Lipoxine und verwandte Eicosanoide: Biosynthese, biologische Eigenschaften und chemische Synthese

Lipoxine und verwandte Eicosanoide : Biosynthese, biologische Eigenschaften und chemische Synthese

Von K. C. Nicolaou", John Y. Ramphal, Nicos A. Petasis und Charles N. Serhan *

Unter den vielen auf Arachidonsaure wirkenden Enzymen im menschlichen Gewebe gibt es drei Lipoxygenase(L0)-Haupttypen, die an den Positionen 5 , 12 und 15 angreifen. Die 5-LO ist ein Schliisselenzym und spielt eine zentrale Rolle in der Biosynthese der Leukotriene, die aus Arachidonsaure entstehen und starke Mediatoren bei Allergien und Entzundungen sind. Auf- grund der Bedeutung dieser 5-LO-Produkte fur die Humanpathophysiologie wurde begonnen, sowohl die Bedeutung der Lipoxygenierung an C-1 5 der Arachidonsaure zu studieren als auch die Hauptmetabolismen der LO auf Wechselwirkungen zu untersuchen. Diese Arbeiten fuhrten zur Identifizierung der Lipoxine, einer neuen Reihe biologisch aktiver Eicosanoide mit Tetraenpartialstruktur. Dieser Beitrag faRt die Isolierung und Biosynthese der Lipoxine sowie die chemische Synthese dieser und verwandter Verbindungen, die auf einem neuen, allgemeinen Verfahren unter Palladiumkatalyse beruht, zusammen und gibt einen Uberblick iiber neuere Ergebnisse hinsichtlich deren Bildung und biologischen Wirkungen. Der vorgestellte Syntheseansatz machte mehrere Typen acyclischer Eicosanoide in ihren natiirlich vorkommenden Formen zuganglich, so daR Vergleiche mit natiirlich erhaltenem Material und detaillierte Studien iiber die hiologischen Wirkungen dieser Biomolekiile moglich wurden. Ferner wurden Struktur-Wirkungs-Beziehungen aus der Verkniipfung von chemischer Synthese mit biologischen Untersuchungen hergeleitet.

1. Einleitung mehrerer Klassen biologisch aktiver Produkte, die aus zwan- zig C-Atomen bestehen und daher Eicosanoide genannt werden (Schema 1). Diese Metaboliten stehen schon lange im Brennpunkt biomedizinischer Forschungen, da sie an der

Die Oxygenierung der Arachidonsaure (AA) durch ein breites Spektrum menschlicher Zelltypen fiihrt zur Bildung

- OH 6OH HO

Arachidonsaure lAA1 Prostaglandinendoperoxid (PGG,) Prostaglandin FPa (PGF,,)

\ \ 5-Lipoxygenase

OH OH ,COOH COOH \ . cm"

/ i OH

5-HpETE

I / Leukotrien B4 (LTB,) Thromboxan A2 (TXA2) 1

- Leukotrien A4 (LTA4) Leukotriene C4, D4, E4, F4 Prostacyclin (PGI,)

Schema 1. Umwandlung von Arachidonsiure (AA) in verschiedene Eicosanoide

[*] Prof. K. C. Nicolaou, J. Y. Ramphal Department of Chemistry, Research Institute of Scripps Clinic La Jolla, CA 92037 (USA)

Regulierung entziindlicher Reaktionen, dern Tonus glatter Muskulatur, hamodynamischen Vorgangen, Allergien und Asthma ebenso wie an vielen anderen wichtigen physiologi- schen und pathophysiologischen Phanomenen beteiligt sind.

Die in den sechziger und siebziger Jahren von S. Berg-

und Department of Chemistry, University of California. San Diego La Jolla, CA 92093 (USA) Prof. N. A. Petasis Department of Chemistry, University of Southern California Los Angeles. CA 90089 (USA) Prof. C. N. Serhan Hematology Divisiiin, Department of Medicine Brigham and Womcn's Hospital und Harvard Medical School Boston, MA 021 15 (USA)

strorn[ ' l und B. Sarnuelsson[21 gewonnenen Erkenntnisse iiber Struktur und Funktion der Prostaglandine (PG), Thromboxane (TX) und Prostaglandinendoperoxide (PGH, , PGG,) fiihrten zu ausgedehnten Untersuchungen auf dem Gebiet der Eicosanoide. Zu den wichtigsten Ergeb- nissen dieser Arbeiten gehort die Entdeckung von Prostacy-

Angew. Chem 103 (1971) 1119- 1136 0 VCH Verlagsgesellschaff mbH, W-6940 Weinheim, 1991 0044-8249/91/0909-l119 8 3.50+ ,2510 1119

clin (PGI,) (lurch J. Vanec3], der auch erkannte, daR Cyclo- oxygenase (PG-Endoperoxid-Synthetase), das zentrale En- zym der Biosynthese von PG und TX, durch Aspirin und andere entziindungshemmende Medikamente inhibiert wird, so daR auf einen Wirkungsmechanismus dieser Molekiile geschlossen werden kann. Weitere Untersuchungen durch die Gruppe um S a m u e l ~ s o n ~ ~ ~ iiber den Metabolismus von AA in Leukocyten fiihrten zu zwei weiteren, gegeniiber Aspi- rin unempfindlichen Hauptstoffwechselwegen. An diesen sind Lipoxygenasen (LO) beteiligt, von denen eine die Oxy-

genierung am Kohlenstoffatom 5 (C-5) der AA (5-L0), die andere an C-15 (1 5-LO) einleitet.

Weitere Arbeiten zeigten, daR die 5-LO ein Schliisselen- zym in der Biosynthese einer anderen Hauptgruppe der Eico- sanoide, der Leukotriene (LT), ist, die als die langsam rea- gierenden Substanzen bei einer Anaphylaxie identifiziert wurden. Die LT erregten betrachtliches Aufsehen, da sie sich als wichtige Mediatoren der durch Entzundungen hervorge- rufenen Symptome GefaRdurchlassigkeit, Leukocytenzu- strom und Kontraktion der glatten Muskulatur erwiesen.

K. C . Nicolaou wurde auf Zypern geboren und studierte an der University of London bei den Professoren I? Sondheimer und P. Garratt. Nach Postdoc-Aufenthalten bei Professor i? Katz, Columbia University, und Professor E. J: Corey, Harvard University, wurde er 1976 Assistant Professor an der University of Pennsylvania, wo er zum Rhodes-Thompson Professor of Chemis- try aufstieg. 1989 wechselte er nach La Jolla, um die erstrnalig gemeinsam erfolgte Berufung als Professor of Chemistry der University of California in San Diego und als Darlene Shiley Profes- sor of Chemistry und Vorsitzender der Abteilung fur Chemie am Forschungsinstitut der Scripps Clinic anzunehmen. Nicolaou, der zahlreiche Auszeichnungen, darunter den Alfred P. Sloan Award, ein Guggenheim-Stipendium und einen Humboldt Senior American Scientist Award, erhalten hat, beschaftigt sich rnit der Entwicklung neuer Synthesen fur komplexe organische Molekiile natiirlicher oder ,,nichtnatiirlicher '' Herkunft. Zu seinen derzeitigen Forschungsinter- essen gehoren die Synthese von Eicosanoiden, Makroliden, marinen Ionophoren und Oligo- sacchariden sowie das Entwerfen, die Synthese und die Untersuchung biologisch aktiver Verbin- dungen mit DNA-spaltenden Eigenschaften und rnolekularem Erkennungsvermogen.

John Y Ramphal wurde 1963 in Georgetown, Britisch-Guayana, geboren. Er studierte zunachst an der St. John Fisher University und dann an der Bucknell University unter der Leitung von Professor H. W Heine, bevor er sich der Arbeitsgruppe von Professor Nicolaou an der University of Pennsylvania anschloJ. 1989 folgte er Professor Nicolaou nach Kalifornien, wo er zur Zeit seine Doktorarbeit abschlieflt. Er arbeitet an der Synthese von Eicosanoiden und Kohlenhydraten.

Nicos A . Petasis wurde auf Zypern geboren und studierte an der Aristoteles- Universitut von Thessaloniki in Griechenland. 1979 schloJ er sich dem Arbeitskreis von Professor K. C. Nicolaou an, wo er iiber die Synthese von Endiandrinsauren und Eicosanoiden arbeitete. Nach seiner Promotion 1983 blieb er als Postdoc bis 1987 und wurde dann Assistant Professor an der University of Southern California. Er beschaiftigt sich rnit der Entwicklung neuer Synthesemetho- den unter Beteiligung von pericyclischen Reaktionen und Organotitanverbindungen, der Entwick- lung von biologisch inspirierten Strategien zur Synthese von Naturstoffen sowie dem Entwerfen und der Synthese biomimetischer Systeme.

Charles N. Serhan wurde in New York geboren undpromovierte 1982 bei G. Weissmann an der New York University. Dort begann er auch, sich fur die Biochemie und Zellbiologie entziindlicher Reaktionen zu interessieren. 1982- 1986 war er Gastwissenschaftler bei Bengt Samuelsson am Karolinska Institut in Stockholm, und 1987 ging er als Assistant Professor fur Medizin (Bio- chemie) an das Brigham and Women's Hospital und die Harvard Medical School. Serhan erhielt mehrere Auszeichnungen, darunter den J. I.: Satterfield Arthritis Investigator Award der Arthritis Foundation, ein Forschungsstipendium der Medical Foundation Inc. und einen Established Investigatorship Award des American Heart Association National Center. Ferner wurde er zum Pew Scholar fur biomedizinische Wissenschaften ernannt. Er arbeitet vor allem in der Lipid- und Membranbiochemie sowie iiber die Signaliibermittlung in menschlichen Leukocyten und Blut- plattchen, die Biosynthese und strukturelle Charakterisierung biologisch aktiver Lipide und die Rolle von Lipidmediatoren bei der transzellularen Kommunikation.

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Fur ihre Forschungsbeitrage erhielten Bergstrom, Samuels- son und Vane 1982 den Nobel-Preis fur Medizin.

Auf die Entdeckung einer neuen Eicosanoid-Familie folg- ten jeweils umfassende Arbeiten praparativ tatiger Chemiker aus Hochschule und Industrie, deren Ziel die Synthese der natiirlich vorkorrimenden Verbindungen und ihrer Struktur- analoga war. Dies fiihrte zur vollstandigen stereochemischen Charakterisierung dieser Verbindungen und zu weiteren Un- tersuchungen iiber ihre biologischen Wirkungen. Uber die Chemie und Biologie der Eicosanoide einschlieRlich der Pro- staglandine''~ 51, der Thromboxane", s , '], der Prostacycli- neC3, '- 'I und der Le~kot r iene '~ . wurde bereits ausfiihrlich berichtet.

Kiirzlich wurde eine neue Klasse von den LO abgeleiteter Eicosanoide entdeckt. Die Erkenntnis, daB die bisher in Pflanzen gefundenen Lipoxygenasen (5-LO, 12-L0, 15-LO) auch in menschlichen Geweben weit verbreitet sind, veran- IaRte Untersuchungen, deren Ziel die Wechselwirkungen zwischen diesen LO-Metabolismen waren. Diese Studien fiihrten zur Isolierung mehrerer neuer, biologisch aktiver Molekiile, Lipoxine (LX) genannt[7 -'I, die durch Wechsel- wirkungen zwischen menschlichen 5/15-L0 und Sjl2-LO entstehen (Schema 2).

Die Lipoxine zeigen ein einzigartiges Spektrum biologischer Eigenschafi.en. Beispielsweise wurde kiirzlich berichtet, daR LXA, einige der ,,proentziindlichen" Wirkungen der Leukotriene hemmen kann'" - 31. Neuere Ergebnisse weisen ferner darauf hin, daD LX in vivo gebildet werden und im Zusammenhang mit menschlichen Krankheiten ste-

hen"4-16J. So wurden LXA, in bronchoalveolaren Spiilfliis- ~ igke i ten"~] und LXA,/LXB, in Nasenpolypen nachgewiesen["], wahrend bei Zellen von Patienten mit chronischer myeloischer Leukamie ein Defekt der LX-Bildung auf- tritt[I6]. ZusammengefaRt legen diese Erkenntnisse nahe, daR LX in vivo gebildet werden und gegenregulatorische Aufgaben iibernehmen konnen.

Im folgenden besprechen wir Isolierung, Biosynthese und biologische Wirkungen der Lipoxine sowie die Totalsynthese dieser und verwandter acyclischer Eicosanoide.

2. Isolierung und strukturelle Charakterisierung der Lipoxine

Bei Untersuchungen zur Umwandlung von [1-14C]AA in Suspensionen aus mehreren menschlichen Leukocyten (2. B. Neutrophile, Eosinophile, Basophile) mit Samuelsson und Hamberg am Karolinska Institut beobachtete einer von uns (C. N . S.), daR markierte AA in bis dahin nicht beschriebene polare Verbindungen iiberfiihrt wurde. Menschliche Leuko- cyten oxygenieren ohne Zusatz von Stimuli wie A23187 exo- gene AA an der C- lS-P~s i t ion[ '~ . ''I. Wir untersuchten daher, welche Produkte bei der 15-Lipoxygenierung von Ara- chidonsaure entstehen. Die Ergebnisse mehrerer Arbeits- kreise legten nahe, daB die Lipoxygenierung an C-15 zu Ei- cosanoiden von biologischem Interesse fiihren konnte['7, '*I. Beispielsweise wurde (1 SS)-Hydroxy-(SZ,8Z,llZ,l3E)- icosatetraensaure, (1 55')-HETE, als Hauptabbauprodukt

COOH

A A

5-Lipoxygenase

OOH

15Lipoxygenase

b H GOOH 0, [155)-HETE 7 0 ( 5 5) - HETE

5-Lipoxygenase

Leukotrien A, (LTA,) I

12 oder 15-Llpoxygenase

0 ,.' I COOH - (5s .6S)-Epoxy-LXA4

HO OH OH COOH COOH

Lipoxin A, (LXA,) Lipoxin 8, (LXB,)

Schema 2 Biosynthese der Lipoxine in unterschiedllchen Systemen

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der AA sowohl in normalem als auch in asthmatischem menschlichem Lungengewebe na~hgewiesen[”~ und nach Auslosung eines Anfalls in Mikrogramm-Mengen in der bronchoalveoliiren Spiilfliissigkeit von Patienten rnit chroni- schem stabilem Asthma gefunden1”]. Obwohl die 15-Lipoxy- genierung in vielen Saugetiergeweben und Zelltypen der Hauptoxidationsweg der AA ist[’‘], blieben die rezeptorvermittelte Aktivierung der 15-LO und die allgemeine physiolo- gische Bedeutung ihrer Produkte von Interesse.

Um die zellularen Vorgange, die zur Bildung dieser neuen polaren Verbindungen gefiihrt haben konnten, nachzu- ahmen und um groDere Mengen an Material fur biologische und Strukturstudien herzustellen, wurden (1 5S)-HETE und das entsprechende Hydroperoxyderivat (1 5S)-HpETE synthetisiert und die sich bei Behandlung rnit menschlichen Leu- kocyten bildenden Produkte identifiziert[’* ’, 2 2 - 2 5 1 . D’ ieses Vorgehen erleichterte die Isolierung und Charakterisierung einer neuen Reihe oxygenierter Derivate der AA mit einem ungewohnlichen konjugierten Tetraensystem (siehe Sche- ma 2). Diese Verbindungen mit einmaligen Strukturen und neuen biologischen Eigenschaften entstanden durch Wech- selwirkungen zwischen den LO-Reaktionswegen. Daher wurde fur sie der Trivialname Lipoxin (lipoxygenase interac- tion product) v ~ r g e s c h l a g e n ~ ~ . 231.

In Gegenwart eines Ionophors fur divalente Kationen (A231 87) entstehen in menschlichen Leukocyten vermehrt diese Tetraen-Eicosanoide, so dal3 sie in grol3eren Mengen isoliert werden konnten17. ”I. Die Grundstrukturen der beiden ersten Verbindungen dieser Reihe wurden durch phy- sikalische Methoden, einschlief3lich Hochdruckfliissigkeits- chromatographie (HPLC), UV-Spektroskopie und die Kopplung von Gaschromatographie und Massenspektrome- trie (GC-MS), sowie durch oxidative Ozonolyse bestimmt. Eine dieser Verbindungen wurde als 5,6,15-Trihydroxy- 7,9,11,13-i~osatetraensaure~~~, die andere als das Stellungs- isomer 5,14,1 5-Trihydroxy-6,8,10,12-icosatetraensaure~8J identifiziert. Wurden diese biologisch erhaltenen Produkte durch HPLC isoliert und menschlichen Neutrophilen, natiirlichen Killerzellen (NK) oder Streifen von Meerschwein- chenlunge zugefiigt, so hatten sie biologische Wirkungen, die sich von den bisher rnit anderen Eicosanoiden beobachteten unterschieden. Diese neuen biologisch aktiven Verbindun- gen wurden daher Lipoxin A, (LXA,) und Lipoxin B, (LXB,) genannt[8.24!

3. Biosynthese und Stereochemie von LXA, und LXB,

Die Bestimmung der vollstandigen Stereochemie der biologisch aktiven Lipoxine LXA, und LXB, sowie die Aufkla- rung der Strukturen und Wirkungsweisen ihrer natiirlich vorkommenden Isomere waren die nachsten wichtigen Schritte. Wesentlich fur diese Studien war, dal3 Versuche mit Sauerstoffisotopen gezeigt hatten, daD die Tetraene von intakten Leukocyten an C-5 I80-markiert werden und daD die Sauerstoffatorne an C-6 von LXA, und an (2-14 von LXB, ebenso wie die ihrer Isomere nicht ausschliefllich von mole- kularem Sauerstoff ~ t a m r n e n [ ~ ~ ] . Hieraus sowie aus Ergeb- nissen von Abfangreaktionen rnit Alkohol wurde geschlossen, dal3 die Lipoxine in menschlichen Leukocyten uber eine Epoxid-Zwischenstufe gebildet werden[22 - 2 6 1 .

Eine Synthese sollte d a m beitragen, die Stereochemie von LXA, und LXB, (Konfiguration an den Doppelbindungen sowie an C-6 bzw. C-14) zu bestimmen. Derart totalsynthe- tisch hergestelltes Material und die entsprechenden biologisch erhaltenen Substanzen wurden durch UV-Spektrosko- pie, HPLC (Cochromatographie in mehreren Systemen) und GC-MS einiger Derivate verglichen, und sie wurden, was am wichtigsten war, hinsichtlich ihrer biologischen Wirksam- keit beurteilt. LXA, wurde als (5S,6R,lSS)-Trihydroxy- (7E,9E,11Z,13E)i~osatetraensaure[~~~, LXB, als (5S, 14R, 1 SS)-Trihydroxy-(6E,SZ,l OE,12E)ic0satetraensaure~~~~ identifiziert (siehe Schema 2). Ferner wurden ein (6S)-Iso- mer von LXA,, 6-epi-LXA4, und zwei all-trans-Diastereo- mere, 1 1-trans-LXA, und 6-epi-ll-frans-LXA4, strukturell charakterisiertrz2* Diese Verbindungen waren in mehreren Bioassay-Systemen weit weniger aktiv als LXA, selbst[22* 2 7 1 .

Nachdem klar geworden war, daD viele Biosynthesewege sowie Zell-Zell-Wechselwirkungen zur Bildung von Eicosa- noiden mit Tetraenstruktur fiihren konnen, lieferte die Ent- deckung, dal3 (1 5S)-HETE von aktivierten Leukocyten rasch umgewandelt wird, ein wichtiges Modell fur die Unter- suchung eines der Wege zu den Tetraen-Eicosanoiden[2zl 251. Dieser als erster beschriebene Weg ist in Schema 2 darge- stellt.

(1 SS)-HETE wird von aktivierten menschlichen Leukocy- ten in (5S)-Hydroperoxy-(l5S)-hydroxy-(6E,8Z,11Z,13E)- icosatetraensaure ((5S,lSS)-DiHpHETE) urngewandelt und anschlieoend in das 5,6-Epoxytetraen (5S,6S)-Epoxy-LXA4 iiberfiihrt. Dieses Epoxid - oder sein Aquivalent - konnte enzyrnatisch entweder rnit einer Epoxid-Hydrolase unter Bil- dung der (SS,6R)-Diolgruppierung in LXA, oder iiber einen Angriff an C-14 mit Bildung einer (8Z)-Doppelbindung in LXB, umgewandelt werden. Ein weiterer Beleg fur ein 5,6- Epoxytetraen als Zwischenstufe der Biosynthese wurde rnit der auf chemischem Weg hergestellten (1 59-Hydroxy- (SS,6S)-epoxy-(7E,9E,ll Z,13E)icosatetraensaure erhalten. Dieses Epoxid wurde von gereinigter Cytosol-Epoxid-Hydro- lase in vitro quantitativ in LXA, iiberfiihrt[261.

Andere Forscher haben in Modellsystemen ebenfalls Epoxytetraene als Zwischenstufen bei der Bildung von LXA,, LXB, und ihren Isorneren postuliert[28-311. Kiihn et a1.[311, Fitzsimmons et a1.r281 und Adams et aI.L291 haben mehrere hypothetische Schemata zur Synthese von Lipoxinen in Betracht gezogen. Eines davon schlieljt eine Epoxid-Zwi- schenstufe ein, ein anderes beinhaltet drei aufeinanderfol- gende, durch LO katalysierte Oxygenierungen, wobei die Beteiligung nichtmolekularen Sauerstoffs nicht angenommen wurde. Aus diesen und den von uns erhaltenen Ergeb- nissen biosynthetischer Untersuchungen mit menschlichen Leukocyten wird klar, dalj die Bildung von 5,6-Epoxytetra- en aus (15S)-HETE ein enzymatischer Vorgang ist[22.24. 251.

Fitzsimmons et a1.[281 schlugen vor, dal3 einmal gebildetes 5,6-Epoxytetraen nichtenzymatischer Hydrolyse unterliegt, die ein Produktgemisch aus l4-epi-d-rrans-LXB4, 8-trans- LXB, sowie einem racemischen Gemisch aus LXA, und dessen (6S)-Isomer (6-epi-LXA4), nicht aber LXB, liefert. Diese Annahme basierte auf den Ergebnissen von Versuchen, bei denen synthetisches 5,6-Epoxytetraen einer Leukocyten- suspension zugefiigt wurde. Es ist jedoch nicht sicher, o b das 5,6-Epoxytetraen nach dieser exogenen Zugabe in die Zellen eingedrungen ist oder o b es im extrazellularen Medium hy-

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drolysiert wurde. Dariiber hinaus stimmen die Ergebnisse unserer Untersuchungen iiber den zeitlichen Verlauf nicht mit diesem Vorschlag iiberein. Insbesondere wurden mit Zel- len, die nicht aulgelost waren, deutlich groDere Mengen an LXA, erhalten[”* 321.

4. Enzyme zur Bildung von Lipoxinen und verwandten Verbindungen

Der Vorschlag[’- ‘1, daI3 Eicosanoide rnit Tetraenstruktur wie LXA, und LXB, auf mehreren Biosynthesewegen gebildet werden konnen, wurde inzwischen anhand von Modell- systemen rnit gereinigten wie auch rnit partiell gereinigten Enzymen auf seine Richtigkeit untersucht (Tabelle 1):

Ergebnisse von Kiihn et al.[311 zeigen, daI3 eine aus Reticu- locyten erhaltene, gereinigte Lipoxygenase das Dihydroxy- derivat (5S,1 5S)-DiHETE in Trihydroxytetraene umformen kann. Diese Umwandlungen werden durch Inhibitoren, De- naturierung durch Erhitzen und anaerobe Bedingungen blockiert. Daher wurde angenommen, daD die Produkte enzymatisch durch die Einwirkung von LO gebildet werden, und es wurden zwei unabhangige Mechanismen vorgeschla- genL3l1. Beim eintm tritt, wie bereits erwahnt, ein 5,6-Epoxid als Zwischenstufe auf, wahrend der andere ein Zwischenpro- dukt beinhaltet, das durch Einwirkung von LO auf das Di- hydroperoxyderivat (5S,lSS)-DiHpETE oder auf (5S,15S)- DiHETE gebilder wurde. Diese zweite Route kann als drei- stufige Lipoxygenierung betrachtet werden, bei der ein Dioxygenierungs~~rodukt zum Substrat fur einen dritten LO- Angriff wird. Ferner wurde von dieser A r b e i t s g r ~ p p e [ ~ ~ . 341

nachgewiesen. daR das Reticulocytenenzym 5,15-DiHETE in LXB, umwancleln kann, was den dreistufigen Lipoxyge- nierungsmechanismus belegt.

dreifache Oxygenierung als auch iiber ein mutmarjliches 14(15)-Epoxytetraen bewirken. Es muI3 jedoch betont werden, daI3 menschliche Neutrophile im Gegensatz zu Schwei- neleukocyten keine 12-LO enthalten und daB bei Zugabe von 5,15-DiHpETE zu intakten menschlichen Blutplattchen, die 12-LO enthalten, kein LXB, gebildet ~ i r d [ ~ ~ ] . Dennoch lassen die rnit gereinigter 12-LO aus Schweineleukocyten erhaltenen Ergebnisse auf einen enzymatischen Weg der LXB,-Biosynthese schlieBen, wobei sich interessante mecha- nistische Folgerungen ergeben, die fur Zell-Zell-Wechselwir- kungen Bedeutung haben konnen.

Neuere Ergebnisse weisen darauf hin, daD LO neben Ver- bindungen rnit Hydroxy- und Hydroperoxygruppen auch solche rnit Epoxidgruppierung als Substrate zur Bildung von Lipoxinvorstufen verwenden konnen. Beispielsweise wird LTA, von 15-LO aus Sojabohnen rasch in ein 5,6-Epoxyte- traen ~ m g e w a n d e l t ‘ ~ ~ ~ , was darauf hinweist, daI3 die 15-Li- poxygenierung von LTA, in einer Reihe von Zellen die Li- poxinbildung auslosen kann.

Die Bedeutung der ersten Oxygenierung von AA durch 5-LO und die nachfolgenden Wechselwirkungen mit 12-LO oder 15-LO wurden rnit intakten menschlichen Blutplatt-

Mesangiumzellen der RatteC4’] und Neutrophi- len[401 untersucht. Studien rnit den 100000g-Uberstanden menschlicher Blutplattchen, die 12-LO-Aktivitlt aufweisen, zeigen, daR diese 12-LO rnit LTA, reagieren kann. Diese Ergebnisse belegen die (w - 6)-0xygenaseaktivitit der 12- LO und weisen diesem Enzym eine Rolle bei der Lipoxinbil- dung zu[401 (siehe Schema 2). Insgesamt haben die rnit isolierten Enzymen erhaltenen Resultate mogliche Mechanis- men der Lipoxinproduktion ergeben, von denen wohl einige von spezifischen Zelltypen verwendet werden. Ob zwei oder mehrere Wege in einem vorgegebenen Zellsystem gleichzeitig beschritten werden, ist noch ungeklart.

Tabelle 1. Bildung von Lipoxinen und verwandten Verbindungen durch zellfreie und isolierte Enzymsysteme

Enzym Herkunft Substrate Produkte Lit.

15-/12-Lipoxygenase 15-/12-Lipoxygenase

5-Lipoxygenase

12-Lipoxygenase

5-Lipoxygenase

15-Lipoxygenase 12-Lipoxygenase

Epoxid-Hydrolase (cytosolisch)

Kaninchenreticulocyten/Sojabc Reticulocyten

Schweineleukocyten

Schweineleukocyten

Kartoffelknolle

Sojabohne Menschliche Blutplattchen (100000g-Uberstande) menschliche Leber

)hne (5S,lSS)-DiHETE (lSS)-HETE. AA (1 5S)-HpETE, (5S,1 SS)-DiHETE ( I 5S)-HpETE, (SS,15S)-DiHpETE (ISS)-HpETE/AA

Leukotrien A, Leukotrien A,

5,6-Epoxytetraen

Tri hydroxytetraene Lipoxin B,

5.6-Epoxytetraen

Lipoxin B, Lipoxin A,/ Lipoxin B, 5.6-Epoxytetraen Lipoxin A,

Lipoxin A,

In Ubereinstimmung damit zeigten Uedu et al.[35], daI3 gereinigte 5-LO aus Schweineleukocyten aus (1 5S)-HpETE und aus (1 5S)-HETE enzymatisch ein 5,6-Epoxytetraen bilden kann. Untersuchungen dieser Arbeitsgruppe mit gereinigter 12-LO aus Schweineleukocyten weisen darauf hin, daI3 LXB, sowohl durch die (14R)-Oxygenase- als auch durch die LXB,-Syntheseaktivitat dieses Enzyms aus (5S,1 5S)-DiHETE gebildet werden k a r ~ n [ ~ ~ ] . Das Schwei- neenzym kann somit die Bildung von LXB, sowohl durch

5. Lipoxinbildende Zelltypen

Inzwischen ist bekannt, daI3 eine ganze Reihe von Zellarten Lipoxine aus endogenen und/oder exogenen Substratquellen bilden (Tabelle 2). Die ersten Publikationen iiber die Bildung von Lipoxinen aus den endogenen Quellen C20 :4 (AA) und C20:5 stammen von Wong et al.[44] bzw. Lam et die nach Zugabe eines isolierten PLA,-Isoenzyms zu Schweine- leukocyten die Bildung von LXB, und seinen Isomeren

Angew. Chrm. 103 (1991) 1119-1136 1123

Tabelle 2. Lipoxinbildende Zellen.

Zelltyp Substrate Stimulus Lit.

Leukocyten, Mensch Leukocyten. Mensch

Eosinophilen-reiche Granulocytensus- pension, Mensch Leukocyten. Sch wein Leukocyten. Rind

Alveolarmakrophagen, Ratte Basophile Leukimie- zellen. Ratte (RBL-1) Mastocytomzellen, Hund Neutrophile. Mensch Blutplattchen. Mensch Mesangiumzellen. Rattenniere Eosinophile, Mensch Leukocyten. Schwein Makrophagen, Regen- bogenforelle

Zell-Zell- Komblnarionrn Granulocyten- Eosinophile, Mensch Blutplattchen- Granulocyten. Mensch Neutrophile-Blutplatt- chen. Mensch

(1 SS)-HpETE Ionophor A23 187 (159-HpETE FMLP, Ionophor

C20:4. endogenes C20:4 Ionophor A23187 A23187

endogenes C20:4 PLA,-lsoenzym C20:4, ( l W - H p E T E , lonophor A23187 (1 SQ-HETE, (5S)-HETE, (5Q-HpETE (159-HpETE Ionophor A23187

(1 SS)-HpETE PMA, FMLP lonophor A23187

C20:4 Ionophor A23187 endogenes C20.4 Ionophor A231 87 LTA, lonophor A231 87 LTA, nicht notig

(1 59-HETE Ionophor A23187 ( I W - H p E T E Ionophor A23187 endogenes C20:4 lonophor A23187 C20:5

endogenes C20:4 lonophor A23187

endogenes C20.4 Ionophor A231 87

endogenes C20.4 FMLP. Thrombin

nachwiesen. AuBerdem wird von Suspensionen menschlicher Granulocyten, die reich an Eosinophilen sind, LXA, ent- sprechend der Zahl Eosinophiler in der Inkubation gebil- detf461. Uber die 5,6-Epoxytetraen-Zwischenstufe bilden Eosinophile auDerdem Pept id~l ipoxine[~ '~, deren biologische Bedeutung noch untersucht wird.

Ferner wurden Lipoxine kurzlich als Hauptprodukte der Lipoxygenasereaktion von Makrophagen aus der Regenbo- genforelle, die A23187 ausgesetzt waren, na~hgewiesen '~~] . Dies ist die erste Beschreibung einer Lipoxinbildung durch Nichtsaugerzellen und laBt darauf schlieDen, daD die Lipo- xinstruktur wlhrend der Evolution beibehalten wurde. Wie im vorigen Abschnitt erwahnt, konnen Wechselwirkungen zwischen Blutplattchen und Neutrophilen zu transzellula- rem Metabolismus von Eicosanoiden fiihren[491. Ausgehend von dieser nun gesicherten Vorstellung fanden Edenius et al.[411, daR durch A23187 stimulierte gemischte Blutplatt- chen-Granulocyten-Suspensionen aus endogenen Quellen LXA, sowie vier andere Tetraenverbindungen bilden. Sie entdeckten auRerdem, daD LTA, nach Zugabe zu menschlichen Blutpliittchen in LXA, umgewandelt wird, und wiesen darauf hin, daD die beschriebene 15-LO-Aktivitat der Blut- plattchen an dieser enzymatischen Umwandlung beteiligt sein k O n r ~ t e [ ~ ~ ] . Carrick et al.[421 fanden, daD die Mesan- giumzellen aus der Rattenniere ebenfalls LTA, zur Bildung von Lipoxinen verwenden konnen.

Durch Ionophore stimulierte Zellen konnen Lipoxine ohne Zugabe exogener AA p r o d u ~ i e r e n ~ ~ ~ . ~ ' . ~ ~ ~ . Es mu13 jedoch noch geklart werden, o b auch eine Rezeptoraktivie- rung zu ihrer Bildung fiihren kann. In der Tat fiihrt die gleichzeitige Aktivierung menschlicher Neutrophile und Blutplattchen durch rezeptorvermittelte Agonisten (FMLP und Thrombin) zur Bildung sowohl von LXA, als auch von LXB,["'I. Dabei wurde LTA, durch zellfreie 100000g-Uber-

stande menschlicher Blutplattchen, die 12-LO-Aktivitat zeigten, in LXA, und das kiirzlich identifizierte 7-cis-1 1 - t ran~-LXA, ' '~~ umgewandelt. Lipoxine konnen also auch iiber die Oxygenierung durch 5-LO und einen transzellullren Stoffwechsel von LTA, gebildet ~ e r d e n [ ~ ' - ~ ~ ] . Dieser Weg ist von Interesse, weil er bedeutet, daR Zellen, die 5-LO produzieren, und Zellen, die 12-LO und 15-LO liefern, zur Bil- dung von Lipoxinen in Wechselwirkung treten konnen.

6. Biologische Wirkungen der Lipoxine

Die biologischen Wirkungen der Lipoxine wurden sowohl mit in-vivo- als auch mit in-vitro-Systemen ermittelt (Tabel- len 3-5). In jedem System erwiesen sich die Reaktionen auf LXA, oder LXB, als stereospezifisch und verschieden von denen auf andere Eicosanoide.

In mehreren in-vivo-Systemen (Tabelle 3) bewirken LXA, und LXB, Anderungen der M i k r o z i r k ~ l a t i o n [ ~ ~ -601 . Be' 1-

Tabelle 3 Biologische Wirkungen von Lipoxinen in in-vivoSystemen

Biologisches System Verbin- Reaktion dung

Lit.

Hamsterbacken- LXA, Arteriolenerweiterung ohne GefaDdurch- [55] tasche lassigkeit oder Leukocytenadhasion Nierenhamodynamik LXA, Selektiver Abfall des afferenten Arteriolen- [S6j in Ratten widerstands. glomerulire Hyperperfusion,

Nierenhamo- LXA, Antagonismus zurn LTDJnduzierten [57] dynamik Abfall des Plasmaflusses (gegenregula-

torische Wirkung) Cerebrale Arteriolen LXA,. Stirnulierung der nicht prostanoidverrnittel- [SS] neugeborener Ferkel LXB, ten Erweiterung cerebraler Arteriolen Mesenterialzirkulation LXA,, Kontraktion der MesenterialgeGDe nach [SS] bei nicht bewuDtlosen LXB, intravenoser Gabe Ratten Hamsterbackentasche LXA, Hemmung der LTB,-induzierten Entzun- [60]

Hypertension und Hyperfiltration

dung, Blockierung van Plasmaverlust und Leukocytenwanderung

Blutbildende Stamm- LXA,, Strahlenschutzwirkung ohne Diarrhoe [ 7 S ] d e n der Maus [nicht oder Ataxie

L x B J

spielsweise induziert LXA, eine rasche Arteriolenerweite- rung sowohl in den Backentaschen des Hamsters als auch in der Rattenniere[". LXA, kann ferner LTD,-induzierter Vasokonstriktion entgegenwirken und - in Kulturen - die Bindung von LTD, an Mesangiumzellen, die zur Regulie- rung der Hamodynamik der Niere beitragen, b l~ckieren[~ '~ . Diese in-vivo-Ergebnisse legen nahe, daD LXA, die Wirkun- gen gefaoverengender Leukotriene regulieren kann["]. Was die entziindliche Reaktion betrifft, so wurde gezeigt, daD LXA, auch die durch LTB, ausgeloste Entziindung der Hamsterbackentaschen blockieren kannf6']. In diesem Sy- stem hemmt LXA, sowohl den LTB,-induzierten Plasma- verlust als auch die Leukocytenwanderung, beides Schliissel- vorgange bei Entzundungen und Wundheilung. Diese neu- eren Ergebnisse lassen an eine Funktion der Lipoxine als Gegenregulatoren denken. Es bleibt daher die entscheidende Frage nach der quantitativen Beziehung zwischen LT- und LX-Bildung in vivo.

Auch an isolierten Organen wurden die Wirkungen von mehreren Arbeitsgruppen untersucht (Tabelle 4). Anders als die Leukotriene LTC, und LTD, kontrahiert LXA, Lungen-

1124 Angew. Chem. 103 (1991) 1119-1136

Tabelle 4. Biologische Wirkungen von Lipoxinen in isolierten Organen

Bioassay Verbin- Reaktion Lit dung

Lungenstreifen, Meerschweinchen Lungenstreifen, Meerschweinchen Lungenstreifen, Meerschweinchen Lungenstreifen, Meerschweinchen

Lungenparenchym und glatte Ileum- muskulatur. Meer- schweinchen Schwanzarterie der Ratte Lungenstreifen von Ratte, Kaninchen und Meerschweinchen Meerschweinchenlunge

LXA,

LXA,

LXA,

LXA, [nicht LXBJ

LXA,

LXA,

LXA, und LXB, LXA,

Kontraktion mit langsamem Anfang [22,24]

Cyclooxygenase-unabhangige Kon- [S5] traktion Struktur-Wirkungs-Beziehung rnit geo- [61] metrischen lsomeren Kontraktion von Parenchymstreifen, nicht aber der Tracheaspiralen; LXA,-Kontraktionen durch einen 5-LO-Inhibitor nicht blockiert Kontraktion der Lungenstreifen, nicht aber der Ileummuskulatur bei Kaskaden-Superfusion

Kontraktion

Bronchokonstriktion und Endothel- abhangige Vasorelaxation

Stimulierung der Thromboxan- Produktion

streifen vom Meerschweinchen, jedoch nicht Praparate aus glatter Ileummuskulatur, was auf ein gewisses Ma13 an Or- ganselektivitat schlieBen laBt[55361 -641.

Lipoxine iiben ferner ungewohnliche Wirkungen auf spe- zielle Zelltypen aus (Tabelle 5). LXA, bewirkt selektive Vor-

Tabelle 5 . Biologische Wirkungen von Lipoxinen in einzelnen Zellen.

Bioassay Verbiiidung Reaktion Lit

Neutroohile, LXA, > LXB, Chemotaxis ohne Aggregation (651 Mensch Neutrophile, Mensch

Neutrophile, Mensch

Neutrophile, Mensch Endothelzellen, Mensch Mesangiumzellen der Niere Monocyten. Mensch Natiirliche Killer- rellen, Mensch

PKC aus menschlicher Plazenta

PKC-y-Unterdrten. Rinderkleinhirn

LXA,

LXA, und LXB,

5,6-Epoxy- tetraen LXA, und LXB, LXA,

LXB,

LXA, und LXB,

LXA,

LXA,

Inhibierung der von Leukotrien und FMLP induzierten chemotaktischen Reaktionen, Ca'@-Mobilisierung und IP,-Bindung Stimulierung der Lipidumformung [68] und Freisetzung von AA ohne LO- Aktivierung, Ca'@-Mobilisierung oder Blockierung der Bindung von LTB, Stimulierung der Mobilisierung von [70] intrazehlarem Ca'@ Stimulierung der Prostacyclinbildung [77] und -freisetzung Inhibierung der LTD,-induzierten [57] IP,-Bildung und der Bindung von LTD, Stimulierung der Kolonienbildung in [72] Diffusionskammern Blockierung der Cytotoxizitat ohne [71] Veranderung der Bindung an die Ziel- zellen Aktivierung der Phosphorylierung in [73] Gegenwart von Ca'@ und Auswahl von Substrdtspezifizitat Selektive Aktivierung P I

[66.67]

gange an menschlichen Neutrophilen". 6 5 701, und neuere Ergebnisse zeigen, daD LXA, neben der Auslosung von Che- m o t a x i ~ ' ~ ~ ] auch LTB,- und FLMP-induzierte Reaktionen (d. h. IP,-Bildung und CaZ@-Mobilisierung) blockieren kann[66s 6 7 1 , Sowohl LXA, als auch LXB, regen selektiv die Lipidumformung in Neutrophilen an und setzen AA frei, ohne diese weiter durch LO zu transformieren[681. Weiterhin blockieren LXA, und LXB, selektiv die cytotoxischen Wir- kungen natiirlichcr Ki l le r~e l len[~ '~ , und LXB, regt die Kolo- nienbildung menschlicher Monocyten anc6 'I . Neben seinen

moglichen extrazellularen Funktionen kann LXA, auch in- trazellular in dem Zelltyp, in dem es entsteht, vor der Freiset- zung ins extrazellulare Milieu eine Rolle spielen. So aktiviert LXA, isolierte Protein-Kinase C (PKC) und erwies sich als wirksamer als Diacylglycerid oder natiirliche Arachidonsau- re[731. Auf die in Gehirn und Riickenmark vorkommenden punterar ten der PKC scheint LXA, spezifischer zu wir-

Diese Befunde sind von Interesse, da PKC und ihre Unterarten moglicherweise fur die Regulierung zellularer Vorgange wie Differenzierung, Zellteilung und Hormonwir- kungen in einer groI3en Vielfalt von Zelltypen von Bedeu- tung sind.

Nach den bisherigen Ergebnissen konnen Lipoxine auf mehreren Biosynthesewegen entstehen, die Lipoxygenase ebenso wie Zell-Zell-Wechselwirkungen einschliel3en konnen. Sowohl LXA, als auch LXB, zeigen selektive biologische Wirkungen in in-vivo- und in-vitro-Systemen, was darauf hindeutet, da13 sie an zellularen Regulationsprozessen, die fur Entziindungen und Infektabwehr wichtig sind, beteiligt sind. Kiinftige Untersuchungen werden klaren, o b die Lipoxine bei bestimmten Krankheiten Entziindungssympto- me hemmen oder regulieren konnen.

7. Chemische Synthese von Eicosanoiden

Da die Lipoxine ebenso wie andere Eicosanoide aus natiirlichen Quellen nur in geringen Mengen isoliert wurden, spiel- te die chemische Synthese dieser Verbindungen eine Schliis- selrolle bei der Bestimmung ihrer Stereochemie und ermog- lichte eine systematische Untersuchung ihrer biologischen Eigenschaften und Funktionen. Da es notwendig war, die isolierten natiirlich vorkommenden Stereoisomere identifi- zieren zu konnen, und da die biologischen Wirkungen der verschiedenen Isomere verglichen werden sollten, wurde nach einem flexiblen Syntheseplan, der die gro13tmogliche Zahl an Isomeren lieferte, gesucht.

Die Synthese von Lipoxinen und anderen acyclischen Ei- cosanoiden wie den verschiedenen Mono- und Dihydroxy- icosatetraensauren (HETE, LTB, , andere DiHETE) ist aus zwei Griinden anspruchsvoll. Erstens 1st das Eicosanoidge- rust mit korrekter Konfiguration der Doppelbindungen zu konstruieren, und zweitens mu13 die richtige Konfiguration an den die Hydroxygruppen tragenden Stereozentren sichergestellt sein. Das Kohlenstoffgeriist dieser mehrfach ungesattigten Systeme wurde haufig durch Kniipfen von C- C-Doppelbindungen via Wittig-Reaktionen aufgebaut. Wir haben eine alternative, allgemein anwendbare Strategie ent- worfen, die auf der palladiumkatalysierten Bildung von C-C- Einfachbindungen aus Vinylvorstufen basiert. Die Konfigu- rationen an den hydroxylierten Positionen der Zielmolekiile konnen durch Verwendung von Ausgangsmaterial aus dem chiralen Pool, z. B. von 2-Desoxyribose oder Milchsaure, kontrolliert werden. Unsere Methode stiitzt sich jedoch vor allem auf die asymmetrische Expoxidierung nach Sharpless, die ein sehr flexibles Verfahren zur Synthese einer groRen Zahl verschiedener Stereoisomere mit hoher und vorhersag- barer Enantioselektivitat ist. Auf diese Art konnten wir viele Kohlenstoffgeriiste rnit unterschiedlichen Konfigurationen an den Stereozentren synthetisieren.

In den folgenden Abschnitten geben wir einen Uberblick iiber den Anfang, die Entwicklung und die Anwendung un-

Angew. Chem. 103 ( lY91) 1119-1136 1125

serer Strategie zur Totalsynthese einer Vielzahl naturlicher und auf dem Papier entworfener Eicosanoide. Auf andere, hauptsachlich von den Arbeitsgruppen um E. 1 C O T P ~ und einer Gruppe bei Merck-Frosst entwickelte MethodenL7'] wird hier nicht eingegangen.

tetraensauren ( H E T E ~ 841 , Dihydroxyverbindungen (DiHETE)[85* 861, Leukotriene BLB7. 881, Lipoxine A[89-931 und Lipoxine B[92-951.

1.2. Synthese von Monohydroxyicosatetraensauren (HETE)

7.1. Die Palladiumkatalyse-Strategie

Die Entwicklung unserer allgemeinen Strategie zur Syn- these acyclischer Eicosanoide ging vom vorgeschlagenen Biosynthesemechanismus fur die Bildung dieser naturlich vorkommenden Molekiile aus. Nach diesem Mechanismus wird eine Verbindung mit dem (aZ,GZ)-Pentadiensystem 1 der Arachidonsaure durch Lipoxygenasen und molekularen Sauerstoff uber 2 in das konjugierte (Z,E)-System 3 iiberfiihrt (Schema 3) . Uns schien daher ein stereokontrollierter

- H * ~ ' 7 ~ 2 Lipoxygenasen

H H

1 [ Biosynthese ]

OR Selektlve Hydrierung

R1+R2 I 4

(Retrosynthese] 1 Pdo/Cu '

OR U 1 pdo I 'TIoH PR

Schema 3 Biosynthese und Retrosynthese acyclischer Eicosanoide. Hier und in den folgenden Schemata werden R-Cd-R-Einheiten haufig gewinkelt ge- zeichnet, um die Alkinzwischenstufen graphisch den gewiinschten Alkenen an- zugleichen

und effizienter Aufbau des Grundgerustes 3 einen allgemeinen Zugang zu dieser Verbindungsklasse zu eroffnen.

Der Schliisselschritt in unserer Retrosynthese von 3 ist die Umkehrung der Pd-katalysierten Bildung der mittleren C-C- Bindung in 4. D a 4durch selektive Hydrierung in 3 iiberfuhrt werden kann, ist so dessen Synthese durch Pdo/Cu'-katalysierte V e r k n i i p f ~ n g [ ~ ~ ] des Alkins 5 mit terminaler Dreifach- bindung mit dem Vinylbromid 6 moglich. Alternativ kann 3 direkt durch die Suzuki-ReaktionLsol des Vinyliodids 7 mit dem Vinylboran 8 erhalten werden. Fur unseren Zweck verwendeten wir die mit Pd'/TfOH-Katalyse arbeitende Modi- fikation dieser Umsetzung nach Kishi et al.[811. Die zentrale Funktionalitat fur unseren Aufbau des mehrfach ungesattigten Kohlenstoffgeriists war die Alkin-Einheit, die einerseits - als Kopplungspartner verwendet - Vorstufe eines (2)-Olefins sein kann, andererseits stereoselektiv in die erforderlichen Vinylderivate &S uberfuhrbar ist. Dieser Syntheseansatz er- moglichte die rasche und okonomische Herstellung einer Vielzahl benotigter Zwischenverbindungen, und er 1st flexi- be1 genug, urn unter Verwendung gangiger Zwischenstufen und Reaktionen eine Reihe von Kohlenstoffgeriisten zu liefern. Wir synthetisierten mit dieser Methode mehrere Typen acyclischer Eicosanoide wie Monohydroxyicosa-

Mehrere der durch Einwirkung von Lipoxygenasen auf Arachidonsaure entstehenden HETE wurden bereits identifiziert. Die Hauptisomere sind die 5-, 12- und 15-HETE. Daneben wurden Isomere wie die 8-, 9-, 11-, 19- und 20- HETE nachgewiesen. Fur diese Verbindungen wurde zum einen eine Anzahl biologischer Aktivitaten angenommen, zum anderen dienen sie afs Vorstufen fur viele andere Meta- boliten, z. B. mehrere isomere Dihydroxyderivate (DiHETE) und einige hoher oxygenierte Produkte. Uber die Isolierung sowie die Aufklarung der Strukturen und biologischen Ei- genschaften der HETE wurde vor wenigen Jahren berich- tetC9@. Im folgenden werden die Synthesen einiger dieser acycfischen Eicosanoide vorgestellt.

(5S)-HETE: Fur 5-HETE wurden bereits mehrere Synthe- sen beschriebenC9'- lo2] . Un sere Totalsynthese des (5S)-En- antiomers 15 (Schema 4)lE2] basiert auf der Pdo/Cu'-Strate-

1 EIMgBr/ CuBr

2 Er CMe3 - 9 10 1 1

13

Pd(PPh3), /

OSitBuMe,

1 4

l.,Jindlar"/H, 2. Fa 1 3. LiOH

4 C O O H

15

Schema 4. Pd"/Cu'-katalysierte Totalsynthese von (5S)-HETE 15. .,Lindlar" steht fur einen mit Blei vergifteten Palladiumkatalysator nach Lindlor.

gie. Ausgehend vom Dialkin 9 und dem Allylbromid 10 wurde das Derivat 11 erhalten, dessen interne Dreifachbindung selektiv hydriert werden konnte. Das nach Desilylierung erhaltene Alkin 12 mit terminaler Dreifachbindung wurde mit dem Vinylbromid 13 (Synthese analog wie fur das Ph,tBuSi- Derivat in Schema 9 beschrieben) unter den PdO/Cu'-Kataly- se-Standardbedingungen zu 14 umgesetzt, das nochmals un-

1126 Angew. Chem. 103 (1991) 1119-1136

ter Lindlar-Katalyse selektiv reduziert wurde und nach De- blockierung 15 i n exzellenter Gesamtausbeute (18 Yo) lieferte.

(12S)-HETE: Sowohl racemische 12-HETE als auch enantiomerenreine (1 2q-HETE 19, das Hauptprodukt von 12- LO, wurden auf mehrere Arten hergestellt['03-'091. Wir haben stereokontrollierte Sequenzen zu beiden Enantiomeren dieses Molekiils entwickelt. Zur Synthese von 19 verwendeten wir das Standardverfahren der Pd'/Cu'-katalysierten Kupplung des Vinylbromids 16 rnit dem Alkin 17 zu 18 rnit anschlieRender milder Hydrierung und Deblockierung (Schema 5)ISZ1.

1 6 17

1 nPrNH, THPO,,

1 8

1 TsOH I EtOH 2 ,Lindlar"/ H, 3 LiOH

HO.. 1 rCooH 19

Schema 5 Pdo/Cu'-katalysierte Totalsynthese von (12S'-HETE 19 THP =

Tetrahydropyranyl

0 LOTHP - + - tBuMe2siL 20 2 1

23 2 2

LT' Pd(PPhj), 1

COOMe BuMe2s1L- 24

1 [IZH

COOH - .- " O C 25

Schema 6 Pdo/TI'-kat.~lysierte Totalsynthese von (lZR)-HETE 25

(12R)-HETE: Das vom Cytochrom-P450-System aus Arachidonsaure gebildete (1 2R)-HETE 25 wurde kiirzlich auch in unseren Laboratorien herge~te l l t [~~ ' . Die Synthese (Schema 6) basierte auf der Pd'/TIOH-katalysierten Ver- kniipfung von Vinylboranen rnit Vinylhalogeniden. Die an- schliel3ende selektive Reduktion der CEC-Gruppen entfallt bei diesem Verfahren, das wir auch zur Synthese von (12s)- Hydroxy-(5Z,8E,IOE)-heptadecatriensaure (HTT), einem Hauptmetaboliten der Arachidonsaure, verwendeten["']. Das enantiomerenreine Epoxid 20 wurde in das Acetylende- rivat 21 iiberfiihrt, das rnit Catecholboran zum Vinylboran 22 reagierte. Die Umsetzung von 22 rnit dem Vinyliodid 23 nach Kishis Palladium(o)/Thalliumhydroxid-Methode[S1l lieferte direkt 24. Abschliel3ende Deblockierung von 24 fiihrte zur Zielverbindung 25.

(lSS)-HETE: Schema 7 zeigt unsere Synthe~e"~] von (1 5S)-HETE 29. Der Schliisselschritt war die Verkniipfung

COOMe Pd( PPh3)4 /

2 6

- GMe n PrNH2 + OSitBuMe,

1 ,,Lindla?/ H2

3 LtOH

28 Br

OSt fBuMe,

27 12 F"

czZcH b H

29

Schema 7 Pdo/Cu'-katalysierte Totalsynthese von (1 59-HETE 29

des Acetylenderivats 26 rnit dem Vinylbromid 27 (zur Syn- these siehe Schema 9) unter Pd'/Cu'-Katalyse zum gewiinschten Grundgeriist 28. Lindlar-Hydrierung von 28 und anschliel3ende Deblockierung fiihrten in hoher Ge- samtausbeute (63 YO) zu 29. Andere Synthesen dieses Mole- kiils wurden ebenfalls beschrieben" '', ' 12] .

7.3. Synthese von Dihydroxyicosatetraensauren (DiHETE)

Mehrere natiirlich vorkommende DiHETE, die entweder durch Einwirkung von zwei Lipoxygenasen oder durch Hy- drolyse von Epoxid-Zwischenstufen gebildet werden, wurden bereits identifiziert.

(5S,6R)-DiHETE: Diese Verbindung ist ein biologisch ak- tives Stoffwechselprodukt der Arachidonsaure, das durch regio- und stereoselektive enzymatische Hydrolyse aus Leu- kotrien A, (LTA,, Schema 1) entsteht. Die nichtenzymati- sche Hydrolyse von LTA, fiihrt zu einem Gemisch der (5S,6R)- und (SS,6S)-Isomere. Urn die 5,6-DiHETE-Isome- re fur biologische Studien leicht zuganglich zu machen und um ihre Wirkungen mit denen von Lipoxin A, vergleichen zu konnen, synthetisierten wir alle vier 5,6-DiHETE-Methyl- esterrS6]. Schema 8 zeigt die Synthese des (SS,6R)-DiHETE- Methylesters 36rS6]. Die Umsetzung des Vinyliodids 30 mit

Angew. Chem. 103 (1991) 1119-1136 1127

1 +-!Me3 Pd(PPh3)d CUI

2 PPh, / CBr, 30 3 PPh,,A

OSit Bu Me &COOMe 0 :

OSitEuMe,

34

CrC!, / CHI,

OSif BuMe, COOMe

1 I h

6SiiBLMe,

- CSIMe3 P Ph3Er

L

31 1. KN(SiMe,), 2. n-C5H,,-CH0 i 3. AgN03 I KCN

32

35 33

I 1. Pd(PPh3)4/TIOH 2. F'

einfach geschiitzten a,w-Dialkin 9 unter Pd'/Cu'-Katalyse, gefolgt von Desilylierung und einer zweiten Verkniipfung mit dem Vinylbromid 13' unter gleichen Bedingungen fiihrte rasch und in hoher Ausbeute (62 Yo) zum gewiinschten Grundgeriist 44. Lindlar-Hydrierung von 44 und nachfolgende Desilylierung sowie Esterhydrolyse lieferten 45. Die direkte Deblockierung von 44 dagegen fiihrte zum bis dahin unbekannten 8,9,11,12-Tetradehydroanalogon von 45[',]. Fitzsirnrnons und Rokach[' 14] berichteten ebenfalls iiber eine Synthese von 45.

- . b S i f BuMe,

0

M e , S i b C o o M e

40 42

AIBN. 13OoC

1 (-)-Pinanyl-BEN 12. Fa 1 3 rBuPh,SICI 1 lmidazol

OSitBuPh,

4 C O O M e

1 3 C W 2 Br

OSitBuMe,

27 43

36(5S , 6 R ) 37(55 .6Sl 1 p g Pd(PPh3)4 / CuI

-COOMe OH C C O O M e OH 1 2E;::iKCN

'OH \

OH . Schema 8. Pd'/TI'-katalyslerte Totalsynthese des (SS,6R)-DiHETE-MethyI- esters 36 und der verwandten Verbindungen 37-39.

(Trimethylsily1)acetylen unter Pd(PPh,),/CuI-Katalyse, gefolgt von der Umwandlung des Alkohols in ein Bromid und Bildung des Phosphoniumsalzes lieferte Verbindung 31, die via Wittig-Reaktion zum Acetylenderivat 32 verlangert wurde. AnschlieDend wurde regioselektiv das Vinylboran 33 hergestellt und mit dem Vinyliodid 35 unter Standardbedingun- gen verkniipft. Durch Abspaltung der Silyletherschutzgrup- pen wurde 36 erhalten. Der Kupplungspartner 35 wurde durch Umsetzung des Aldehyds 34 (zur Synthese siehe Sche- ma 15) mit CrC1, und CHI, nach der Merthode von Takai et at." ' 31 hergestellt. Aus den 35 entsprechenden isomeren Vi- nyliodiden wurden analog die (5S,6S)- 37, (5R,6S)- 38 und (SR,6R)-DiHETE-Methylester 39 erhalten. Eine anders konzipierte Synthese von 5,6-DiHETE wurde von Adam et al.[291 beschrieben.

(5S,lSS)-DiHETE: Der interessante dihydroxylierte Ara- chidonsiuremetabolit (5S, 1 SS)-Dihydroxy-(6E,82,112,13E)- icosatetraensaure 45 war das erste lineare Eicosanoid, das nach dem Pd'/Cu'-Verfahren in unseren Laboratorien synthetisiert w ~ r d e [ ~ ~ ] . Seine beiden (Z,E)-Diensysteme lieferten zwei strategisch giinstige Trennstellen, die den in Sche- ma 9 zusammengefaDten leichten Aufbau ermoglichten. Die Vinylbromide 27 und 13', das Ph,-substituierte Analogon von 13, als Schlusselverbindungen wurden aus den Siloxyal- kinen 40 bzw. 43 (erhaltlich durch enantioselektive Reduk- tion von 42) durch Addition von Tri-n-butylzinnhydrid und Bromolyse synthetisiert. Die Umsetzung von 27 mit dem

1 tBu,SnH AIBN, 13OoC

OSitEuPh,

B r h C O O M e

13' 4, OSifBuMe,

Pd(PPh3)4 / CuI .nPrNHZ

OSif BuPh,

J

OSitBuMe, 44

1. Lindlar"/ HZ

3. LlOH * "F 0 1 eH OH

45

Schema 9. Pd'/Cu'-katalysierte Totalsynthese von (5S,lSS)-DiHETE 45. AIBN = Azodiisobutyronitril. BBN = 9-Borab~cyclononan.

(8S,15S)-DiHETE: Das naturlich vorkommende Derivat (8S,15S)-DiHETE 48 wurde, wie in Schema 10 gezeigt, iiber die stereokontrollierte Pd'/Cu'-katalysierte Verkniipfung des Acetylenderivats 46 mit dem Vinylbromid 27 syn- thetisiertLs5]. Lindlar-Hydrierung des Produkts 47 und nachfolgende Desilylierung und Verseifung ergaben 48 in hoher Gesamtausbeute (66 YO). Das 11 ,I 2-Didehydroanalo- gon von 48 wurde mit bekannten Deblockierungstechniken ebenfalls aus 47 herge~te l l t [~~I .

1128 Angew. Chem. 103 (1991) 1119-1136

43 (siehe Schema 9) mit dem Vinylbromid 49, gefolgt von der Bildung eines Allylbromids und der Arbuzov-Reaktion mit Trimethylphosphit ergab das Schlusselphosphonat 50. Diese Zwischenstufe diente als C,-C,,-Fragrnent fur die Synthese von LTB, und mehreren Strukturanaloga. Die andere erfor- derliche Zwischenstufe 51 wurde aus dem (R)-Glycidol- THP-Ether 20 durch Epoxidoffnung mit dem Lithioderivat von 1 -Heptin, Silylierung, Abspaltung der THP-Gruppe und Oxidation hergestellt. Die Verknupfung von 50 und 51 unter basischen Bedingungen lieferte das Grundgeriist 52, das durch Lindlar-Hydrierung und Abspaltung der Schutzgrup- pen in Leukotrien B, 53 iiberfuhrt wurde.

Die acetylenischen LTB,-Analoga 54 und 55 (Schema 12) wurden ebenfalls aus der Zwischenstufe 52 hergestellt. Ahn-

COOMe

6SitEuMe,

* d Z r c m M e

&

Pd( PPh& / CUI I I ++- + nPrNH,

B r u /

6Sif EuMe, 4 7

4 6 1 ;.,,;;dIar''/ H,

3. LiOH

COOH

OH

48

OH OH OH OH Schema 10. Pd'/Cu'-katalysierte Totalsynthese von (ES,lSS)-DiHETE 48.

COOH COOH

54 5 5 7.4. Synthese von Leukotrien B, und seinen Derivaten

OH OH OH COOH COOH

Ein DiHETE-Derivat von besonderem Interesse ist das eingehend untersuchte Leukotrien B, (LTB,) 53, das durch enzymatische Hydrolyse des Epoxyderivats Leukotrien A, entsteht (siehe Schema 1). Fur diese Verbindung, die ein wichtiges chemotaktisches Agens ist, wurde in mehreren La- boratorien cine ~ ~ ~ ~ h l synthesemethoden entwik- kelt["~ ' - ' '1. lJnsere Synthese von 53 verlief wie in Sche- ma 11 gezeigt["]. Die Pd'/Cu'-katalysierte Kupplung von

OH

56 57 : R = CHzOH 58: R = COOH

Schema 12. Die synthetischen Leukotrien-B,-Derivate 54-58.

liche Umsetzungen fuhrten zur Ethano-substituierten Ver- bindung 56 und zu deren Dehydroanaloga. Diese waren Ziel- verbindungen, weil der Ersatz einer allylischen Methylen- gruppe durch einen Cyclopropylrest ein Mittel zur Beein-

20 4 3 flussung des normalen Arachidonsaurestoffwechsels ist 221.

Die w-Oxidationsprodukte von LTB,, 20-Hydroxy- 57 und 20-Carboxyleukotrien B, 58, werden bei der Verstoff- wechselung von LTB, durch menschliche Neutrophile gebildet. Sie wurden ebenfalls in enantiomerenreiner Form, ahn- lich wie fur LTB, 53 beschrieben, synthetisiert[881.

Vor wenigen Jahren berichteten Kobayashi et a]. uber eine sehr einfache Synthese von LTB, durch palladiumkatalysier- te Verkniipfung des Vinyliodids 59 mit dem Vinylboran 60

OSitEuPh 0 b O T H P &COOMe

i H O ~ E ~ 4 9

2 CBr, /PPh, 3 P(OMe), , 130 ('C

Pd(PPh3)4/ cul, €bNH

OSitBuPh, COOMe

1 1 TMEDA,fBuLi, 2 tEuPh,StCI / lniidazol 3 AcOH / THF / H20 4 Cr03.2py

Fi (MeO), P

I \\ L 51

OStfBuPh,

5 0 (Schema 13)[1231,

LDA

OSvBuPh, OSit BuPh,

\\ e+cooMe 5 2

1 hindlar"/ H, I 2 RJ

3. LiOH

OH OH COOH

53

Schema 11. Pd'lCdkatalysierte Totalsynthese von Leukotrien B, 53. TMEDA = Tetramethylethylendiamin, LDA = Lithiumdiisopropylamid.

OSif EuMe,

OSif BuMe, COOMe

59

1. Pd( PPh,), , NaOH

COOH

53

Schema 13. Synthese von LTB, 53 nach Kobayashi et al., Sia = 1.2-Dimethyl- propyl (Siamyl).

Angew. Chem. 103 ( t 9 9 t ) tl19-1136 1129

7.5. Synthese von Lipoxinen

Wie in den Abschnitten 2 und 3 beschrieben, wurden die den Lipoxinen zugeordneten Grundstrukturen aus Biosyn- these-Uberlegungen und Abbaustudien mit biologisch iso- liertem Material hergeleitet. Die Zuordnungen waren jedoch unvollstandig, da die Konfigurationen an C-6 des Lipoxins A, und C-14 des Lipoxins B, zunachst aufgrund der be- grenzten Mengen an biologisch erhaltenem Material nicht bestimmt werden konnten. Uberdies waren die Konfigura- tionen der Doppelbindungen C-8-C-9 von LXA, und C- 11 -C-12 von LXB, ~ n s i c h e r [ ~ . '1. Diese stereochemischen Unsicherheiten, die eine Reihe von Stereoisomeren zulieBen, erforderten die Entwicklung eines allgemeinen, flexiblen Ver- fahrens, das jedes dieser Isomere stereoselektiv und zweifels- frei fur vergleichende Untersuchungen untereinander und mit naturlichen Proben sowie fur biologische Bewertungen Iieferte. Fur diesen Zweck erwies sich die von uns entwickelte auf der Pd'/Cu'-Katalyse basierende Strategie als ideal. So konnten wir in der Tat eine grol3e Anzahl isomerer Lipoxin-

931 und L ipox in -B-Der i~a te [~*-~~~ synthetisieren. Die Verfiigbarkeit dieser Verbindungen sowie eine Reihe ver- gleichender Untersuchungen mit naturlichen Materialien, die in den Abschnitten 2 und 3 diskutiert wurden, ermoglichten uns die komplette Aufklarung der Strukturen von LXA, und LXB, sowie die Identifizierung einiger weiterer natiirlich vorkommender LX-Isomere.

Unsere Synthesen dieser Verbindungen werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Andere Arbeitskreise haben ebenfalls uber Synthesewege fur vide dieser Molekiile berichtet[28, 29 .78b . 124- 1271

7.5.1. Synthese von Lipoxin A , und seinen Stereoisomeren

Schema 14 zeigt die retrosynthetische Analyse von Lipo- xin A, 61, die zu den Zwischenstufen 62, 63 und 64 als

Shorpless-

Selektive Wittig- Hydrierung

64 62 Me,Si& ' PPh,

63

Schema 14 Retrosynthetische Analyse von Lipoxin A, 61

potentielle Ausgangsverbindungen fiihrte[891. Wir erwarte- ten, daB diese sorgfaltig geplante Strategie die Bildung sowohl einer cis- ak auch einer trans-Doppelbindung zwischen

C-11 und C-12 der endgiiltigen Struktur ermoglichen wiirde. Ferner sollten mit der asymmetrischen Epoxidierung nach Sharpless die vier moglichen Stereoisomere des Fragments 64 durch Variieren der Doppelbindungskonfiguration in der Allylalkoholvorstufe sowie der absoluten Konfiguration des chiralen Hilfsstoffs zuganglich sein.

Die in Schema 15 zusammengefaBte Totalsynthese von (5S,6R,1 SS)-Lipoxin A, 61 und dessen all-trans-Isomer 74

asymmetrische n

H o b O C H , P h Sharpless

Ho-oCH2Ph -Epouidierung* 6 5 66

1. PhNCO, py 2. BF3~E!z0 3. NaOMe, MeOH

- OH

4 tBuCOCI,py i 5.fBuMe2SiCI I lmidazol

OCH2Ph

68

1. EtMgBr I Me3SiCIi HZO

3a. PPh3. A , CH&N oder 3b. P(OMe)3, 130 OC

tBuC00 67

2. NBS I PPh3

1.10% Pd-C I H2 I 2. R U G I Na104

M e , S i e R

3. DIBAL-H 4. CHzN2 I 5. (CoC1)z. DMSO, Eb N

69, R= P%h, Br* fBuMe,= COOMe

70, R = P(O)(OMe)2 0- 34

I I nBuLi

AgN03. KCN

7 1 72

COOMe

COOH

HO OH COOH

74

Schema 15. Pd"/Cu'-katalysierte Totalsynthese von Lipoxin A, 61 und 11-trans-LXA, 74. DIBAL-H = Diisobutylaluminiumhydrid, DMSO = Di- methylsulfoxid.

veranschaulicht die Strategie fur die Synthese der Lipoxin- A , - D e r i ~ a t e [ ~ ~ ] . Schema 15 zeigt den Aufbau der erforderlichen Fragmente 34 und 69 bzw. 70 in reiner Form nach bekannten Methoden und beschreibt die Schlusselverknup- fung sowie abschlieknde zu den Zielmolekiilen fiihrende Reaktionen. Die Kopplung des aus dem Phosphoniumsalz 69 entstehenden Phosphorans mit dem Aldehyd 34 fuhrte in hervorragender Ausbeute (98 %) zu einem Gemisch der (E)-

1130 Anger'. Chem. 103 (1991) 1119-1136

und (2)-Produkte 71 bzw. 72 (Verhaltnis ca. 1 :I), wahrend die Verkniipfung rnit dem Anion des Phosphonats 70 ein niedrigeres E/Z-Verhaltnis (ca. 1 :3) lieferte. Das (2)-Isomer 72 konnte jedoch leicht rnit katalytischen Mengen an Iod zur (,?)-Verbindung 71 isomerisiert werden (Gleichgewichts- gemisch ca. 11 :I). Reines 71 wurde dann rnit dem Vinyl- bromid 27 (siehe Schema 9) unter Pdo/Cu'-Katalyse verkniipft, und nach Desilylierung das Lipoxingrundgeriist 73 in exzellenter Gesamtausbeute (80 YO) erhalten. Diese Ver- bindung wurde zwar im Gemisch rnit dem durch intramole- kulare Umesterung gebildeten &Lacton erhalten (1 :I), jedoch konnte letzteres durch Hydrolyse und Umsetzung rnit Diazomethan in 73 umgewandelt werden. Katalytische Hy- drierung nach Lirzdlur und Hydrolyse fiihrten von 73 zu Li- poxin A, 61. Das isomere all-trans-LXA, 74 wurde durch Hydrierung von 73, gefolgt von Doppelbindungsisomerisie- rung mit Iod und Esterhydrolyse synthetisiert. Auf ahnliche Weise haben wir auch 19,19,20,20,20-Pentadeuterio-LXA4 herge~tellt[~'], urn den quantitativen Nachweis von 61 durch GC-MS-Kopplung zu erleichtern.

Biosynthesestudien mit synthetischem Lipoxinepoxid (siehe Abschnitt 7.5.4) und (15S)-HETE offenbarten die Bil- dung weiterer Verbindungen rnit dem Lipoxingrundgeriist (z. B. Trihydroxytetraene). Um die vollstandige Charakteri- sierung dieser Verbindungen zu erleichtern und sie weiteren biologischen Studien zuganglich zu machen, begannen wir, eine Anzahl der Stereoisomere von Lipoxin A, zu syntheti- ~ieren[ '~] . Diese Zielverbindungen behalten die (1 5S)-Konfi- guration von LXA, bei, unterscheiden sich aber von den urspriinglichen Lipoxinen in der Konfiguration des Tetraen- systems sowie an C-5 und/oder C-6. Der Aufbau dieser neuen Lipoxine basierte auf unserer allgemeinen Strategie zur Synthese h e a r e r Eicosanoide, nach der die absoluten Konfi- gurationen der Stereozentren und der Doppelbindungen vorhersagbar sinti. Wie bereits beschrieben, werden diese Synthesen im wesentlichen von der Pdo/Cu'-katalysierten Kupplungsreaktion zwischen Alkinen mit terminaler Drei- fachbindung und Vinylhalogeniden gekennzeichnet. Auch die asymmetrische Sharpless-Epoxidierung wurde wieder fur den Aufbau der optisch aktiven Diolgruppierungen verwendet. Schema 16 zeigt die synthetisierten Isomere 75-80.

7.5.2. Synthese yon Lipoxin B4 und seinen Stereoisomeren

Nach biogenetischen Uberlegungen und Strukturstudien blieben die Konfiguration an C-8-C-9 und die an C-14 in Lipoxin B, 81 als Kernpunkte der zu losenden stereochemischen Fragen iibrig. Unsere Strategie fur die Totalsynthese dieser Verbindung war daher so angelegt, dal3 diese Parame- ter variiert werden konntenrg4. 951. Schema 17 gibt die ge-

oayrnrnetrische Sharpless-

COOH 01 - I

HO,., 3 4 ' 15 < / - 8 f l \

Selekttve Hydrierung

63

Schema 17. Retrosynthetische Analyse von Lipoxin B, 81

samte retrosynthetische Analyse dieser Zielverbindung und ihrer Isomere wieder. Die Annahme, daR eine (82)- leicht zu einer (89-Doppelbindung isomerisiert werden kann, veran- l a k e uns, zunachst die Synthese der (8Z)-Isomere in Angriff zu nehmen. Ferner wurde erwartet, daR die asymmetrische Epoxidierung nach Sharpless die Flexibilitat bietet, die zur Synthese der erforderlichen Hydroxyverbindungen wie auch ihrer Isomere notwendig ist. Die gewiinschte Konfiguration an C-5 laRt sich durch asymmetrische Reduktion einer Car- bonylfunktion sicherstellen, wahrend die (8q-Konfigura-

O H COOH COOH :

76. 6-epi-11-trans-LXA , 77: 5-ept-6-epi-LXA

HO OH COOH

78: 5-epi-6-epi-1 I-trans-LXA, 79: 7-cis-LXA 80. 7-cis-ll~frans-LXA

Schema 16. Strukturen der synthetisierten Stereoisomere von Lipoxin A, 61.

Durch Vergleiche dieser Verbindungen rnit biologisch ent- standenem Material wurde die komplette Molekiilstruktur eines neuen, natiirlich vorkommenden Lipoxins A,, des 7- cis-1 1 -trans-Lipoxin A, 80, a ~ f g e k l a r t I ~ ~ 1 . Untersuchungen mit diesen Stereoisomeren lieferten auoerdem zusatzliche Belege fur einen hohen Grad an Stereospezifizitat beim Aus- losen biologischer Wirkungen durch Lipoxine.

tion durch selektive Reduktion nach Lindlar erreicht werden sollte. Die Schliisselverkniipfungen, die zum Aufbau des Li- poxin-B-Geriists herangezogen wurden, basierten - wie schon friiher von uns gezeigt - auf Wittig- und Pdo/Cui-Ver- fahren.

Die Synthese von Lipoxin B, und anderen Verbindungen dieser Reihe[94*951 (Schema 18) ging von dem Allylalkohol

Angew. Chem. 103 ( 1 9 9 / ) 11/9-1136 1131

csymme tr ische Sharpless

-Epcxtdierung

84 85

1 PhNC0,py 2 BF,+t20, H,@ 3 NaOMej H,O@

I/v 3. DIBAL-H 4 PCC

8 7 I

86

OSit BuMe, fBuMezSiQ,,c / / = A ' C O O M e OSitBuMe

Br \

8 8 13

1. Pd(PPh,),/CuI nPINH,

2. HF.py

OH COOMe

8 9

COOR

LiOH 90. R = Me - 81. R = H

OH COOR

LtOH 91: R = Me - 92: R = H

Schema 18. Pd"/(:u'-katalysierte Totalsynthese von Lipoxin B, 81 und 8-trans- LXB, 92. PCC = Pyridiniumchlorochromat.

84 aus, der nach asymmetrischer Sharpless-Epoxidierung 85 lieferte, das durch Bildung des Urethans und anschlienende Umlagerung in das Trio1 86 iiberfiihrt wurde. Durch chemische Standardverfahren wurde 86 in den Aldehyd 87 umgewandelt. der rnit dem aus 69 entstehenden Phosphoran unter Bildung des Acetylenderivats 88 und dessen cis-Isomer (Ver-

haltnis ca. 1 :1) kondensiert wurde. Letzteres wurde durch katalytische Mengen Iod zur trans-Verbindung (im Gleich- gewicht trans:cis z 11 :1) isomerisiert. 88 und das Vinylbro- mid 13 wurden dann unter PdO/Cu'-Katalyse verkniipft. Die Behandlung der entstehenden Verbindung rnit HF . py ergab ein Gemisch des LXB-Geriists 89 und des entsprechenden &Lactons (Verhaltnis ca. 2:1), das durch Verseifung und Methylierung rnit Diazomethan leicht in 89 iiberfiihrt wurde. Abschlierjende Lindlar-Hydrierung von 89 lieferte den Lipoxin-B,-Methylester 90, aus dem Lipoxin B, 81 in hoher Ausbeute (90%) erhalten wurde. 90 wurde aurjerdem zum all-trans-Lipoxin-B,-Methylester 91 isomerisiert und dieser zur Carbonsaure 92 (8-trans-LXB4) hydrolysiert.

Wie bereits fur LXA, in Abschnitt 7.5.1 diskutiert, waren diejenigen Isomere von LXB,, in denen die (SS)-Konfigura- tion beibehalten, die Konfigurationen der Doppelbindungen und an den anderen Zentren, die Hydroxygruppen tragen, jedoch variiert werden, weitere interessante Zielmolekiile. Daher wurden, ausgehend vom (@-Isomer des Alkohols 84 und unter Verwendung von (+)- oder (-)-Diethyltartrat, die in Schema 19 gezeigten LXB,-Isomere 9S98 durch Mo- difikationen der allgemeinen MethodeL9'] synthetisiert.

7.5.3. Synthese der Lipoxine A , und B,

Die Isolierung der Lipoxine A, (LXA,, 5,6,15-Tri- hydroxy-7,9,11,13,17-icosapentaensaure) und B, (LXB,, 5,14,15-Trihydroxy-6,8,10,12,17-icosapentaensaure) durch Wong et a1.I' 281 veranlarjte uns, eine stereokontrollierte To- talsynthese der vermuteten Isomere (in Analogie zu der von LXA, und LXB,) zu entwerfen und durchzufiihren. Die an- gestrebten Isomere waren (5S,6R,lSS)-Trihydroxy- (7E,9E,11 Z,13E,17Z)icosapentaensaure und (5x1 4R,15S)- Trihydroxy-(6E,8Z, 1 OE, 12 E, 1 7Z)icosapentaensaure.

Die Synthesesequenzen basierten auch hier auf der Pdo/ C ~ ' - M e t h o d e [ ~ ~ ] . In Schema 20 ist die Synthese von LXA,, ausgehend von dem leicht zuganglichen (R)-Epoxyalkohol 99, zusammengefarjt. Die Umsetzung von 1 -Lithiobutin rnit 99 in Gegenwart von TMEDA, nachfolgende Lindlar-Hy- drierung, Silylierung und Abspaltung der THP-Schutzgrup- pe lieferte das cis-Olefin 100 in hoher Gesamtausbeute (65 %). Oxidation von 100 und anschlierjende Reaktion mit CrClJ

fiihrte zum Vinyliodid 101. Die Verkniipfung von 101 rnit dem Acetylenderivat 71 (siehe Schema 15) unter Pdo/Cu'-Katalyse ergab nach Behandlung rnit H F . py ein Gemisch aus dem 1 1 ,12-Didehydrolipoxin-A,-Methylester 102 und dem entsprechenden &Lacton. Letzteres wurde durch Reaktion rnit Methanol und Triethylamin in 102 iiberfiihrt.

OH OH OH OH OH COOH COOH

93 14 epi-LXB, 94 14-epi 8 trans-LXB, 95 14 ept- 15-ept-LXB4

OH OH OH

COOH

96. 14-epi- 1 5-ept-8-frans-LXB4 97: ~-CIS-LXB, 98: 6-cis-8-frans-LXB,

Schema 19. Strukturen der synthetisierten Stereoisomere von Lipoxin B, 81

1132 Angew. Chem. 103 (1991) 1119-1136

tBuMe,SiQ

99 3.fBuMe2SiCI/ lmidazol 100 4 . Me,AICI

C' 71 101

1. Pd(PPh,), / Cul nPrNH,

2 HF.py

HO OH COOMe

1 l,,Lindla?/ H2

HO OH COOR

LiOH 103: R := Me - 104: R = H r-

Lk LiOH 105: R ii Me - 106: R = H

Schema 20 Pdo/Cu'-katalysierte Totalsynthese von Lipoxin A, 104 und 11- trans-LXA, 106.

Selektive Hydrierung von 102 unter Lindlar-Katalyse ergab den Lipoxin-A,-Methylester 103 sowie geringe Mengen des 11 -trans-Isomers 105. Verbindung 103 isomerisierte bei Raumtemperatur langsam zum trans-Isomer 105, ein Vor- gang, der durch katalytische Mengen an Iod beschleunigt wurde. Alkalische Hydrolyse von 103 und 105 fiihrte zu Li- poxin A, 104 bzw. dessen 11-trans-Isomer 106.

Die Synthese von Lipoxin B, 114[931 (Schema 21) verwen- dete als leicht zugiingliche Ausgangsmaterialien das Epoxid 107, das Phosphonat 70 und das Vinylbromid 13. Die Um- setzungen verliefen groBtenteils analog den fur LXA, und LXB, beschriebenen mit folgenden drei Schliisselreaktio- nen: Epoxidoffnung von 107 rnit 108, Kondensation des Phosphonats 70 mit 109 und Pd'/Cu'-katalysierte Verkniip- fung von 110 (oder 111) rnit 13 zur Verbindung 112. Der Ester 113 und daraus LXB, 114 wurden wie iiblich erhalten. Das entsprechende 8-trans-LXB5 116 wurde ebenfalls aus 113 durch Isomerisierung und alkalische Hydrolyse iiber 115 hergestellt.

7.5.4. Synthese des 5,6-Epoxytetraens, der Biosynthese- vorstufe von Lipoxin A, und B,, und seines 5,6-Methanoanalogons

Die These, da13 (1 SS)-Hydroxy-(SS,6S)-epoxy-(7E,9E, IlZ,13E)icosatetraensaure eine Vorstufe der Lipoxine A,

& i f BuMe, 3 03, PPh3

1 07 4 ,Lindlar HZ L

109

1 3 Fa L 110 R = SifBuMe, 111 R = H

112 L/--..

l,,Lindlar"/ H2

OH COOR

LiOH 113' R = Me - 114, R = H

OH COOR

HO"' LiOH

115:R=Me - 116:R=H

Schema 21. Pdo/Cul-katalysierte Totalsynthese von Lipoxin B, 114 und 8- trans-LXB, 116.

und B, ist, machten diese Verbindung (siehe Schema 2) als Syntheseziel interessant. Schema 22 gibt die Synthese von 122, dem Methylester dieses Epoxids, in enantiomerenreiner Form ~ i e d e r [ ' ~ ] . Die Pdo/Cu'-katalysierte Kupplung des Vi- nylbromids 27 (siehe Schema 9) rnit dem u-Alkinol68 verlief glatt und ergab nach Bromierung und Phosphonatbildung die Schliisselverbindung 117. Kondensation des Lithioderi- vats von 117 mit dern Aldehyd 118 lieferte die (7E)- und (7Z)-Isomere des Produkts als 3:l-Gemisch, das durch Be- handlung rnit katalytischen Mengen an Iod in ein 9:l-Ge- misch iiberfiihrt wurde. Die bei der Reduktion der C=C- Gruppe dieses Produkts auftretenden Schwierigkeiten erforderten einen Austausch der Silylschutzgruppe gegen einen Acetylrest zur Verbindung 120. Die Umsetzung von gereinig- tem 120 zur Zielverbindung 122 gelang durch Lindlar-Hy- drierung in Gegenwart von Chinolin und nachfolgende Des- acetylierung. Andere Arbeitskreise haben ebenfalls iiber Synthesen von 122 berichtetr3', 431. Dieses labile Epoxid kann rnit Spuren von Triethylamin in Benzol bei - 40°C mehrere Tage aufbewahrt werden, so daB es direkt fur bioge- netische Untersuchungen eingesetzt werden konnte. Dabei wurde tatsachlich nachgewiesen[261, daB diese Verbindung als Vorstufe fur enzymatisch gebildetes LXA, und LXB, dienen kann.

Angew. Chem. 103 (199.') If19 - 1136 1133

Um die enzymatische Umwandlung von 122 selektiv zu hemmen, wie wires bereits friiher fur Leukotrien A, gezeigt hatten1'291, war das Methanoanalogon 123 (Schema 22), das anstelle der labilen Epoxid- eine stabile Cyclopropylgruppe enthalt, ebenfalls unser Syntheseziel. Diese Verbindung wurde auf ahnlichem Weg aus dem enantiomerenreinen Aldehyd 119 iiber die Zwischenstufe 121 hergestellt (Schema 22)['01.

- Ott

6 8

1 Pd(PPh,), I Cul , EtzNH 2 CBr, I PPh, 3 (MeO),P, 130 OC

O L C O O M e

1 OSil BuMe,

7 f(OMc),

L-. 0 117

118 X = O 119 x = CI-12

: LDA 2 I? 13 Fa

4 Ac,O/ DMAP

AcZ) ' x .\ - COOMe

120. x = 0 121: X = CH2

1 .,,Lindla?/ H, Chinolin

2. K2C03, MeOH

X .' - COOMe

I 1 2 2 . X = O 123: X = CHz

Schema 22. Pd'/Cu'-katalysierte Totalsynthese des Lipoxinepoxid-Methyl- esters 122 und seines 5,6-Methanoanalogons 123. DMAP = Dimethyl- aminopyridin.

8. Zusammenfassung und Ausblick

Die Untersuchungen iiber die Hauptwirkungen von Li- poxygenasen auf Arachidonsaure fiihrten zur Entdeckung der Lipoxine, einer neuen Klasse biologisch aktiver Eicosa- noide. Der erste Schritt zu diesen Trihydroxytetraendenva- ten ist die Lipoxygenierung an C-I 5 oder an C-5. Die Verbin- dungen treten in zwei unterschiedlichen Substitutionsmu- stern auf, die Lipoxine A bzw. Lipoxine B genannt werden. Es stellte sich heraus, daB viele Zelltypen und Enzymsysteme diese Biomolekiile produzieren. Die vollstandige stereoche- mische Charakterisierung der auf natiirlichem Weg entstan- denen Lipoxine gelang durch Vergleiche mit synthetisch her- gestelltem Material.

Um alle erforderlichen Verbindungen isomerenrein zu erhalten, wurde eine allgemeine Synthesestrategie entwickelt, deren Schliisselschritt die Pdo/Cu'-katalysierte Verkniipfung von Vinylhalogeniden mit Acetylenderivaten ist. Nachfol-

gende Lindlar-Hydrierung liefert das ungewohnliche (&a- Diensystem, das einer Vielzahl acyclischer Eicosanoide gemeinsam ist. Da der labile (a-Olefin-Teil erst im Endsta- dium der Synthese unter neutralen Bedingungen gebildet wird, wurde es moglich, die gewiinschten konjugierten Dien- systeme dieser saure- und baseempfindlichen Molekiile nicht nur zu erzeugen, sondern auch zu erhalten. Eine Alternativ- strategie iiber die PdO/Tl'-katalysierte Kupplung von Vinyl- boranen und Vinylhalogeniden liefert direkt das konjugierte System.

Die Leistungsfahigkeit dieses Verfahrens zeigten wir nicht nur mit der Synthese von Lipoxinen und vielen ihrer Isome- re, sondern auch mit der von mehreren natiirlichen und nichtnatiirlichen Hydroxy- (HETE) und Dihydroxyderiva- ten (DiHETE) einschliealich Leukotrien B,. Weitere An- wendungen dieser Methode zur Synthese anderer acyclischer Eicosanoidsysteme, einschlieBlich einer groBen Zahl von Strukturanaloga fur biologische Beurteilungen, sind vor- stellbar.

Die Entdeckung der Lipoxine und die Verfiigbarkeit einer Vielzahl synthetischer Materialien fiihrten zu umfassenden Untersuchungen iiber Biosynthese und biologische Wirkun- gen dieser Verbindungen. Das Fehlen aller erforderlichen Enzyme in einigen Zelltypen weist auf eine Beteiligung von Zell-Zell-Wechselwirkungen hin. Weitere Arbeiten auf diesem Gebiet haben einige auffallende biologische Wirkungen dieser Lipoxine aufgedeckt, die auf eine regulatorische Rolle bei der Biosynthese und der Wirkung anderer Eicosanoide, einschlieBlich der Leukotriene und Cyclooxygenaseproduk- te, schlieBen lassen. So sind Lipoxine moglicherweise an Zell- reaktionen, die im Verlauf von Entzundungen und anderen immunologisch verwandten Prozessen auftreten, beteiligt. Diese neuen, von Arachidonsaure abstammenden Metaboli- ten sind damit zugleich ein weiteres selbstregulierendes Ele- ment der bemerkenswerten Eicosanoidkaskade.

Herrn Professor B. Samuelsson und unseren vielen Mitar- beitern an diesem Projekt, deren Namen in den Literaturanga- ben enthalten sind, danken wir fur ihre wertvollen Beitrage. Die finanzielle Unterstiitzung dieser Arbeit durch die National Institutes of Health, die Firmen Merck Sharp & Dohme und Smith Kline & French sowie die Camille & Henry Dreyfus Foundation ( K . C. N . ) , das PEW Scholar Program in the Biomedical Sciences und der American Heart Association ( C . N . S . ) wird dankbar anerkannt.

Eingegangen am 2. August 1990 [A 8321 Ubersetzt von Dr. Kuthrin-Mario Roy, Langenfeld

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Lipoxine und verwandte Eicosanoide: Biosynthese, biologische Eigenschaften und chemische Synthese