(shù)據(jù)、工具的積累過程。

1.2?先導(dǎo)化合物（lead compound）階段[4]

人們在獲得苗頭化合物結(jié)構(gòu)之后，需要經(jīng)歷進(jìn)一步篩選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高候選藥物分子的成藥性，這個(gè)過程叫做“Hit to lead（H2L）”以及“先導(dǎo)化合物優(yōu)化（Lead optimization）”。判斷一個(gè)化合物的成藥性有很多參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)中比較重要的參數(shù)包括IC50（半抑制濃度）、EC50（最大半效應(yīng)濃度）、化合物在水環(huán)境與脂環(huán)境間的分配系數(shù)等，以初步判斷化合物的有效性與安全性。同時(shí)，在里賓斯基五規(guī)則的一些經(jīng)驗(yàn)法則指導(dǎo)之下，人們可以舍棄一些從結(jié)構(gòu)上預(yù)計(jì)成藥性差的化合物，選用更少的化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)與模型生物實(shí)驗(yàn)。

在先導(dǎo)化合物優(yōu)化階段，結(jié)構(gòu)生物學(xué)、計(jì)算化學(xué)的工作人員可以分別從分析實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)測的角度，通過判斷化合物分子與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)結(jié)合的狀態(tài)，預(yù)測哪些分子結(jié)構(gòu)最適合成為臨床候選藥物。同時(shí)，有較為深厚的藥學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累合成化學(xué)工作者也會(huì)建議一些化學(xué)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化先導(dǎo)化合物分子的成藥性。在這些信息的指引下，藥物化學(xué)工作者合成毫克級(jí)至克級(jí)的化合物，供藥學(xué)工作者采集相關(guān)的化合物體外試驗(yàn)、毒理學(xué)、藥代動(dòng)力學(xué)等數(shù)據(jù)。最終，相關(guān)的先導(dǎo)化合物按照它們的綜合表現(xiàn)被順序排列，最優(yōu)先的化合物作為臨床前候選化合物，進(jìn)入到后續(xù)藥物研發(fā)階段。

1.3?藥物化學(xué)的相關(guān)工作模式

在藥物發(fā)現(xiàn)階段，藥物化學(xué)工作的主要目的是以最快的速度合成目標(biāo)種類數(shù)量的化合物。無論是合成供高通量篩選的化合物庫，還是合成克級(jí)的先導(dǎo)化合物，工作人員的勞動(dòng)時(shí)間是成本的最大貢獻(xiàn)者；而藥物化學(xué)工作使用的原料、耗材等非人力成本，通常占比很小。

在藥物化學(xué)階段，人們在工作中通常不用過多考慮產(chǎn)品的純度與合成路線的經(jīng)濟(jì)性。這其中最主要的原因是：人們還不知道大部分化合物能否作為候選藥物分子，進(jìn)入到后續(xù)的研發(fā)階段。因此，只要能以最快的速度得到（通常情況下90%純度以上）的目標(biāo)量產(chǎn)品，藥物化學(xué)工作者的工作基本就算完成。因此，合成方法學(xué)是藥物化學(xué)工作的有力工具：很多學(xué)界新報(bào)道的、未被放大生產(chǎn)檢驗(yàn)過的、精妙的合成方法在藥物化學(xué)工作中被使用。

2.?????臨床前至臨床I期階段的化學(xué)工作（藥物化學(xué)與工藝化學(xué)的交匯）[5]

在人們得到臨床前候選化合物的結(jié)構(gòu)信息之后，需要將其進(jìn)行首次放大生產(chǎn)：因?yàn)楦嗔康幕衔镄枰挥糜诖笮筒溉閯?dòng)物（臨床前）與健康志愿者（臨床I期）體內(nèi)，以便獲取更多該藥物的安全性與有效性信息。在這個(gè)藥物研發(fā)階段，臨床前候選化合物逐漸成為了工藝化學(xué)研究人員口中的原料藥（API）。臨床前研究與臨床I期研究所需要的原料藥產(chǎn)品的量級(jí)在數(shù)百克至數(shù)公斤的范圍內(nèi)。在藥物化學(xué)階段的合成信息將作為工藝化學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)，供工藝化學(xué)研究人員使用，以開發(fā)放大生產(chǎn)工藝。

2.1?藥物化學(xué)與工藝化學(xué)在藥物研究新階段遇到的新問題

在這個(gè)藥物開發(fā)階段，制造與質(zhì)量控制的主題首次被列入主要考慮因素之內(nèi)。供大型哺乳動(dòng)物（如鼠）與人使用的藥物，在藥物的申報(bào)資料中需要有明確的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；而且隨著臨床研究向臨床III期乃至于商業(yè)化階段的推進(jìn)，原料藥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該不差于前一研究階段的情況。對于臨床前研究與臨床I期研究使用的小分子原料藥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制，各國的藥物監(jiān)管部門均有相關(guān)的推薦標(biāo)準(zhǔn)。

除了質(zhì)量控制要求之外，工藝研發(fā)人員在化學(xué)方面的考慮還有兩方面：1）在藥物化學(xué)階段，人們使用的合成路線能否成功地在工廠中放大生產(chǎn)？2）目標(biāo)原料藥分子能否以最有競爭力的成本、保質(zhì)保量地獲得？因此，在這一藥物研究階段的化學(xué)相關(guān)的工作，涉及到藥物化學(xué)與工藝化學(xué)、理學(xué)思維與工程思維的相互交匯。

2.2?化學(xué)反應(yīng)的放大效應(yīng)與安全性

在這個(gè)藥物研究階段，迅速獲得目標(biāo)產(chǎn)量、目標(biāo)質(zhì)量的化合物仍是第一要?jiǎng)?wù)：因此，解決藥物化學(xué)合成路線中的影響放大生產(chǎn)的反應(yīng)步驟與反應(yīng)條件等問題，是首次放大生產(chǎn)對應(yīng)的工藝化學(xué)的首要技術(shù)任務(wù)。藥物化學(xué)過程中使用的反應(yīng)條件有時(shí)太極端或者太劇烈（如150攝氏度以上、攝氏零下78度以下的反應(yīng)溫度），或者使用的試劑在放大生產(chǎn)中太過危險(xiǎn)（如叔丁基鋰），或者放大反應(yīng)狀態(tài)下的不可控因素急劇增多（如卡賓插入反應(yīng)）：這些明確限制放大生產(chǎn)的因素都要逐個(gè)被工藝化學(xué)解決。

相關(guān)的解決方案包含：更換反應(yīng)路線，使用適合放大生產(chǎn)的反應(yīng)條件相應(yīng)的合成手段；不變換反應(yīng)路線，使用適合放大生產(chǎn)的試劑；不變換反應(yīng)路線，使用如流體化學(xué)之類的新技術(shù)反應(yīng)裝置完成放大生產(chǎn)等。

在變更反應(yīng)路線與反應(yīng)條件的同時(shí)，人們會(huì)通過探究反應(yīng)過程的安全相關(guān)參數(shù)（如原料、中間體、產(chǎn)品的DSC[6]與TGA[7]數(shù)據(jù)；反應(yīng)整個(gè)過程的RC1[8]數(shù)據(jù)等），判斷一個(gè)反應(yīng)在工廠放大生產(chǎn)的過程中，是否有熱量/壓力蓄積、出現(xiàn)熱/壓力失控、產(chǎn)生生產(chǎn)事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)。如果相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)存在，人們需要進(jìn)一步探尋合適的反應(yīng)路線與反應(yīng)條件。

2.3?反應(yīng)過程控制、反應(yīng)穩(wěn)定性研究與物料平衡

很多藥物化學(xué)的反應(yīng)在體積為50毫升以下的反應(yīng)瓶中進(jìn)行，向反應(yīng)體系中加入物料、溫度控制等時(shí)間因素均可以忽略不計(jì)。而在一個(gè)5000升的反應(yīng)釜中，加入一種物料、將反應(yīng)體系的溫度從室溫升至80攝氏度所耗費(fèi)的時(shí)間可能都需要以小時(shí)為單位計(jì)算。在這種情況下，對于一個(gè)在小反應(yīng)瓶中僅需2至3小時(shí)便能完成的反應(yīng)，放大生產(chǎn)的過程中，可能3個(gè)小時(shí)僅能完成物料加入與溫度控制。在反應(yīng)耗費(fèi)時(shí)間明顯比藥物化學(xué)階段更長的條件下，如何判斷目標(biāo)反應(yīng)已經(jīng)完成？如何判斷得到的產(chǎn)品在更久的反應(yīng)狀態(tài)下，是否轉(zhuǎn)化成了其他雜質(zhì)？因此，工藝化學(xué)研究的兩個(gè)重要概念是：反應(yīng)過程控制（In-Process Control，IPC）與反應(yīng)穩(wěn)定性研究（通常以壓力測試[9]的方式展開）。

在工藝化學(xué)研究過程中，人們在一個(gè)反應(yīng)過程的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)對反應(yīng)體系取樣分析；同時(shí)，人們對于反應(yīng)過程中關(guān)鍵的物質(zhì)（如原料、中間態(tài)、產(chǎn)品）進(jìn)行壓力測試，判斷相關(guān)化合物中整個(gè)反應(yīng)、后處理、純化階段的穩(wěn)定性。根據(jù)取樣分析結(jié)果、壓力測試結(jié)果獲得整個(gè)工藝過程的物料平衡、[10]提出相應(yīng)的工藝控制策略，從而完成相關(guān)的反應(yīng)過程控制。

2.4?工藝路線的經(jīng)濟(jì)性考慮

在原料藥的首次放大生產(chǎn)階段，生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物使用的工藝路線成本開始被納入到CMC業(yè)務(wù)的綜合考慮因素之內(nèi)。一方面，如果反應(yīng)路線涉及的步驟數(shù)較多、原料價(jià)格昂貴，那么首次放大生產(chǎn)相應(yīng)的物料成本與生產(chǎn)成本就會(huì)很貴；另一方面，如果藥物分子的臨床表現(xiàn)良好，后續(xù)原料藥需求量會(huì)逐漸增大，而首次放大生產(chǎn)使用的工藝路線往往會(huì)成為后續(xù)更大規(guī)模生產(chǎn)的框架。

在原料藥首次放大生產(chǎn)階段，原料藥CMC的業(yè)務(wù)成本占比大致是：研發(fā)人員的人力成本仍然占據(jù)主要部分，但使用的原料、在工廠生產(chǎn)的設(shè)備成本已經(jīng)占據(jù)一個(gè)比較重要的部分。

因此，選用盡量經(jīng)濟(jì)的工藝路線完成原料藥首次放大生產(chǎn)、在后續(xù)臨床研究階段不對工藝路線進(jìn)行明顯改動(dòng)，應(yīng)該是首次放大生產(chǎn)的工藝研發(fā)工作希望看到的最理想的結(jié)果。這需要工藝化學(xué)與藥物化學(xué)相關(guān)的工作人員協(xié)作，通過路線設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)嘗試，共同優(yōu)化工藝化學(xué)路線。

如果原料藥首次放大生產(chǎn)使用的工藝路線在各方面都非常合適，人們能夠沿用該路線進(jìn)行放大生產(chǎn)，直至臨床III期研究乃至商業(yè)化階段：工藝路線相關(guān)的雜質(zhì)研究工作將在后續(xù)CMC工作中被很大程度節(jié)約。在下述的2.5節(jié)，我們即將展開討論。

2.5?雜質(zhì)研究

我們總是希望使用的藥物越純凈越好，因?yàn)樗幬镏械碾s質(zhì)有可能給患者帶來未知的風(fēng)險(xiǎn)。但是，無論人們通過何種方式獲取、精制原料藥產(chǎn)品，雜質(zhì)都會(huì)伴隨著原料藥存在于患者使用的產(chǎn)品中。因此，判斷在經(jīng)過生產(chǎn)、精制之后仍存在于產(chǎn)品中雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)是否可控（即雜質(zhì)研究），是原料藥CMC業(yè)務(wù)中很重要的一部分內(nèi)容。

在原料藥首次放大生產(chǎn)階段，人們需要對于原料藥產(chǎn)品中可能存在的雜質(zhì)進(jìn)行預(yù)測、分析、確證?？赡艽嬖谟谠纤幃a(chǎn)品的雜質(zhì)包括：原料、工藝路線中涉及到的中間體、使用的試劑與溶劑、反應(yīng)過程可能伴隨的副反應(yīng)產(chǎn)物、原料藥自身降解的產(chǎn)品、雜質(zhì)降解/衍生的產(chǎn)品等。ICH質(zhì)量指導(dǎo)原則中，有許多章節(jié)涉及到小分子原料藥雜質(zhì)研究的相關(guān)內(nèi)容，這包括但不限于：Q1（原料藥穩(wěn)定性）、Q3（有機(jī)雜質(zhì)、無機(jī)雜質(zhì)、溶劑殘留）、Q6（規(guī)格設(shè)置）、Q11（原料藥開發(fā)）、M7（基因毒性雜質(zhì)）等。我們將在本教材的最后，結(jié)合相關(guān)的ICH指導(dǎo)原則，單獨(dú)使用一篇文章詳述雜質(zhì)研究的要點(diǎn)。

如果在臨床II期至臨床III期階段，人們生產(chǎn)原料藥的工藝化學(xué)路線與臨床前至臨床I期階段使用的工藝化學(xué)路線相比，發(fā)生了根本性的變化：那么，臨床II至III期階段的原料藥產(chǎn)品中的雜質(zhì)種類、含量等關(guān)鍵信息，預(yù)期就會(huì)與臨床前至臨床I期階段的相關(guān)情況產(chǎn)生較大的差異。于是，臨床前至臨床I期階段進(jìn)行的雜質(zhì)研究工作生成的信息的可用度就會(huì)降低，人們要重新對于臨床II至III期階段的工藝路線進(jìn)行雜質(zhì)研究：這也是2.4節(jié)最后段落的相關(guān)解釋。

2.6?規(guī)范性生產(chǎn)

新藥研發(fā)過程中涉及到任何供人使用的藥品，都要在GMP條件下生產(chǎn)得到，以保證人用藥品的質(zhì)量。GMP的含義為“良好生產(chǎn)規(guī)范”（Good Manufacturing Practice），是制藥工業(yè)在歷史上經(jīng)歷一系列質(zhì)量事故導(dǎo)致的公眾衛(wèi)生事件之后，逐步建立起來的保證藥品質(zhì)量的控制體系。

GMP相對非GMP控制體系的各方面成本都更高一些。對于工藝化學(xué)而言，由于合成目標(biāo)化合物的反應(yīng)步驟數(shù)很長，通常情況下，沒有必要從結(jié)構(gòu)非常簡單的市售化學(xué)品作為GMP生產(chǎn)的起始物料（或者稱為注冊起始物料，registered starting material，RSM）：從RSM出發(fā)合成最終原料藥的步驟，人們使用GMP控制體系；而在RSM之前的生產(chǎn)步驟，無需使用GMP控制體系進(jìn)行生產(chǎn)。對于注冊起始物料的定義，ICH Q11指導(dǎo)原則有明確的建議標(biāo)準(zhǔn)；但因?yàn)槊總€(gè)原料藥的合成路線的情況均有其特殊性，各個(gè)國家的藥品監(jiān)管機(jī)構(gòu)對于同一條合成路線的RSM界定都有可能發(fā)生不一致的現(xiàn)象。有些國家地區(qū)的藥物監(jiān)管機(jī)構(gòu)會(huì)允許很復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)作為RSM，即從RSM到原料藥的合成步驟數(shù)相對更短、在各步驟中對于原料藥的控制機(jī)會(huì)相對較少；而有些國家地區(qū)的藥物監(jiān)管機(jī)構(gòu)則傾向于批準(zhǔn)更簡單的化學(xué)結(jié)構(gòu)作為RSM，即從RSM到原料藥的合成步驟數(shù)相對更長、在各步驟中對于原料藥的控制機(jī)會(huì)相對較多。

3.?????臨床II期至商業(yè)化生產(chǎn)階段的化學(xué)工作（工藝化學(xué)與工程控制）[11]

伴隨著一個(gè)原料藥產(chǎn)品相關(guān)的藥品成功進(jìn)入臨床II期、III期乃至于NDA申報(bào)成功、進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段，合成原料藥的工藝化學(xué)路線會(huì)逐漸被優(yōu)化、固定；人們對于該條工藝化學(xué)路線的理解也逐漸深化、成熟。工藝化學(xué)研究的重點(diǎn)將更加關(guān)注：如何穩(wěn)定地使用工藝條件通過多批次生產(chǎn)，得到批次與批次之間收率穩(wěn)定、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。

為了達(dá)成此目的，GMP生產(chǎn)體系要求與工藝生產(chǎn)相關(guān)的各因素均需要經(jīng)歷驗(yàn)證過程，這包括但不限于：生產(chǎn)設(shè)備驗(yàn)證與設(shè)備清潔驗(yàn)證、分析方法驗(yàn)證、生產(chǎn)工藝驗(yàn)證等。因此，在此藥物研發(fā)階段的工藝化學(xué)的主體研究工作即為：為了使生產(chǎn)工藝成功得到驗(yàn)證，通過QbD實(shí)驗(yàn)（Quality by Design，質(zhì)量源于設(shè)計(jì)）獲得達(dá)成原料藥關(guān)鍵質(zhì)量屬性（Critical Quality Attribute，CQA）的關(guān)鍵工藝參數(shù)（Critical Process Parameters，CPP）。

一般情況下，原料藥關(guān)鍵質(zhì)量屬性之中，最受關(guān)注的一項(xiàng)仍然是雜質(zhì)的含量控制。人們在經(jīng)歷了多輪生產(chǎn)過程之后，對于關(guān)注的主要雜質(zhì)的生成、轉(zhuǎn)化、除去規(guī)律（Fate and purge）基本有了較為明晰的認(rèn)知。在這種情況下，人們通過化學(xué)邏輯與相關(guān)的QbD實(shí)驗(yàn)，找到各GMP步驟控制雜質(zhì)的生成與除去的關(guān)鍵工藝參數(shù)（CPP）與關(guān)鍵工藝參數(shù)的可接受操作區(qū)間（Proven Acceptable Ranges，PAR）；原料藥的質(zhì)量屬性中，其他關(guān)鍵質(zhì)量屬性也參照此種方式獲取相應(yīng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)信息。

在一個(gè)GMP生產(chǎn)主體之中，工藝化學(xué)團(tuán)隊(duì)、分析化學(xué)團(tuán)隊(duì)、生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)、質(zhì)量保證團(tuán)隊(duì)相互協(xié)作，最終完成原料藥生產(chǎn)的各個(gè)驗(yàn)證環(huán)節(jié)；待相應(yīng)藥品監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)申報(bào)資料之后，經(jīng)歷各種優(yōu)化的工藝化學(xué)路線終于可以在此生產(chǎn)主體進(jìn)行商業(yè)化資質(zhì)的生產(chǎn)。

4.?????新技術(shù)在工藝化學(xué)研發(fā)中的應(yīng)用示例

制藥工業(yè)是有機(jī)化學(xué)新方法的高頻應(yīng)用場景之一，很多在當(dāng)時(shí)開辟了有機(jī)合成新方法學(xué)的化學(xué)家，在十幾年或數(shù)十年后拿到諾貝爾獎(jiǎng)：其原因就是包括制藥工業(yè)在內(nèi)的業(yè)界廣泛應(yīng)用了相應(yīng)的合成方法，通過很多年的業(yè)界應(yīng)用證實(shí)了相關(guān)方法的便利性與可靠性。如1979年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Herbert C. Brown與Georg Wittig，2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予William Knowles、野依良治與Barry Sharpless，2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Richard Heck、根岸英一與鈴木章，2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Benjamin List與David MacMillan：他們的很多開創(chuàng)性的有機(jī)合成方法學(xué)大大簡化了合成目標(biāo)分子的難度，節(jié)約了相應(yīng)的人力、物力、以及時(shí)間成本；很多人的名字已經(jīng)將相應(yīng)的合成反應(yīng)方法冠名，編入教材之中。

在本篇內(nèi)容中，我們介紹兩種小分子原料藥CMC業(yè)務(wù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)新技術(shù)：連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)與酶催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。

3.1?連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)（Flow chemistry）

連續(xù)反應(yīng)過程對于大化工而言，是基本操作模式。因此，如果在工程角度上考慮，連續(xù)反應(yīng)技術(shù)并不是一個(gè)新概念。高等教育體系中，化學(xué)工程與工藝的學(xué)生們學(xué)習(xí)《反應(yīng)工程》課程時(shí)，會(huì)接觸到相應(yīng)的流體反應(yīng)數(shù)學(xué)、物理模型。

對于制藥工業(yè)而言，因?yàn)楫a(chǎn)品的批量比較小，在放大生產(chǎn)上傳統(tǒng)使用批次反應(yīng)模式。在設(shè)計(jì)合成路線的時(shí)候，人們往往可以通過使用適合批次反應(yīng)放大的反應(yīng)形式規(guī)避、或者繞開那些不適合批次放大生產(chǎn)的反應(yīng)：如自由基反應(yīng)、卡賓插入反應(yīng)、使用丁基鋰的深冷反應(yīng)等。但是，如果一些反應(yīng)形式能夠很大程度地簡化反應(yīng)過程、降低路線的總成本，那么使用連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)配合相應(yīng)的反應(yīng)形式，是提高工藝路線效率的一個(gè)好方法。

下面對一個(gè)連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)在制藥工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行舉例。國際制藥公司阿斯利康在原料藥Ceralasertib（AZD6738）的一個(gè)關(guān)鍵中間體的合成過程中，若使用傳統(tǒng)批次反應(yīng)技術(shù)，需要耗費(fèi)四步反應(yīng)轉(zhuǎn)化過程：[12]

如果使用光敏化條件下的Minisci反應(yīng)，則可以將工藝路線縮減為兩步：[13]

Minisci反應(yīng)的關(guān)鍵中間體是自由基：如果使用批次反應(yīng)形式完成，生成自由基的過程、自由基形成之后與嘧啶底物反應(yīng)的過程均不可控。使用透明的連續(xù)流反應(yīng)器，自由基在450 nm的藍(lán)光照射下生成，隨即在微小的反應(yīng)空間內(nèi)與嘧啶底物進(jìn)行反應(yīng)：這樣，自由基中間體的生成與后續(xù)反應(yīng)均得到有效控制。此連續(xù)光反應(yīng)成功地得到了百克級(jí)的放大生產(chǎn)結(jié)果。

迄今為止，適合連續(xù)流生產(chǎn)模式的新型反應(yīng)形式正不斷地被制藥工業(yè)采納，連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)正越來越多地應(yīng)用在小分子CMC業(yè)務(wù)領(lǐng)域之中?；诖?，ICH在2021年底新進(jìn)推出了連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)的指導(dǎo)原則（征求意見稿，ICH Q13），以更好地規(guī)范工藝路線中包含連續(xù)流生產(chǎn)模式的小分子新藥的制造過程。

3.2?酶催化轉(zhuǎn)化技術(shù)

藥品供人使用，以改善人體內(nèi)的生物化學(xué)過程、達(dá)到治療疾病的目的；天然的藥用化合物本身，也是自然界的生物通過生物酶轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的。近年來，分子生物學(xué)的研究成果也不斷地向小分子原料藥的CMC業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供貢獻(xiàn)，使傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)與分子生物學(xué)之間的界限變得模糊。

生物相關(guān)的物質(zhì)絕大部分都自帶手性；而生物酶催化轉(zhuǎn)化過程在經(jīng)歷優(yōu)化之后，往往也會(huì)給底物帶來手性選擇性非常好的轉(zhuǎn)化效果。在貴金屬催化劑的成本逐漸提升的大背景下，在小分子原料藥的合成路線中使用酶催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，從各方面評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)看來，都越來越有競爭力。

在小分子原料藥CMC領(lǐng)域，工藝化學(xué)路線使用的常見的生物酶工具包括（但不限于）：脂肪酶（Lipase）、轉(zhuǎn)氨酶（Transaminase）、酮還原酶（Ketoreductase）、單加氧酶（Monooxygenase）等。我們使用與3.1節(jié)同樣的原料藥分子，阿斯利康的原料藥Ceralasertib（AZD6738）為例，看一步酶催化轉(zhuǎn)化過程如何應(yīng)用在原料藥的工藝化學(xué)路線中。

在Ceralasertib的藥物發(fā)現(xiàn)階段，合成的目標(biāo)中間體的硫氧鍵帶有手性，[14]在后續(xù)的轉(zhuǎn)化過程中需要進(jìn)行手性分離，獲得目標(biāo)構(gòu)型的化合物

使用單加氧酶（BVMO）與酮還原酶（KRED）的組合可以選擇性地得到目標(biāo)構(gòu)型的產(chǎn)品，[15]從而使所有底物的目標(biāo)轉(zhuǎn)化產(chǎn)品為手性純的產(chǎn)品，進(jìn)而提高整個(gè)工藝路線的經(jīng)濟(jì)性。

為制藥工業(yè)供應(yīng)催化活性強(qiáng)、手性選擇性好的各種酶轉(zhuǎn)化工具，是分子生物學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。對于一類反應(yīng)而言，同一種生物酶對于不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的底物的催化活性、選擇性可能有很大的不同。人們可以將相關(guān)的酶進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的不斷優(yōu)化，以提升酶工具在特定底物的反應(yīng)過程中的表現(xiàn)：生物酶的定向進(jìn)化（Directed evolution）就是生物酶的一種重要的優(yōu)化方法。[16]2018年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的一半獎(jiǎng)金被授予了加州理工大學(xué)的Frances Arnold教授，以表彰她在生物酶的定向進(jìn)化領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

[1]?https://www.bilibili.com/read/cv16179215

[2]?維基百科：組合化學(xué)

[3]?“DNA-encoded chemical libraries.”?Nat. Rev. Methods Primers?2022,?2, 3

[4]?維基百科：Hit to lead、IC50、EC50、里賓斯基五規(guī)則

[5]?更多信息參見：尼爾·安德森《有機(jī)合成工藝研究與開發(fā)》，陳芬兒主譯，原著第二版

[6]?差示掃描量熱法（Differential scanning calorimetry）

[7]?熱重量分析（Thermal gravimetric analysis）

[8]?反應(yīng)量熱（Reaction calorimetry）

[9]?對反應(yīng)過程中的各階段進(jìn)行工藝約束關(guān)鍵參數(shù)的上限或下限（甚至略超過上限或下限）的運(yùn)行狀態(tài)測試，判斷在極端工藝條件下，工藝操作是否能夠達(dá)成預(yù)期目的

[10]?原料有多少?zèng)]有被轉(zhuǎn)化、多少轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、多少轉(zhuǎn)化為雜質(zhì)；產(chǎn)品有多少損失在純化過程中、多少繼續(xù)轉(zhuǎn)化為雜質(zhì)、多少被最終得到等信息

[11]?更多信息參見ICH Q7（原料藥GMP生產(chǎn)）、Q11（原料藥開發(fā)）指導(dǎo)原則

[12]?Org. Process Res. Dev.?2021,?25, 43-56

[13]?Org. Process Res. Dev.?2021,?25, 57-67

[14]?J. Med. Chem.?2018,?61, 9889-9907

[15]?Org. Process Res. Dev.?2021,?25, 43-56

[16]?維基百科：Directed evolution