Síntesis de Vindolina

La síntesis de vindolina es un área de investigación química desafiante y significativa, que recibe atención continua por sus métodos y técnicas. A través de experimentos y exploraciones continuas, los científicos han ido revelando gradualmente las vías sintéticas de la vindolina, proporcionando referencias y orientaciones cruciales para su producción industrial y desarrollo farmacéutico.

Introducción a la Síntesis de Vindolina:

La vincamina y la vincristina son miembros ampliamente reconocidos de la familia de los alcaloides indólicos, utilizados principalmente como fármacos anticancerígenos. Hasta la fecha, se extraen principalmente de Catharanthus roseus, ya que esta planta es su única fuente natural. Sin embargo, debido a sus bajas concentraciones en la planta (en el rango de partes por cien mil a un millón), la síntesis química es económicamente inviable, lo que conduce a altos precios en el mercado. A pesar de sus efectos secundarios neurotóxicos dependientes de la dosis, que limitan sus aplicaciones, los esfuerzos de los químicos medicinales para sintetizarlos químicamente o modificar sus estructuras para obtener análogos más eficientes y menos tóxicos persisten. Los biólogos también han explorado métodos de cultivo de tejidos vegetales para su producción.

Desde la década de 1960, la investigación sobre la producción de alcaloides indólicos a través del cultivo de tejidos de Catharanthus roseus ha estado en curso. Si bien los estudios a fines de la década de 1970 se centraron en utilizar este método para producir estos alcaloides, hasta ahora, solo se pueden producir ajmalicina, serpentina y cataranthina, y la producción industrial sigue sin realizarse. Dado que la vindolina es un precursor importante en la semi-síntesis de vincamina o vincristina, su producción a gran escala a través del cultivo de células vegetales puede permitir la semi-síntesis. Así, una vez que se produzcan grandes cantidades de dos materias primas, cataranthina y vindolina, a través del cultivo de células vegetales, se puede semi-sintetizar la vincamina. La estructura de la vindolina se muestra en la figura a continuación.

Métodos de Síntesis de Vindolina:

La vindolina puede ser sintetizada a través de dos métodos principales:

Síntesis Química:

(1) Reacciones de Ciclación: Estas reacciones forman nuevos anillos al conectar dos moléculas. La síntesis de Boger es un ejemplo notable, que emplea una cascada de ciclación [4+2]/[3+2] para generar simultáneamente tres anillos en la estructura central de la vindolina.

(2) Reacciones Estereoselectivas: La vindolina tiene múltiples estereocentros (átomos con disposiciones espaciales específicas). Los químicos utilizan diversas técnicas durante la síntesis para asegurar la disposición tridimensional correcta de estos centros. Se emplean estrategias como la catálisis enantioselectiva y materiales iniciales quirales para este propósito.

(3) Manipulación de Grupos Funcionales: A lo largo del proceso de síntesis, los químicos introducen varios grupos funcionales (por ejemplo, carbonilo, éter) y los manipulan estratégicamente a través de reacciones de reducción, eliminación, protección/desprotección para obtener la estructura final de la vindolina.

Biosíntesis:

(1) Ingeniería Metabólica: Los científicos introducen genes de la vía biosintética de la vindolina de Catharanthus roseus (vinca de Madagascar) en levaduras. Esto otorga a las levaduras la capacidad enzimática para convertir precursores más simples como la tabersonina en vindolina.

Comparado con la compleja síntesis química, la biosíntesis ofrece un método potencialmente más sostenible y escalable para la producción de vindolina.

Síntesis Enzimática de Vindolina:

Explicación de la Vía Enzimática de Síntesis de Vindolina:

La biosíntesis de la vindolina es un proceso natural complejo descubierto en Catharanthus roseus. Involucra múltiples pasos catalizados por enzimas que comienzan desde el intermediario terpenoide strictosidina. Las enzimas clave incluyen:

- Geraniol Sintasa (GES)

- Geraniol 8-Hidroxilasa

- 8-Hidroxigeraniol Oxidoreductasa (GOR)

- Secologanina Sintasa

- Tabersonina 3-Hidroxilasa

- Tabersonina 3-Reductasa

- 3-Hidroxi-16-metoxi-2,3-dihidrotabersonina-N-metiltransferasa (NMT)

- Desacetoxivindolina-4-Hidroxilasa (D4H)

- Deacetilvindolina-4-O-Acetiltransferasa (DAT)

Estas enzimas trabajan juntas para convertir la secologanina en vindolina a través de una serie de reacciones de hidroxilación, oxidación, ciclización, metilación y acetilación.

Biocatalizadores y Su Papel en Este Proceso:

En este contexto, los biocatalizadores se refieren a las enzimas mencionadas anteriormente. Cada enzima, actuando como un catalizador, es una proteína específica que acelera reacciones químicas específicas sin ser consumida. Desempeñan roles cruciales en la síntesis de vindolina:

(1) Selectividad: Las enzimas son altamente selectivas, lo que significa que solo actúan sobre sustratos específicos y promueven las reacciones deseadas, minimizando reacciones secundarias innecesarias y permitiendo una formación eficiente de vindolina. En comparación con la síntesis química tradicional, las enzimas trabajan bajo condiciones suaves (temperatura, presión, pH), reduciendo el consumo de energía y haciendo el proceso más respetuoso con el medio ambiente.

(2) Estereocontrol: Muchas enzimas pueden controlar la estereoisomería de las moléculas producto. La vindolina posee una estructura 3D específica con múltiples centros quirales. Las enzimas garantizan la correcta disposición de estos centros, crucial para la actividad biológica del producto final.

Ejemplos Específicos de Síntesis:

Método Uno:

Danieli et al. desarrollaron un método para convertir la tabersonina abundante en 11-metoxitabersonina, y luego en vindolina. Debido a las sustituciones electrofílicas ineficaces y limpias de la tabersonina y la 2,16-dihidroxitabersonina, se seleccionó la N-acetil-2,16-dihidroxitabersonina como sustrato. La reacción de nitración produjo el derivado 10-nitro en alto rendimiento, que luego fue convertido en 11-metoxi-2,16-dihidroxitabersonina (379) a través de un proceso estándar. Al intentar deshidrogenar el producto 380 con selenio bencílico, se introdujo inesperadamente el deseado grupo β-hidroxi en C-17. El producto 380 fue luego transformado en vindolina a través del método de síntesis de Catharanthine previamente descrito.

Método Dos

Cultivo de Células de Catharanthus roseus

(1) Adquisición de Calus de Catharanthus roseus

Los tallos jóvenes de Catharanthus roseus se utilizaron como explantes, esterilizados en superficie en etanol al 70% durante 30-50 segundos, luego sometidos a esterilización secundaria en una solución de hipoclorito de sodio al 5-15% durante 10-20 minutos. Después de enjuagar tres veces con agua estéril, los tallos se cortaron en segmentos de 2 milímetros en una campana de flujo laminar. Estos segmentos fueron inoculados en medio de cultivo de desdiferenciación y cultivados a aproximadamente 25°C bajo una intensidad de luz de 2000 lx durante 12-16 horas al día durante 3-4 semanas para obtener tejido de calus blanco. El tejido de calus se subcultivó en el medio mencionado durante más de tres pasajes, seleccionando líneas celulares de rápido crecimiento, textura suave y estables.

(2) Preparación del Medio de Cultivo de Desdiferenciación

Se añadieron ácido indol-3-acético (IAA) a 1.0 mg/L y citoquinina 6-bencilaminopurina (6-BA) a 1.0 mg/L al medio Murashige y Skoog (MS) suplementado con 20 g/L de sacarosa. El pH se ajustó a 5.8 con ácido o álcali, seguido de la adición de 6.5 g/L de agar. El medio se esterilizó en autoclave a 115°C bajo 0.1 MPa de presión durante 15 minutos y luego se enfrió para preparar medio de cultivo de desdiferenciación inclinado.

(3) Subcultivo de Calus de Catharanthus roseus

Las líneas celulares de calus inducidas se subcultivaron más de tres veces en el medio de subcultivo mencionado. Las condiciones de subcultivo fueron 20°C, evitando la luz, y un periodo de subcultivo de 3 semanas. Durante el subcultivo, se seleccionaron tejidos de calus de estructura suelta y de rápido crecimiento para un subcultivo posterior.

(4) Inducción de Células Poliploides de Catharanthus roseus

El tejido de calus de Catharanthus roseus obtenido de los pasos anteriores fue inoculado en medio de cultivo de inducción que contenía 10 mg/L de colchicina. El cultivo inducido se agitó a 100 rpm a 20°C en la oscuridad durante 7 días. Luego, las células se recolectaron y se subcultivaron en medio de subcultivo libre de colchicina durante al menos tres pasajes. Las líneas celulares de rápido crecimiento resultantes (con tasas de crecimiento que superan 5 veces el inóculo inicial por periodo de cultivo) se identificaron como líneas celulares poliploides mixtas mediante examen microscópico después de tinción con aceto-orceína o plata.

(5) Cultivo de Expansión de Células Poliploides de Catharanthus roseus

Las líneas celulares poliploides de crecimiento vigoroso obtenidas del paso anterior fueron inoculadas en medio de cultivo de expansión. Después de cultivar a 25°C en la oscuridad durante 3 semanas, se obtuvieron cultivos celulares con más de 10 veces el inóculo inicial.

Síntesis de Vindolina

Las líneas celulares poliploides de Catharanthus roseus de crecimiento vigoroso se inocularon en medio de síntesis a una concentración de 200 g/L. Las cultivos en suspensión se agitaron a 90 rpm a 25°C en la oscuridad o en un biorreactor a gran escala durante 7 días para obtener células ricas en Vindolina. Después de cosechar las células, se pudo ajustar el medio de cultivo y reutilizarlo en el biorreactor.

Preparación del Medio de Síntesis: Se añadieron sacarosa a 30 g/L, ácido indol-3-acético (IAA) a 1 mg/L y kinetina (KT) a 1 mg/L al medio MS modificado. El pH se ajustó a 5.8 con ácido o álcali, seguido de la adición de 4.5 g/L de agar. El medio se esterilizó en autoclave a 115°C bajo 0.1 MPa de presión durante 15 minutos y luego se enfrió. Después de enfriar, se añadieron compuestos precursores filtrados y esterilizados (acetil coenzima A a 10 μg/L, fenilalanina a 0.5 μmol/L, triptamina a 5 μmol/L, anhídrido acético a 10 μl/L y ditiotreitol a 10 mg/L), y se ajustó el pH a 5.8 con ácido o álcali estéril para preparar el medio de síntesis.

Extracción de Vindolina

Las células enriquecidas con Vindolina sintetizadas durante el cultivo se someten a extracción colocándolas en un tanque de extracción, seguido de una agitación a alta velocidad (300 rpm) para romper las células. Se añade una solución de etanol al 95%, con un volumen de 1 ml/g de peso de células frescas, para la extracción a temperatura ambiente. El extracto crudo se obtiene por concentración al vacío (0.01 MP), seguido de la adición de dos veces el volumen de acetato de etilo. Después de ajustar el pH a 8.0 con ácido sulfúrico y agitar rápidamente, los alcaloides se extraen tres veces. La mezcla que contiene Vindolina se obtiene tras el secado al vacío. Se emplea cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para determinar el contenido de Vindolina en esta mezcla, revelando una concentración de 1 mg/g de peso seco de células.

Usos de la Vindolina

(1) Descripción general de las diversas aplicaciones de la síntesis de Vindolina

La aplicación principal de la Vindolina sintetizada radica en su papel como precursor de importantes fármacos anticancerígenos, vincristina y vinblastina. La baja abundancia natural de estos alcaloides en plantas de Catharanthus roseus, junto con la dificultad en su síntesis química, hace que la Vindolina sintetizada sea una alternativa valiosa para la producción a gran escala de estos medicamentos que salvan vidas.

(2) Aplicaciones potenciales en farmacéutica y otras industrias

Más allá de su papel establecido como precursor, se están llevando a cabo investigaciones para explorar aplicaciones potenciales de la Vindolina sintetizada:

Propiedades antidiabéticas: Los estudios sugieren que la Vindolina puede poseer propiedades antidiabéticas, aunque se necesita más investigación para confirmar su efectividad como enfoque terapéutico.

Desarrollo de fármacos: La estructura química única de la Vindolina sintetizada tiene potencial para desarrollar nuevos medicamentos con diversas aplicaciones terapéuticas. Al modificar la molécula de Vindolina, los científicos pueden crear medicamentos dirigidos a diversas enfermedades.

Conclusión

En conclusión, la síntesis de Vindolina representa un campo de investigación desafiante y prospectivo. La continua mejora y optimización de los métodos de síntesis proporcionará un apoyo técnico crucial y orientación para el desarrollo y la producción de medicamentos. Se espera que este artículo inspire interés y exploración en el campo de la síntesis de Vindolina.

Referencias:

[1] https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/260535

[2] https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/vindoline

[3] https://www.nature.com/articles/s42003-021-02617-w

[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2531198/

[5] Universidad de Tsinghua. Un método para producir Vindolina. 2008-12-31.