「流動」化學家開創自動化未來 ,以機械製造藥物
公佈於2022年03月09日

化學家在很多人心目中的形象都是戴著護目鏡、搖著圓底燒瓶的科學家。不過,傅偉聰博士(2018年裘槎博士後研究獎學金得主)和他研究嶄新自動化機械科技的化學實驗室卻不大一樣。

傅博士正在利用自動化機械科技來探索及改善藥物的合成方法,並使其中一款能治療多種癌症的抗癌藥透過機械自動生產,令過程更有效及降低成本;同時,他亦研究如何利用溫室氣體來製造藥物。

流動化學是發展迅速的嶄新化學領域。傅博士現正在香港理工大學擔任研究助理教授,並主要研究如何利用及改進流動化學。傳統的化學合成工序繁複,化學家們需要利用人手操作每一個工序的化學反應及有關步驟,例如合成物的提純及鑑定,這些依賴人手操作的製造過程非常耗時,而且容易出現人為錯誤。

相反,流動化學的目的是用機械使試劑流過一系列溫度受控的通道或管道,來促成化學反應。這個過程完全自動化,比人手操作的化學反應可重複性更高,而且出現錯率低。

賴於狹窄的通道和高表面積-體積比,在系統中不斷流動的試劑能夠被有效地混合和加熱,並且不會像傳統方法般受參差的混合效率所限制,能夠更快、更容易地提高製造規模。此外,流動化學系統亦能有效地控制有毒及危險化學品的化學反應,較傳統合成安全。

傅博士於2018年在香港理工大學取得博士學位及裘槎博士後研究獎學金,獲資助到美國麻省理工學院Timothy F. Jamison教授的實驗室進行博士後研究,開始鑽研流動化學。

在香港理工大學攻讀博士期間,他協助同獲裘槎獎學金的鄺福兒教授(2000年裘槎博士後研究獎學金及2013年高級研究獎學金得主),進行有關鈀催化劑的論文研究。

鈀是能夠催化形成化學鍵的一種金屬化學元素,常被製藥公司用於小分子藥物合成。但是,某些分子的化學合成反應仍然難以達成,因此傅博士設計及開發了新的鈀催化劑以促進這些化學反應,有助為藥物生產提供更好的合成方法。

傅博士在美國應用流動化學改善了伊馬替尼(imatinib)的合成過程。伊馬替尼其中一個為人熟識的商業名稱是格列衛(Gleevec®),為治療多種癌症的標靶藥物。伊馬替尼的傳統合成方法需要至少六個步驟,整個過程長達五十多個小時,而傅博士利用流動化學設計的新合成流程只需要三個步驟,並且實現過程全自動化。

傅博士因此能夠在五十分鐘內合成伊馬替尼,大大減少了人力、能源成本、廢物製造及出錯機會,他的研究使製藥公司有望能夠更有效地大量生產藥物,從而大幅降低治療成本。傅博士與Jamison教授一同在2019年於《有機化學通訊》(Organic Letters)發表有關研究成果。他們的論文其後被合成有機化學權威期刊《Synfacts》引用。

傅博士其後又進行另一項大膽的創新研究——利用溫室氣體製作藥物原料。

他的研究焦點為氯二氟甲烷(HCFC-22)。HCFC-22曾經是一種常用於冷氣機的雪種氣體,但由於會為臭氧層帶來破壞性影響,現已被大部分已發展國家禁止使用。傅博士想知道他能否利用現已毫無用處且製作成本非常低廉的HCFC-22,提取可用於藥物合成的試劑。氫氟氯碳化物(HCFCs)是一種含有氟原子的溫室氣體,而氟原子是合成藥物的珍貴資源。

流動化學尤其適合這個研究,原因是利用氣體進行傳統的化學反應非常困難,並且需要使用低效能及危險的高壓釜。相反,把氣體直接引入流動化學的微型反應器是比較簡單、安全、及有效率的做法。以往不可能的化學反應條件,都可以因流動化學技術而變得可能。

傅博士開發了新的有機化學反應,並建造了全自動化的流動化學系統,以從HCFC-22中提取氟原子。現時市面上有超過20%的藥物分子含有氟原子,因為這個化學元素具有增加藥物穩定性、生物利用度或穿透細胞膜的能力。由此可見,從廢棄物中提取珍貴的氟原子是傅博士以流動化學科技達成的科研成果。

傅博士又與Jamison教授一同在2020年年中於《應用化學》期刊(Angewandte Chemie International Edition)發表研究成果。他們的研究同樣被《Synfacts》引用,並獲選為當月的「Synfact傑出研究」(“Synfact of the Month”)。

在香港土生土長的傅博士當初是怎樣對化學產生興趣?原來是他的高中老師施宇昕老師令他對化學著迷,傅博士回憶道:「他非常熱愛教學。這是我想當教授的其中一個原因。」

他隨後到香港浸會大學修讀化學,主要研究利用DNA探針偵測蛋白質及金屬離子。傅博士在修讀學士課程的時候,就發表了七份科學文章,成績驕人。

傅博士目前在香港理工大學設立的新實驗室,希望能夠結合他過往研究鈀催化劑、有機合成及流動化學的經驗,去開創新一代的藥物合成方法。他尤其希望鑽研利用流動化學工序,從三氟甲烷、六氟化硫及二氧化碳等其他溫室氣體提取有用的試劑,並透過他的創新科技,為溫室氣體帶來新的價值。

傅博士說:「我期望我們的科技最終能夠應用於循環再用溫室氣體的設備。流動化學系統能夠隨時擴大規模、即時啟用,而且所需耗材較少,沒有化學背景的人都能夠操作這些由電腦控制的系統,非常切合我們的研究目標。」

傅偉聰博士於2020年加入香港理工大學,出任應用生物及化學科技學系研究助理教授。他先後於2013年及2018年在香港浸會大學及香港理工大學取得化學理學士學位及哲學博士學位,其後到美國麻省理工學院修讀博士後課程。他於2017年被美國化學學會(American Chemical Society)旗下的化學文摘社(Chemical Abstracts Services)獲選為SciFinder未來領袖。他於2018年取得裘槎博士後研究獎學金。

延伸閱讀:

  1. 傅博士的個人專頁(裘槎基金會):https://scholars.croucher.org.hk/scholars/wai-chung-fu
  2. 傅博士的個人專頁(香港理工大學):https://www.polyu.edu.hk/abct/people/academic-staff/dr-fu-wai-chung/
  3. 傅博士於2019年在《有機化學通訊》發表的學術論文(只提供英文版本): https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.9b02259
  4. 傅博士於2020年在《應用化學》發表的學術論文(只提供英文版本): https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202004260