Ингибитор 4-гидроксифенилпируватдиоксигеназы

4-гидроксифенилпируватдиоксигеназы ( ГФПД ) Ингибиторы ( ингибиторы HPPD ) представляют собой класс гербицидов , которые предотвращают рост растений путем блокирования 4-гидроксифенилпируватдиоксигеназы , фермента в растениях, который расщепляет аминокислоту тирозин на молекулы, которые затем используются растениями для создания другие молекулы, необходимые растениям. Этот процесс распада, или катаболизма , и создание в результате новых молекул, или биосинтеза , происходит со всеми живыми существами. Ингибиторы HPPD впервые появились на рынке в 1980 году, хотя механизм их действия не был понятен до конца 1990-х годов. Первоначально они использовались в основном в Японии при производстве риса, но с конца 1990-х годов их стали использовать в Европе и Северной Америке для выращивания кукурузы, соевых бобов и зерновых, а с 2000-х годов они стали более важными, поскольку сорняки стали устойчивы к глифосату и другим гербицидам. . генетически модифицированные культуры , обладающие устойчивостью к ингибиторам HPPD. В настоящее время разрабатываются имеется фармацевтический препарат На рынке нитизинон , который изначально разрабатывался как гербицид этого класса и используется для лечения орфанного заболевания , тирозинемии I типа .

Ингибиторы HPPD можно разделить на три фундаментальные химические структуры : пиразолоны, трикетоны и дикетонитрилы. Класс трикетонов основан на химическом веществе, которое некоторые растения производят в целях самообороны, под названием лептоспермон ; Класс был разработан учеными компании, которая со временем стала частью Syngenta . Bayer CropScience также активно занимается разработкой новых ингибиторов HPPD.

Механизм действия

Механизм действия ингибиторов HPPD был неправильно понят в течение первых двадцати лет продажи этих продуктов, начиная с 1980 года. Первоначально считалось, что они являются ингибиторами протопорфириногеноксидазы ( протокса).

4-Гидроксифенилпируватдиоксигеназа (HPPD) — это фермент, как у растений, так и у животных, который катализирует катаболизм аминокислоты обнаруженный тирозина . Предотвращение распада тирозина имеет три негативных последствия: избыток тирозина останавливает рост; растение страдает от окислительного повреждения из-за недостатка токоферолов (витамина Е); и хлорофилл разрушается из-за отсутствия каротиноидов , которые его защищают. Растения белеют без деформации из-за полной потери хлорофилла, что привело к тому, что соединения этого класса были классифицированы как «отбеливающие гербициды», как и ингибиторы протокса.

Более конкретно, ингибирование HPPD предотвращает образование продукта распада, гомогентизиновой кислоты , которая, в свою очередь, является ключевым предшественником для биосинтеза как токоферолов, так и пластохинона . Пластохинон, в свою очередь, является важнейшим сопутствующим фактором в образовании каротиноидов , которые защищают хлорофилл в растениях от разрушения солнечным светом.

Этот класс гербицидов представляет собой одно из последних открытий нового механизма действия гербицидов в волне открытий, завершившейся в конце 1990-х годов.

Устойчивость сорняков

По состоянию на 2011 год было известно об очень незначительной устойчивости : в 2010 году у водяной конопли ( Amaranthus Tuberculatus ) в двух разных местах — Айове и Иллинойсе — развилась устойчивость.

Продукция и экономика

По состоянию на 2009 год ингибиторы HPPD имели три фундаментальные химические структуры :

• пиразолоны : пиразолат (Sanbird, представлен Sankyo, 1980); пиразоксифен (Paicer, представлен Исихарой, 1985); бензофенап (Yukawide, представленный Mitsubishi Chemical Corp и Rhône-Poulenc Agro, 1987 г., с 2009 г. продаваемый Bayer CropScience как Taipan); пирасульфотол (Huskie and Infinity, представленный Bayer CropScience, 2007); и топрамезон (Clio и Impact, представленные BASF, 2006 г.)
• трикетоны : сулкотрион (Микадо, представленный Zeneca в 1990 г. и с 2009 г. продаваемый Bayer CropScience)); мезотрион (Callisto и Lumax, представленные Zeneca в 2002 г. и с 2009 г. продаваемые Syngenta); бензобициклон (ShowAce, представленный SDS Biotech и Sandoz Crop Protection (теперь Syngenta), 2001 г.); темботрион (Laudis, представленный Bayer CropScience, 2007 г.)
• дикетонитрилы : изоксафлутол (также известный как IFT) (Balance и Merlin, представленные компанией Rhône-Poulenc Agro, 1996 г. и с 2009 г. продаваемые Bayer CropScience)

Сельскохозяйственное использование

Пиразолат, пиразоксифен и бензофенап впервые поступили в продажу на японском рынке риса, начиная с 1980 года, но стали менее важными, когда были представлены гербициды сульфонилмочевины . В 1990 году сулкотрион был представлен для послевсходовой борьбы с сорняками на кукурузе. Изоксафлутол открыл более широкий рынок для ингибиторов HPPD, когда он был представлен в 1996 году для кукурузы и сахарного тростника, а также для использования в качестве довсходового гербицида, который мог контролировать широколиственные сорняки , как и сулькотрион, а также другие травяные сорняки. Бензобициклон был введен в 2001 году для борьбы с широколиственными сорняками и некоторыми осоками , вызывающими проблемы у риса, которые стали устойчивыми к гербицидам сульфонилмочевины. Мезотрион был представлен в 2002 году и, как и сулкотрион, является трикетоном, поэтому он эффективен против одних и тех же сорняков и культур, но более эффективен, что делает его более полезным в смесях с другими гербицидами - важным фактором для полной борьбы с сорняками и предотвращения развития сопротивление. Он стал самым продаваемым представителем класса HPPD.

Топрамезон был введен в 2006 году для кукурузы и сои и является наиболее мощным ингибитором HPPD, но имеет серьезные проблемы с переносом, особенно для соевых бобов в США, где минимальное время от применения до посева составляет 18 месяцев. Темботрион был введен в 2007 году для кукурузы и действует против основных видов трав и, что немаловажно, убивает широколиственные сорняки, в том числе сорняки, устойчивые к глифосату, АЛС и дикамбе. При использовании с защитными средствами ограничений по севообороту нет. Пирасульфотол был также введен в 2007 году для зерновых в Северной Америке и стал первым новым классом гербицидов для зерновых за многие годы, а также важным достижением в борьбе с сорняками, которые стали устойчивыми к существующим гербицидам. Он остается активным в почве в течение вегетационного периода, а при использовании с защитными средствами не повреждает посевы и не имеет ограничений по севообороту.

Риски и токсичность гербицидов

Темботрион обладает низкой острой токсичностью при пероральном, кожном и ингаляционном путях воздействия (категория токсичности III или IV). Это кожный сенсибилизатор, но не раздражитель глаз или кожи.

Генетически модифицированные культуры

Чтобы справиться с растущей устойчивостью к существующим гербицидам, Bayer CropScience разрабатывает различные генетически модифицированные культуры, устойчивые к ингибиторам HPPD: в одной версии культуры устойчивы как к ингибиторам HPPD, так и к глифосату , а в сотрудничестве с Syngenta — культуры, устойчивые к HPPD. ингибиторы и глюфосинат .

О сотрудничестве по разработке продуктов, устойчивых к ингибиторам HPPD и глифосату, было впервые объявлено в 2007 году.

Медицинское использование

При тирозинемии I типа другой фермент, участвующий в расщеплении тирозина, фумарилацетоацетатгидролаза , мутирует и не работает, что приводит к накоплению в организме очень вредных продуктов. Фумарилацетоацетатгидролаза действует на тирозин после HPPD, поэтому ученые, работающие над созданием этих ингибиторов, предположили, что ингибирование HPPD и контроль тирозина в рационе могут лечить это заболевание. Была предпринята серия небольших клинических испытаний с одним из их соединений, нитизиноном , и они оказались успешными, что привело к тому, что нитизинон был выведен на рынок как орфанный препарат .

История открытия трикетонового класса ингибиторов HPPD

Происхождение семейства трикетоновых ингибиторов HPPD началось с любопытства биолога по поводу аллелопатической борьбы с сорняками на заднем дворе его дома. Это любопытство привело к открытию и разработке гербицидов класса трикетонов. Исследование механизма действия этого класса соединений привело к открытию, что его можно использовать для лечения пациентов с тирозинемией 1 типа, лечение, которое, как говорят, «преобразует естественную историю тирозинемии».

Все гербицидные и фармацевтические трикетоновые ингибиторы HPPD, включая мезотрион (Каллисто)( I ), сулкотрион (Микадо)( II ) и нитизинон (Орфадин)( III ) Их общее происхождение связано с наблюдением Рида Грея, биолога из Западного исследовательского центра Stauffer Chemical (WRC) в Калифорнии, в 1977 году, что под растениями бутылочной щетки ( Callistemon citrinus ) на заднем дворе его дома появилось мало сорняков.

я

II

III

Чтобы исследовать этот эффект, он взял почву из-под этих растений, извлек ее и фракционировал. Полученные экстракты были внесены в почву, содержащую водяную траву ( Echinochloa crus-galli ) в качестве индикаторного вида, при очень высокой норме внесения – 100 фунтов на акр (112 кг/га). Этот тест имел гербицидный эффект, поэтому экстракты проявляли на препаративном тонкослойном хроматографическом листе. те же семена Echinochloa crus-galli На этот лист помещали и проращивали . Активный ингредиент был идентифицирован по симптомам обесцвечивания у тестируемых видов.

Участок, где наблюдалась гербицидная активность, был выделен, и он передал выделенный активный ингредиент Кену Ченгу в Западный исследовательский центр, который с помощью протонного ЯМР , ИК и масс-спектрометрии определил структуру как структуру лептоспермона ( IV ), который был известным натуральный продукт он был получен из летучих паром масел некоторых австралийских растений, но никогда не упоминался как обладающий какой-либо биологической активностью.

IV

Он обратился к химику Рону Русаю из Западного исследовательского центра, который самостоятельно синтезировал это соединение и отправил его на дальнейшие испытания в теплице. Эти испытания показали, что он обладает умеренной гербицидной активностью против травяных сорняков при очень высокой норме внесения - 100 фунтов на акр (112 кг/га). Он подготовил ряд аналогов, в которых была модифицирована алканоильная группа, и на эту серию соединений был получен патент. Эти соединения имели сходную, слабую гербицидную активность, аналогичную той, которая была обнаружена у ведущего соединения. Из-за слабой гербицидной активности работы по другим аналогам не проводились.

Вскоре после этого другой химик WRC, Билл Майкли, синтезировал ароилтрикетон ( V ) в качестве неожиданного побочного продукта при попытке синтезировать сетоксидим ( VI ). аналог.

V

МЫ

Хотя это соединение не обладало какой-либо гербицидной активностью, оно проявляло активность при скрининге, предназначенном для выявления антидотной активности по отношению к другим гербицидам. При попытке оптимизации антидотной активности было получено несколько арилзамещенных аналогов. Было обнаружено, что соединения с орто- заместителем обладают гербицидной активностью, но не обладают антидотной активностью. Это наблюдение в сочетании со знанием гербицидной активности более ранних аналогов лептоспермона сыграло решающую роль в формулировании идеи потенциального токсофора для этого класса гербицидов.

Небольшая рабочая группа, состоящая из Дэвида Ли, Билла Майкли и Дона Джеймса, подготовила ряд замещенных трикетонов с хлор-, бром- и метил-заместителями в орто -положении. Биологическая активность оставалась скромной, и через некоторое время оперативная группа была расформирована.

Одна из рабочих гипотез заключалась в том, что активным ингредиентом этих трикетонов были циклизованные тетрагидроксантеноны ( VII ). Билл Майкли подготовил несколько таких гербицидов, но гербицидная активность оставалась умеренной, и все работы в этом районе были прекращены. Только после того, как Дэвид Ли смог показать, что эти соединения находятся в равновесии с 2-гидрокситрикетонами ( VIII ), улавливая промежуточное соединение йодистым метилом , причина биологической активности была понята.

VII

VIII

Дэвид Ли имел большой опыт в области количественных отношений структура-активность (QSAR) после года работы над докторской диссертацией у профессоров Манфреда Вольфа и Питера Коллмана, где он использовал систему Пророка . Просматривая QSAR ( количественные отношения структура-активность ) трикетонов, Дэвид Ли увидел потенциальное несоответствие в существующем анализе структура-активность. За исключением схемы замещения 2-хлор-4-нитро, никаких других трикетонов с электроноакцепторными заместителями в положении 4 никогда не было получено. Он предположил, что активность трикетонов может коррелировать с электроноакцепторной способностью заместителей. Активность аналога 2-хлор-4-нитро была резкой, и было высказано предположение, что, возможно, нитрогруппа восстанавливалась in vivo . Затем для проверки этой гипотезы была получена 4-метилсульфонильная группа, и был приготовлен коммерческий гербицид Микадо ( II ). Перспектива улучшения биологической активности с помощью новых моделей ароматического замещения полностью возобновила работу над трикетонами.

Ключевым открытием в получении этих соединений стало открытие Джима Хизера из группы WRC Process Development, что ацетонциангидрин является хорошим катализатором для получения аналогов о-хлора. Использование этого катализатора впервые позволило получить о-нитротрикетоны.

В этот момент были начаты очень большие усилия по синтезу аналогов под руководством Дэвида Ли. Ключевыми химиками, участвовавшими в этом, были Чарльз Картер, Билл Майкли, Сяо-Лин Чин, Нхан Нгуен и Крис Кнудсен, хотя в свое время над этим проектом работали почти все химики-синтетики в WRC. За относительно короткое время был достигнут значительный прогресс в оптимизации некоторых комбинаций замен. SC-0051 (сулкотрион) был синтезирован и испытан в сентябре – октябре 1983 г., а SC-1296 (мезотрион) и SC-0735 (нитизинон) были синтезированы и испытаны в начале 1984 г. В 1985 г. трикетоны проходили широкомасштабные университетские полевые испытания. . Первый патент на трикетон был опубликован в 1986 году.

Имеет многолетний опыт работы с отбеливающими гербицидами, ингибирующими фитоендесатуразу. включая коммерческий гербицид фторхлоридон ( IX ), был некоторый интерес обнаружить, что эти соединения не ингибируют фитоендесатуразу in vitro . Тот факт, что ингибиторы фитоендесатуразы обычно имеют высокий log P , тогда как трикетоны его не имеют, дополнительно указывает на другой механизм действия.

IX

Ранее были некоторые токсикологические опасения по поводу поражений роговицы и лап, которые наблюдались у крыс, которым неоднократно вводили трикетон. Несколько химиков и токсикологов наткнулись на статью описывают очень похожие поражения глаз, но не кожи, при применении ингибиторов тирозингидроксилазы . Линда Муттер из отдела токсикологии WRC провела точечный тест на тирозин в моче обработанных крыс и получила положительные результаты. Анализ тирозина в плазме дополнительно подтвердил накопление тирозина у обработанных крыс.

Работа над механизмом действия и токсикологией трикетонов приобрела более широкий спектр взаимодействий, когда компания Stauffer Chemical была приобретена ICI в июне 1987 года. Затем ICI отделила фармацевтический и агрохимический бизнес под названием Zeneca, а затем в 2000 году в результате слияния была образована компания Syngenta. компаний Novartis Agribusiness и Zeneca Agrochemicals.

В рамках токсикологических исследований Мартин Эллис из Центральной токсикологической лаборатории ICI выявил ингибирование трикетонами катаболизма тирозина в печени крыс, а также обнаружил, что тирозингидроксилазу . трикетоны не ингибируют Кроме того, он обнаружил, что в моче крыс, обработанных III, наблюдались повышенные уровни как п -гидроксифенилпирувата, так и п -гидроксифенилмолочной кислоты. Эти результаты позволили предположить, что была п- гидроксифенилпируватдиоксигеназа (ГППД) , и этот факт был подтвержден С. Линдстедтом. ферментом ингибируемым Дальнейшие тесты установили, что HPPD является ферментом, ингибируемым как у растений, так и у млекопитающих.

Дальнейшее чтение

• Джала, Амит Дж.; Кумар, Випан; Ядав, Рамаватар; и др. (2023). «Гербициды, ингибирующие 4-гидроксифенилпируватдиоксигеназу (HPPD): прошлое, настоящее и будущее» . Технология сорняков . 37 : 1–14. дои : 10.1017/wet.2022.79 .