重磅：神奇的手性分子篩終于來了，制藥界或迎來巨變

　　上個世紀六十年代，出現了一個怪現象，在短短的幾年時間內，全球范圍內有1萬多新生嬰兒患上了一種叫做海豹肢癥（形似海豹）的疾病。要知道，海豹肢癥是一種極其罕見的疾病，怎么會突然大面積爆發？

　　科學家迅速展開大范圍的調查研究，最終發現罪魁禍首是一個叫做沙利度胺（又名反應停）的藥物。反應停是上個世紀五十年代推出的一種鎮靜劑，由于對孕婦早期的惡心、嘔吐等妊娠反應非常有效，深受廣大婦女的喜愛。

　　然而，讓反應停的制造商Grünenthal GmbH沒想到的是，他們生產的反應停是一種藥物，也不是一種藥物。當然，我們今天不是在討論哲學問題。那這句話是啥意思呢？

　　我們先來看個例子。大部分人都有兩只手，雖然都叫手，但是一般人都能明顯感覺到左手和右手是不同的。我們可以說它們長得一模一樣，但是卻又完全不一樣。因為他們是鏡面對稱的，是不能重合的。對于左撇子而言，左手好使，正常人是右手好使。生活中有些事是左手干，有些事是右手干，反過來就別扭，甚至把事情搞砸。科學家把這種現象叫做「手性」。

　　說到這里，你也許已經意識到了，那個反應停肯定也是存在「手性」現象。確實，后來科學家發現，反應停這種藥在生產的過程中會出現兩種呈「手性」對稱的構象。它們不叫左反應停和右反應停，而是叫R-反應停和S-反應停。R型有顯著的抑制妊娠反應的藥理作用，而S型則會產生嚴重的至畸形副作用（4）。

　　這一事件引起了人們對具有「手性」性質的藥物極大的關注，FDA也對這類藥物的臨床研究做了明確的規定。在制藥領域，56%的藥物都具有「手性」特點。這咋辦呢？除非你能證明混在一起沒有副作用，否則你就得從混合藥物里盡可能踢掉另一種。這就好比，從不計其數的豬蹄兒中挑出左蹄兒賣。豬蹄兒好歹有那么大，在「富士康」級別的流水線上很快就能分揀完了，但是化學藥物分子那么小，那么多，咋辦。

　　實際上對于手性化合物的分離，一直是化學領域的熱門課題。雖然目前有多種手性化合物分離的方法，但都費時費力，成本昂貴，極大的限制了手性化合物的應用。

　　時間來到2017年。今年4月，在加利福利亞理工大學，由 Mark E. Davis教授帶領的一組國際研究人員成功的研發出世界上第一個手性分子篩（1）。這一發現無疑在化學和生物學領域開辟了新的研究領域，并將廣泛運用于制藥公司和其他的化工企業。這一發現將極大的提高手性化合物的市場占有率。

　　Davis教授發明的這個篩子到底有多厲害，我們暫且不表。先說說為什么同樣的化學組成卻能形成空間不同的兩種結構？

　　當碳原子在形成有機分子時有時會與四個基團相連接，碳原子連接四個基團形成空間三維結構。當這四個基團都不同時它會形成兩種分子結構，這兩種分子關于鏡面對稱，卻不能重合。也就是說這兩種分子結構代表了兩種不同的物質。由于這兩種物質在三維空間內無論怎么做都不能讓它們重合，就像人的左右手一樣，因此人們將這兩種物質稱為「手性」分子，這兩種物質在物理性質上幾乎相同，但是在化學性質上卻相去甚遠（2）。

手性分子

　　其實「手性」離我們并不遠。對于「手性」化合物的有記載的研究最早可以追溯到1848年。在1848年之前，人們并不知道光學異構體以及外消旋體（兩種異構「手性」分子的等量混合物）的存在，更不知道如何將外消旋體中的兩種光學異構體分開。然而1848年法國化學家，生物學家路易斯巴斯德在釀酒的過程中發現了一種叫酒石酸銨鈉的化合物，并且在28攝氏度下結晶過程中產生了晶型完全不同的兩種結晶，之后他便來測量這兩種晶型的旋光度，結果一種結晶產生向右的偏振光，一種結晶產生向左的偏振光，而將這兩種晶體等量混合后失去旋光活性。因此巴斯德是發現「手性」的第一人（3）。

　　然而，人們花了近一個世紀才發現「手性」在動植物，農業，化工以及藥學中起到了非常重要的作用。所有的蛋白質，酶，核酸一部分的生物堿和激素都是「手性」化合物。與人工合成的手性產物相比，所有天然的「手性」物質都是單一的光學異構體，比如，所有自然界的氨基酸都是有左旋光性的，而所有天然的糖都是具有右旋光性的，這與動植物體內的所有酶，受體等都具有高度的立體選擇性相關（4）。

　　盡管這些異構體具有相同的化學組成，但是大部分外消旋體藥物中的兩種光學異構體在藥理作用，毒性，代謝上有顯著的差異。單一異構體藥物的使用，往往比外消旋的混合物的使用效果更好，毒性更低，患者依從性也更好。例如，常用的心血管藥物β腎上腺素受體阻斷劑普萘洛爾，左旋異構體比右旋異構體的活性高出了100倍，常用的治療帕金森病的藥左旋多巴，其右旋異構體會造成不可耐受的副作用（5）。

　　因此，對外消旋體藥物的拆分的或者直接合成單一的對映異構體對于制藥工業，化工業等就顯得格外重要。目前用于手性藥物拆分的最主要的方式就是高效液相色譜法（HPLC）。而單一對映異構體的合成主要通過不對稱合成來實現。2001年的諾貝爾化學獎就授予了三位致力于手性催化氫化的科學家，威廉·諾爾斯，他發現可以使用過渡金屬來對手性分子進行氫化反應，以獲得具有所需鏡像形態的最終產品。野依良治進一步完善了用于氫化反應的手性催化劑的工藝。而巴里·夏普萊斯開發出了用于氧化反應的手性催化劑。

三位諾貝爾化學獎獲得者

　　「手性」分子篩的發現將有望極大降低單一對映異構體藥物的生產成本，使其在藥品市場中占據主導地位。通過計算機輔助設計，研究人員通過使用有機結構導向劑與無機組分進行反應，產生結晶的有機無機復合材料。之后去除有機結構導向劑，產生各種應用（催化，分離，離子交換和吸附等）所需的，與有機結構導向劑空間結構相關的直徑小于2nm的耐高溫，耐水解的微孔（6）。

　　這些小孔是「手性」分子篩發揮作用的關鍵部位。其實分子篩就相當于一個過濾器。在分子篩內部的數百萬個小孔內，只有與有機結構導向劑大小，結構相似的化合物才能進入小孔內，被保留，而其他化合物被洗脫掉，從而達到分離的效果。因此通過改變有機結構導向劑的結構以及在無機材料上添加不同的催化劑，可以生產各種不同的分子篩，提供形狀選擇性能，并且與包含催化活性位點相結合，能夠產生無數高選擇性的化學反應。從而人們可以低成本生產所需要的左旋對映異構體，右旋對映異構體或者消旋體（6）。

　　總而言之，「手性」分子篩不僅可以用于單一對映異構體的合成，也能用與外消旋體的拆分，而且還能重復使用，能最大限度的降低制藥產業，化工產業等的成本。未來藥品市場一定屬于單一對映異構體藥物。