近年来,制药业日益转向酶催化,作为传统化学合成的可持续替代品,这一转变旨在减少环境影响,同时提高活性药物成分生产效率。 由於收紧监管要求和企业可持续性承诺,制造商目前正在部署工程酶,以取代有害试剂、削减溶剂使用和降低能量需求。 越来越多的研究和工业案例研究表明,酶过程可以匹配或超过常规途径的产量,同时产生大量废物。

绿色化学在API生产中的重要性

绿色化学原则 — — 正如保罗·阿纳斯塔斯的12项原则所概述 — — 强调了减少危险物质、能源消耗和废物产生。 酶催化物通过提供具体、高效和环保的反应来与这些原则完全一致。 比如,生物催化反应通常在温和条件下(气候温度、中性pH值和低压)运作,而许多化学催化方法需要高温或有毒金属催化剂。 这种固有的温和不仅能提高安全性,而且能将副产品降到最低程度,并简化下游净化。

制药部门面临着采用绿色化学的独特压力。 API是复杂的分子,往往需要多步骤合成,每公斤产品产生25-100公斤废物。 通过用酶取代化学催化剂,企业可以实现更高的原子经济并降低其E-因子(环境影响因素 ) 。 美国环境保护局和美国化学会绿色化学研究所都承认酶过程是实现更可持续的制造的关键杠杆。 此外,国际药品开发创新和质量联合会(IQ)已经公布了行业指导方针,鼓励在早期开发中进行生物催化,以简化以后的扩展。

一个明显的好处是:酶可以生物降解,并且来自可再生资源,这与许多需要认真处理的重金属催化剂不同。 监管者和终端消费者对“更绿色”的API的需求不断增加,这正在加速生物催化与商业生产线的结合。 比如,辉瑞公司对糖尿病药物静脉注射的跨敏化途径,取消了高压氢化步骤,将总浪费减少19 % , 同时将产量提高10-13%。

近期酶催化方面的进展

酶工程的进步,如定向进化和蛋白质改造,已经导致了稳定性、活性和底物范围增强的酶。 这些改进使得酶在工业条件下有效发挥作用,包括高底物浓度、有机共溶剂和高温,这些曾经被认为与生物催化剂不相容。 弗朗西丝·阿诺德(Frances Arnold)在定向进化方面获奖的工作为创造能够接受非自然底物或进行自然中未发现的反应的特制酶铺平了道路。

现代的高通量筛选和计算蛋白设计加速了新生物催化剂的发现。 机器学习算法现在预测了突变效应,引导工程师们转向热稳定、耐溶剂的变体。 例如,Codexis(现为新氮化物的一部分)已经将许多用于药物应用的工程酶商业化,包括切除酶、转氨酶和与工业相关的硝化酶。 这些酶现在可以在商业工具包中找到,从而降低在工艺开发实验室中采用的障碍。

无法激活酶的开发允许其再利用,降低成本,提高过程可持续性. 小说生物催化剂现在能够催化过去用非对称C-H激活,场地选择性氧化,以及醇类凝固等传统方法具有挑战性或不可能的复杂反应. 流动生物催化剂 — — 酶在被包装的堆内被停止激活 — — 提供了连续生产,更好的质量转移,与批量过程相比,更简单的放大.

酶链和多步骤生物转化

最近的研究集中在酶级联上,在单反应容器中发生多个生物催化步骤,而中间隔离。 这一方法模仿自然代谢途径,并大幅降低溶剂使用、劳动力和资本设备要求。 比如,使用来自Merck和Codexis的工程酶对HIV药物异体病毒进行一锅合成,用3步生物催化级联取代了7步化学路线,实现了更高的产量和81%的废物减少。

扩展生物催化工具箱

除了水合酶和氧化还原酶,较新的酶类正在进入API生产. IMine还原酶和乙烯还原酶可以使亲核亚基不对称的还原. 由肝蛋白所制造的碳苯转移酶可以催化环丙烷化和插入以前排入过渡金属催化剂的功能. 通过生物催化可以获取的反应的广度正在迅速扩大,有望覆盖药物合成所需的大多数结合成化化学.

API 合成中的应用程序

酶过程越来越多地用于手性化合物的合成,这些化合物在许多API中至关重要。它们高的立体选择性能保证纯对映异构体的生产,从而减少广泛净化的需要。这对手性药物来说特别宝贵,因为一个对映异构体在治疗上具有活性,而另一个则可能有毒或不活动。 例如,块状胆固醇-低药Atorvastatin使用酮酶酶来设置一个大于99.9%的对映量的关键手性中心。

例子包括抗生素合成(例如通过青霉素G丙基酶的脑膜素),抗病毒(例如使用转氨酶的HIV蛋白抑制剂达鲁纳病毒),以及抗炎剂(例如通过脂酶催化溶解的纳米罗素),这些酶提供了更清洁、更安全和更具成本效益的路线,通过用一个将有机溶剂总使用量削减50%的酶级联取代化学磷酸化步骤,改善了抗病毒还原的合成途径。

商业成功故事

几个里程碑式的应用证明了酶API生产的成熟性。 Merck生产Januvia中间体时使用了经过11轮定向演化的转脑。 由此而来的过程是200克/升底物装载,产值为92%,对价纯度为99.95%。 同样,Boehringer Ingelheim为一个API中间体开发了无激活的酮还原工艺,运行周期超过100个,没有发生重大活动损失。

中国的API制造商最近将关键静脉链的脂酶催化合成量扩大到10000升,比化学途径的总生产成本降低40%。 这些成功鼓励了较小的公司和合同开发组织在开发过程中更早地采用生物催化法。

挑战与未来方向

尽管取得了这些进步,但挑战依然存在,如在恶劣的工业条件下酶稳定性和生物催化过程的可扩展性。 正在进行的研究旨在通过酶设计和过程优化来克服这些障碍。 比如,蛋白质工程可以通过引入脱硫结合或高温下进化来增强热稳定性。 混合化还保护酶免受脱饱和,并允许流体反应堆持续运行。

亚硝酸盐和产品抑制是常见的问题,需要谨慎的反应工程. 美联储-批量或连续剂量策略可以保持浓度低. 溶剂工程——使用双亲系统或共溶剂——可以提高溶解性而不会抑制酶. 分子动力学和量子力学/分子力学(QM/MM)模拟等计算工具现在被用来预测亚硝酸盐绑定,并指导更宽容的变体的设计.

酶过程的监管接受度正在提高。 许多机构现在接受来自生物催化途径的数据,而不需要在最终杂质特征与注册过程相符的情况下进行全面重新测试。 ICH Q11药物物质开发和制造指南明确提到生物催化是一种可接受的技术。 美国食品药品管理局发布了若干指导文件,鼓励使用连续制造和生物催化方法来通过设计提高质量。

与持续制造业的融合

酶反应与连续流加工相结合是一个主要的生长领域. 持续的生物转化提供了更好的热量和质转移,减少反应堆体积,以及更快的工艺开发. 几家公司正在构建端到端连续制造线,将多个酶步骤与线内净化结合起来,这种结合可以将总周期从几周缩短到几天.

可持续性计量和生命循环分析

为了量化效益,生命周期评估(LCA)越来越多地应用于将酶途径与传统方法进行比较。 例如,最近对通用API的脂酶催化途径进行的LCA显示,全球变暖潜能值比化学途径下降了60%,水消耗量下降了70%。 这些衡量标准有助于证明生物催化投资是合理的,并支持生态标签或绿色化学奖的监管备案。

酶催化剂在API生产中的前景是充满希望的,持续的创新有望使绿色制造成为制药业的标准。 随着计算设计工具的成熟和高通量实验的降低,酶的开发时间表逐年逐月萎缩。 生物催化、流化学和过程分析的趋同将推动下一波药物可持续性 — — 最终以较低的环境成本提供更安全的药物。

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