Zusammenfassung - TU Darmstadt Chemie

Oseltamivir
Technische Universität Darmstadt
1.Einleitung
Der Wirkstoff Oseltamivir ist ein Neuraminidasehemmer der
Firma Roche und wird zur Behandlung von Infektionen mit
Influenzaviren des Typs
A und B eingesetzt.
Der
Markenname des Medikamentes ist Tamiflu. Es ist als Kapsel
sowie Pulver in der Apotheke erhältlich.
Das Mittel kann unterschiedlich eingesetzt werden. Zum einen
dient es zur akuten Behandlung von infizierten Patienten.
Dabei werden zwei Mal täglich bis zu 75mg über 5 Tage
eingenommen. Die Therapie sollte so früh wie möglich
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beginnen, um den gewünschten Erfolg zu gewährleisten. Des
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Weiteren kann Oseltamivir auch zur Vorsorge verabreicht
werden, beispielsweise bei der Infektion eines Familienmitgliedes. Zur präventiven
Behandlung sollte eine Tablette täglich über einen Zeitraum von mindestens 10 Tagen
eingenommen werden. Oseltamivir sollte im Fall einer Epidemie maximal 6 Wochen lang
verabreicht werden.
2.Geschichte
Die Entwicklung eines Wirkstoffes, der im Falle einer Grippeerkrankung verabreicht werden
kann, erwies sich lange Zeit als schier unlösbare Aufgabe, da Grippeviren einer ständigen
Gestaltänderung unterworfen sind. Neben der Impfung, die jedes Jahr wiederholt werden
muss, standen lediglich die beiden Präparate Amantadin und Rimantadin zur Verfügung,
deren Verabreichung jedoch mit zahlreichen Nebenwirkungen und rascher Resistenzbildung
verbunden ist. Die Entwicklung eines Wirkstoffes, der die nachhaltige und gezielte
Bekämpfung der Influenzaviren ermöglicht, wurde erst denkbar, als im Jahre 1983 die
dreidimensionale Struktur des Virusenzyms Neuraminidase aufgeklärt wurde. Denn obschon
auch dieses Molekül ständigen Veränderungen unterworfen ist, besitzt es
eine Region, die nur geringfügige Abänderungen erlaubt. Tatsächlich stellt
diese Region das aktive Zentrum der Neuraminidase dar und ermöglicht
mithin das Auflösen der Sialinsäure und folglich das Ablösen der
Viruspartikel von der Wirtszelloberfläche. Im Oktober 1992 wurde auf
dem Infektiologiekongress ICAAC ein Wirkstoff vorgestellt, der an der
Monash Universität in Australien entdeckt wurde und die Ausbreitung von
Influenzaviren in Mäusen verhinderte, indem er eben diese Region
blockierte. Von der Wirksamkeit und der Wirkweise dieses Stoffes
inspiriert, rief der Verantwortliche für Entwicklung und Forschung der Norbert Bischofberger
Biotechnologiefirma Gilead aus Foster City bei San Francisco, Norbert
Bischofberger, noch im selben Jahr ein Projekt ins Leben, in dessen Mittelpunkt die
Entwicklung eines Stoffes stand, der auf ähnliche Weise wirken und zugleich eine orale
Verabreichung
ermöglichen
sollte.
Zu
diesem
Zwecke
wurden
zunächst
Simulationsspezialisten mit der Aufgabe betraut, am Computer virtuelle Verbindungen zu
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entwickeln, die das aktive Zentrum der Neuraminidase in geeigneter Weise zu blockieren
vermögen. Aussichtsreiche Kandidaten wurden daraufhin im Labor synthetisiert und an
Versuchstieren getestet. 1995 wurde schließlich eine Verbindung gefunden, die alle
Bedingungen zu erfüllen schien. Allerdings konnte diese Verbindung aufgrund ihrer
negativen Ladung nicht aus dem Magen-Darm-Trakt ins Blut gelangen, weshalb eine orale
Verabreichung ausgeschlossen war. Den Chemikern gelang jedoch die Maskierung der
verantwortlichen Carboxylgruppe, indem sie dieselbe in einen Ester überführten. Diese
Esterfunktion wird im Blut von hepatischen Esterasen gespalten, wodurch der Wirkstoff
wieder freigesetzt wird.
Nachdem die Wirksamkeit dieser Verbindung bei Versuchstieren nachgewiesen werden
konnte, sollte die Wirksamkeit am Menschen getestet werden. Da Gilead die mit der
klinischen Testphase verbundenen Kosten nicht allein zu tragen vermochte, wurden im Januar
1996 Verhandlungen mit einigen großen Pharmaunternehmen aufgenommen. Im September
desselben Jahres konnte schließlich das pharmazeutische Großunternehmen Roche vertraglich
gebunden werden. Roche finanzierte von nun an die weiteren Test- und Entwicklungsphasen
und erhielt im Gegenzug die Lizenzrechte für den entwickelten Neuraminidasehemmer.
Während die klinischen Testphasen durchgeführt wurden, wurde fieberhaft an einer neuen
Synthesestrategie gearbeitet, da mit Hilfe der ursprünglichen Synthesemethode nur geringe
Wirkstoffmengen hergestellt werden konnten. Die Chemiker ersannen schließlich eine
elfstufige und von Shikimisäure ausgehende Synthese. Bereits im Juni 1998 konnte die
klinische Testphase erfolgreich abgeschlossen werden. Der Wirkstoff zeigte keine
nennenswerten Nebenwirkungen und erfüllte die an einen antiviralen Wirkstoff gestellten
Bedingungen. Im September 1999 erhielt der auf Oseltamivir getaufte Wirkstoff die
Zulassung in der Schweiz und einen Monat später in den USA.
Tamiflu ist mittlerweile eines der Umsatzstärksten Medikamente, die von der Firma Roche
vertrieben werden. So betrug der Umsatz von Tamiflu Ende 2009 3,2 Mrd. Schweizer
Franken.
3.Wirkungsweise
Die Infektion durch Influenzaviren
erfolgt durch Aufnahme in den
Körper über die Schleimhäute des
Atmungstraktes und der Augen.
Durch Tröpfcheninfektion oder
Kontakt
mit
kontaminierten
Oberflächen gelangt das Virus auf
Epithel- und Endothelzellen. Dort
binden die Viren mit Hilfe des
viralen Hämagglutinins an die
Sialinsäuren
auf
der
Wirtszelloberfläche.
In der
Wirtszelle wird die RNA des Virus
freigesetzt und im Wirts-Zellkern vervielfältigt. Die neu gebildeten Virusteile werden zur
Zellmembran transportiert und zusammengesetzt. Anschließend verlassen die Viruspartikel
durch Ausknospung die Zelle. Sie bleiben aber mit der Zelloberfläche verbunden, da die
Hämagglutinin-Proteine die Sialinsäuren binden, die sich auf der Wirtszelloberfläche
befinden. Das endgültige Ablösen von der Wirtszelle bewirkt das Virusenzym
Neuraminidase. Dieses Enzym befindet sich in der Virusmembran und baut Sialinsäuren auf
der viralen und zellulären Oberflächen ab. Oseltamivir bindet als Substratanalogon mit
erhöhter Affinität im aktiven Zentrum der Neuraminidase und verhindert auf diese Weise die
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Umsetzung des natürlichen Substrates, wodurch die Ablösung der Viruspartikel von der
Wirtszelloberfläche verhindert wird.
Oseltamivir war das erste oral einzunehmende Medikament gegen Virusinfektionen. Studien
haben erwiesen, dass Tamiflu die Erkrankungsdauer im Schnitt um einen Tag von 5,2 auf 4,2
Tage verkürzt. Des Weiteren schwächt es die Erkrankungsbeschwerden von Influenza ab.
Laut Angaben des Herstellers verhindert Oseltamivir schwere Folgeerkrankungen, wie
beispielsweise eine Lungenentzündung. Dadurch wird die Sterblichkeitsrate bei einer
Infektion ebenfalls minimiert. Das Medikament kann auch von risikogefährdeten Menschen
wie HIV- Infizierten aber auch von Kindern ab einem Jahr sowie älteren Personen unter
ärztlicher Aufsicht eingenommen werden.
4.Die Synthese von Oseltamivir
Wie bereits beschrieben, bemühten sich die Chemiker der Biotechnologiefirma Gilead
während der Durchführung der klinischen Testphase um die Entwicklung eines
Syntheseweges, der den Ansprüchen einer großtechnischen Produktion von Oseltamivir
genügen sollte. Diese Entwicklung war mit der Suche nach einer Ausgangssubstanz
verbunden, die in ausreichender Menge erhältlich sein musste. Die anfänglich verwendete
Chinasäure konnte dieser Voraussetzung nicht gerecht werden. Eine von Shikimisäure
ausgehende, elfstufige Synthese sollte sich schließlich als geeignet erweisen. Die
Bereitstellung der Shikimisäure erfolgte zunächst durch Extraktion aus chinesischem
Sternanis (Illicum verum). Etwas später gelang auch die Herstellung der Shikimisäure mit
Hilfe genetisch modifizierten E-coli-Bakterien durch Fermentation von Glucose.
Erst nachdem das Ausgangsmaterial so in ausreichend großer Menge zur Verfügung gestellt
werden konnte, war eine technische Herstellung von Oseltamivirphosphat (1) praktisch
umsetzbar geworden.
Industriell eingesetztes Verfahren zur Synthese von Oseltamivir
Shikimisäure (7) wird in einer vierstufigen Sequenz aus Veresterung, regioselektiver
Ketalisierung am cis-ständigen Diol, Mesylierung der verbleibenden OH-Gruppe und
Transacetalisierung mit 3 Pentanon in das entsprechende Ketal (6) überführt.
Aus dem Ketal (6) wird durch reduktive Ringöffnung und nachfolgender intramolekularer
Substitution das Epoxid (5) gewonnen.
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An dem Epoxid (5) erfolgt nun die Einführung der Aminogruppen:
Durch Ringöffnung mit Natriumazid entsteht der Azidoalkohol (4) aus welchem durch
reduktive Cyclisierung mit PPh3 das Aziridin (3) entsteht.
Eine regioselektive Ringöffnung mit Azid mit anschließender N-Acetylierung ergibt aus dem
Aziridin (3) das Aminoazid (2), aus welchem durch Staudinger-Reduktion und Neutralisation
mit H3PO4 das Zielmolekül Oseltamivirphosphat (1) entsteht.
Die Gesamtausbeute dieses Synthesewegs von Oseltamivirphosphat aus Shikimisäure beträgt
etwa 35% über 11 Stufen.
Alternative Synthesewege
Der oben aufgezeigte Syntheseweg für Oseltamivirphosphat ist zwar wegen seiner Ausbeute
lukrativ umsetzbar, birgt jedoch durch die Verwendung der hochexplosiven Azide ein relativ
hohes Gefahrenrisiko.
Angetrieben durch das Ziel einer azidfreien Herstellung von Oseltamivirphosphat wurden
zwei einander ähnliche Verfahrenswege entwickelt:
Beide Strategien bedienen sich der regioselektiven Ringöffnung des Epoxids (5) mit
geeigneten Aminen.
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Bei Syntheseweg A (nach Karpf) wird aus dem Aminoalkohol (9a) zunächst das Diamin (10)
erzeugt und aus diesem anschließend durch N-Acetylierung und palladiumkatalysierte
Desalkylierung das Zielmolekül Oseltamivirphosphat (1)
Im Gegensatz dazu wird bei Syntheseweg B der Aminoalkohol (9b) über das N-tertButylaziridin (11) in das Trans-Diamin (12) überführt. Anschließende N-Acetylierung und
Entfernung der Schutzgruppen ergibt Oseltamivirphosphat (1)
Angesichts des ständig schwankenden Preises, für welchen Shikimisäure auf dem Weltmarkt
erhältlich ist, befassten sich nach der Markteinführung von Oseltamivir zahlreiche Chemiker
mit der Entwicklung weiterer Synthesewege.
Im Folgenden möchten wir einen Syntheseweg verständlich erläutern, der an der Universität
von Tokio entwickelt wurde. Für die unter Tohru Fukuyama erforschte Synthese wird Pyridin
als Ausgangssubstanz benötigt. Dieser aromatische Heterozyklus ist eine in großen Mengen
erhältliche Substanz, die in der chemischen Industrie vielseitig genutzt wird.
-5-
Die Synthese nach Fukuyama
Im ersten Schritt wird Pyridin durch Reduktion mit Natriumborhydrid in Dihydropyridin
überführt. Das sekundäre Stickstoffatom wird überdies durch die Verknüpfung mit einem
Benzyloxycarbonyl-Rest (Cbz) geschützt.
Anschließend wird eine unsymmetrische Diels-Alder-Reaktion mit Acrolein unter Verwendung eines MacMillanschen Katalysators durchgeführt.
Der auf diese Weise erzeugte Aldehyd kann daraufhin einer Oxidation unterzogen werden,
wodurch die entsprechende Carbonsäure entsteht. Durch basische Aufarbeitung wird dieselbe
deprotoniert und dadurch aktiviert.
Die Doppelbindung des Doppelringsystems kann nun bromiert werden. Wenn die Bromierung
von der Oberseite erfolgt, kann durch eine intramolekulare S N2-Reaktion ein Lactonring
gebildet werden. Dabei verdrängt die deprotonierte Carboxylgruppe durch einen
Rückseitenangriff das Bromoniumion.
Im Folgeschritt wird die Benzyloxycarbonyl-Schutzgruppe durch Hydrogenolyse an Pd-C
entfernt und durch eine tert-Butyloxycarbonyl-Schutzgruppe (Boc) ersetzt.
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Durch den Einsatz von NaIO4 und katalytischen Mengen von RuO2·nH2O kann das dem
Stickstoffatom benachbarte sekundäre Kohlenstoffatom oxidiert werden. Dadurch wird die
Verbindung in ein Imid überführt, welches später gespalten werden kann.
Zunächst wird jedoch der Lactonring vermittels Ammoniak gespalten. Die dadurch
entstehende Hydroxylgruppe wird anschließend mit MsCl in die gute Abgangsgruppe Mesylat
überführt. Diese Abgangsgruppe wird für einen späteren Reaktionsschritt benötigt.
Das entstandene Amid könnte nun mittels Hofmann-Abbau in die im Zielmolekül enthaltene
Aminogruppe überführt werden. Das durch den Hofmann-Abbau entstehende Alkylisocyanat
wird jedoch nicht mit Wasser, sondern mit Allylalkohol umgesetzt. Auf diesem Weg wird die
Aminogruppe mit der Allyloxycarbonyl-Schutzgruppe (Alloc) maskiert.
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Die folgende Reaktionssequenz wird durch Umsetzung der erhaltenen Verbindung mit
Natriumethanolat eingeleitet. Zunächst wird der Lactamring durch den nukleophilen Angriff
des Ethanolats auf das Carbonylkohlenstoffatom gespalten. Nach der Ringöffnung erfolgt eine
β-Eliminierung, wobei formell HBr die Verbindung verlässt. Des Weiteren erfolgt eine
intramolekulare SN2-Reaktion unter Ausbildung eines Aziridinringes.
Der Aziridinring kann in einer SN2-Reaktion mit 3-Pentanol in Anwesenheit einer LewisSäure geöffnet werden. Dadurch wird der in der Zielverbindung enthaltene 3-Pentylether
erzeugt.
In den letzten beiden Syntheseschritten werden die Schutzgruppen entfernt. Dabei wird der
tert-Butyloxycarbonyl-Rest durch einen Acetyl-Rest ersetzt.
Damit liegt die Zielverbindung Oseltamivir-Phosphat vor und die Synthese ist abgeschlossen.
5.Öffentliche Diskussion
Aus Angst vor einer Vogel- sowie Schweinegrippepandemie haben inzwischen 75 Länder
einen Liefervertrag mit Roche ausgehandelt und lagern Oseltamivir Millionenfach ein. Gerade
deshalb ist es wichtig, die Nebenwirkung und Wirksamkeit des Produktes zu kennen. Häufig
kommt es bei der Einnahme von Oseltamivir zu Nebenwirkungen wie Übelkeit, Erbrechen,
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Durchfall und Kopfschmerzen. Im Jahr 2005 meldeten in Japan Mediziner nach jahrelangem
Verschreiben von Tamiflu, dass es bei drei Prozent der Jugendlichen zu
Verhaltensänderungen wie Halluzinationen, Krämpfe oder Delirium komme. Jedoch sind
diese Beobachtungen nur in Japan aufgetreten. Der Sprecher von Roche erklärte, dass
„weltweit knapp 60 Millionen Infizierte mit Tamiflu behandelt wurden und kein kausaler
Zusammenhang zwischen der Einnahme des Wirkstoffs und auffälligen psychiatrischen
Verhaltensstörungen festgestellt wurde“, sondern dass diese Verhaltensstörungen auf
Begleiterscheinungen der Virusinfektion zurückzuführen sind. Dennoch wird auf der Packung
des Medikamentes in einigen Ländern davor gewarnt. In diesem Zusammenhang wurden
kritische Stimmen in den Medien immer häufiger. Pharma-Experten warnten in renommierten
Fachblättern wie „The Lancet“ vor nicht ausreichend erforschten Nebenwirkungen. Ärzte
befürchten, dass durch das neue Medikament immer weniger Menschen eine Impfung gegen
Influenza in Betracht zögen, wodurch das Risiko einer Pandemie steige. Besorgniserregend ist
die Tatsache, dass die Meta-Analyse von Oseltamivir, welche 10 Studien umfasst, von Roche
selbst bzw. bezahlten Gutachtern durchgeführt wurde. Im „British Medical Journal“ wird die
positive Darstellung der Wirkung stark kritisiert. Es bestehen ernste Zweifel an der
Wirksamkeit von Tamiflu in Hinsicht auf schwere Folgeerkrankungen, da entsprechende
Studien fehlen sowie einige Hintergrunddaten nicht nachvollziehbar sind. Des Weiteren
besteht die Gefahr der Resistenzbildung gegen Tamiflu. Das Medikament wurde in der
vergangenen Zeit zahlreich eingesetzt. In England bekamen beispielsweise bei Erkrankung
eines Kindes alle Kinder der Schulklasse vorsorglich Tamiflu verabreich. Durch eine zu
häufige Anwendung wächst die Gefahr einer Bildung von Resistenten Stämmen. Im Jahr 2008
waren bereits 25% der Influenzastämme resistent gegen Neuraminidaseinhibitoren. Der im
Winter 2008/09 zirkulierende Stamm war jedoch sensibel.
6. Quellen
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Beipackzettel Tamiflu
www.spiegel.de/wissenschaft/medizin/0,1518,655453,00.html 25.04.2010 17:18 [3]
www.nzzfolio.ch/www/d80bd71b-b264-4db4-afd0277884b93470/showarticle/81bb3c96-9216-4eb5-b602-7e0937369c79.aspx
27.04.2010 18:01
www.blick.ch/news/wirtschaft/tamiflu-dieser-oesterreicher-sahnt-damit-ab117878 22.05.2010 16:47
www.roche.at/portal/eipf/austria/ap/roche.at/influenza 20.05.2010 16:07
Factsheet Tamiflu von Roche vom 17.11.2006
www.gdch.de/taetigkeiten/nch/inhalt/jg2006/tamiflu.pdf 22.05.2010 17:12
Nobuhiro Satoh, Takahiro Akiba, Satoshi Yokoshima, and Tohru Fukuyama, Angew.
Chem. Int. Ed. 2007, 46, 5734 –5736
Nobuhiro Satoh, Takahiro Akiba, Satoshi Yokoshima, and Tohru Fukuyama ,
Tetrahedron 65 (2009) 3239–3245
www.spiegel.de/wissenschaft/medizin/01518,666078,00.html 25.04.2010 17:18
http://www.zeit.de/2006/49/Schleichwerbung
http://www.ema.europa.eu/
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http://www.dr-bernhard-peter.de/Apotheke/Influenza/oseltamivir.htm
Bilder
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http://www.brainpower-austria.at/incontent/medien/ma_1/AST09
_Bischofberger_1(1).jpg
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[3]
http://www.pharmawiki.ch/wiki/media/Grippe_Replikation_1.gif
www.wizard.webquests.ch/pics/upload/148/tamiflu.jpg
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