木香藥材活性成分及其結(jié)構(gòu)修飾研究進(jìn)展

錢 偉，徐 溢*，王昌瑞，穆小靜，張起輝，張子春

重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400030

菊科植物木香(Saussurea costus(Falc.)Lipech)，原產(chǎn)于印度，后由云南移植栽培，故又稱云木香，現(xiàn)今主要分布在四川、云南、西藏、湖南、湖北等地。木香以根莖入藥，有健胃消脹、調(diào)氣解郁、止痛安胎作用。中醫(yī)常用其治療脘腹脹痛、胸肋脹滿、嘔吐、腹痛和腹瀉、痢疾后重等癥，具有行氣止痛、健脾消食的功效［1，2］。木香的揮發(fā)油主要含有一些倍半萜內(nèi)酯類成分，而藥材中具有抗腫瘤、抗菌、抗?jié)兊茸饔玫闹饕煞质悄鞠阆﹥?nèi)酯與去氫木香內(nèi)酯。為了得到藥效更高，適合臨床運用的藥物，現(xiàn)在對木香烯內(nèi)酯與去氫木香內(nèi)酯的衍生、結(jié)構(gòu)修飾的研究也逐漸增加。本文將對這方面的研究工作進(jìn)行分析和綜述。

1 木香的化學(xué)成分

目前為止，歸納現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的木香的化學(xué)組分，已經(jīng)在木香中發(fā)現(xiàn)了萜類、黃酮、生物堿、甾體、糖、脂肪酸，還有氨基酸和脂肪［2-12］。單萜化合物主要有莰烯、水芹烯、α-和β-紫羅蘭酮、丁香烯、松香烯等化合物［2］。

萜類化合物含量最為豐富，尤其是其中的倍半萜內(nèi)酯如去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯含量較高，為木香的主要活性化合物。倍半萜類化合物又可以分為愈創(chuàng)木烷(guaiane)、桉葉烷(eudesmane)、吉馬烷(germacrane)型等結(jié)構(gòu)。愈創(chuàng)木型化合物:去氫木香內(nèi)酯(圖 1)、異中美菊素、zaluzanin C、11β，13-dihydro-3-epizaluzanin、lappalone［3］、isodehydrocostuslactone［4］、saussureamines B 和 C［5］等化合物。桉葉烷型 化 合 物:11β，13-dihydroreynosin、1β，6α-dihydroxycostic acid ethylester、reynosin、4α-hydroxy-4βmethyldihydrocostol、colartin［3］、saussureal、4-β-methoxydehydrocostuslactone、isodehydrocostuslactone-15-aldehyde［4］、 13-sulfo-dihydroreynosin、 13-sulfo-dihydrosantamarine［6］等化合物。吉馬烷型化合物包括:木香烯內(nèi)酯(圖 1)、dihydrocostunolide、saussureamine A、costunolide-15-O-β-D-glucopyranoside［5，7，8］等。還有其他倍半萜類化合物如β-elemene、elemol、elemenal、elema-1，3，11(13)-trien-12-ol、葎草烯、環(huán)氧石竹烯、石竹烯、雪松烯［2］、10α-hydroxyl-artemisinic acid［9］等。

圖1 去氫木香內(nèi)酯(1)和木香烯內(nèi)酯(2)的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of dehydrocostus lactone(1)and cost unolide(2)

植物甾醇化合物主要有3-epi-lappasterol、lappalanasterol［10］、β-sitosterol、daucosterol、pregnenolone［11］等。

其他化合物有1-hydroxypinoresinol-1-β-D-glucopyranoside、3β-acetoxy-9(11)-baccharene 等三萜化合物，還有一些如 3-(3R-acetoxy-5，5-dimethylcyclopent-1-ene)-4'-O-methylscutellarein-7-O-(6''''-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl-(1 →3)-［α-L-rhamnopyranosyl-(1→2)］-β-D-glucopyranoside、kaempferol-3-O-β-D-glucopyransoyl-(1→4)-α-L-rhamnopyranosyl-(1→6)-β-D-galactopyranoside-7-O-(6''''-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl-(1→3)-［α-L-rhamnopyranosyl-(1→2)］-β-D-glucopyranoside［12］等配糖體化合物。含有氨基酸如天冬氨酸、甘氨酸、天冬酰胺、γ-氨基丁酸等20種氨基酸［2］。其他還有木香堿、菊糖、果糖、油酸等［2］化合物。

2 木香及其活性成分的藥理研究進(jìn)展

木香藥材及其活性成分具有一定的藥理作用，其中木香烯內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯的研究相對較多，并表現(xiàn)出良好的抗腫瘤、抗菌等藥效。

2.1 抗腫瘤作用研究

木香的化學(xué)成分眾多復(fù)雜，研究發(fā)現(xiàn)去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯能明顯抑制A549腫瘤細(xì)胞分泌血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)［14］，而 VEGF可能為木香及其制劑發(fā)揮抗腫瘤作用的主要作用靶點之一。Jung-Hye Choi等［15］研究表明采用腹腔給藥方式，木香烯內(nèi)酯能有效抑制肺腫瘤生長和提高存活率。EunJi Kim等［16］研究了去氫木香內(nèi)酯誘導(dǎo) DU145人類前列腺腫瘤細(xì)胞凋亡，發(fā)現(xiàn)木香提取液對雄性激素依賴型前列腺腫瘤具有化學(xué)預(yù)防作用，木香的正己烷層提取液及其有效成分去氫木香內(nèi)酯能夠抑制細(xì)胞生長與誘導(dǎo)DU145細(xì)胞凋亡。唐于平等［17］研究了木香中去氫木香內(nèi)酯等5種倍半萜化合物對5種腫瘤細(xì)胞生長抑制作用研究，結(jié)果顯示具有五元內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物對腫瘤細(xì)胞具有一定選擇性抑制作用。Chia-Yuan Liu等［18］主要研究了木香烯內(nèi)酯對人類肝癌細(xì)胞(HCC)在細(xì)胞周期時的分布和輻射敏感度的研究，表明木香烯內(nèi)酯可以減少肝癌細(xì)胞的生存能力，并能在有絲分裂期的阻止細(xì)胞周期。Eun JeongChoi等［19］研究了去氫木香內(nèi)酯的抗腫瘤活性，考察了其對人類乳腺癌細(xì)胞和卵巢癌細(xì)胞的作用，表現(xiàn)出了其潛在的抗腫瘤活性。

2.2 其他藥理研究

除了在抗腫瘤方面的研究之外，還有很多研究表明木香藥材及其活性成分在抗菌、抗炎、抗氧化等方面也表現(xiàn)出一定的功效。

Hyeon-Hee Yu等［13］研究了木香乙醇提取液對變異鏈球菌具有抑制作用，并能抑制變異鏈球菌誘導(dǎo)的齲齒。Gil-SaengJeong等［20］研究發(fā)現(xiàn)木香中的去氫木香內(nèi)酯對血紅素加氧酶-1具有保護(hù)作用，而其α-亞甲基-γ-丁內(nèi)酯結(jié)構(gòu)是發(fā)揮作用的關(guān)鍵部位。另外，S.D.Ambavade 等［21］研究了木香提取液的抗驚厥作用，采用木香的石油醚、乙醇和水提取液在老鼠體內(nèi)分別進(jìn)行了以戊撐四唑(pentylenetetrazole)和苦毒素誘導(dǎo)的驚厥試驗和最大電休克療法試驗，發(fā)現(xiàn)木香石油醚提取液具有提高戊撐四唑和苦毒素誘導(dǎo)的驚厥抑制作用。EunMi Choi等［22］研究發(fā)現(xiàn)去氫木香內(nèi)酯能保護(hù)由雙氧水誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞損傷的成骨細(xì)胞，同時，去氫木香內(nèi)酯對成骨細(xì)胞可作為保護(hù)氧化損傷的保護(hù)劑。Ji Young Choi等［23］以木香甲醇提取部分做了體外蛋白質(zhì)酪氨酸酶1B(PTP1B)抑制試驗，進(jìn)一步對提取部分分離得到樺木酸、樺木酸甲酯、木香內(nèi)酯、去氫木香內(nèi)酯四種活性組分。Elena Butturini等［24］考察了木香烯內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯對信號傳感器和轉(zhuǎn)錄活化劑3(STAT3)活性的抑制作用的分子機(jī)制，表明這兩個化合物能夠通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄活化劑3蛋白的半胱氨酸殘基的翻譯后修飾(氧化還原依賴型)來發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的。Rayan Nirmala Arul等［25］研究表明木香烯內(nèi)酯能夠通過抑制炎性細(xì)胞因子和NO合成酶來激活小鼠中的BV2小膠質(zhì)細(xì)胞，為治療神經(jīng)炎性疾病提供了另一治療手段。Ji-Hyun Kim［26］等的研究表明，木香烯內(nèi)酯能夠通過抑制蛋白激酶B和核因子κB信號通路來誘導(dǎo)子宮內(nèi)膜細(xì)胞凋亡，可作為治療子宮內(nèi)膜異位的一種潛在藥物。Anans Sarwar等［27］研究了木香的乙醇提取物對白細(xì)胞吞噬活性、淋巴細(xì)胞增殖和干擾素γ的作用，表明它可以作為一種治療自身免疫疾病和慢性炎癥疾病的潛在藥物。

關(guān)于木香藥材及其活性成分的藥理研究，Madan Mohan Pandey 等［28］和 Yu-Fang Wang 等［29］已經(jīng)做過較好的總結(jié)，本文只在這做一些適當(dāng)?shù)难a充。這些研究顯示，木香藥材及其活性成分的藥效不夠高，目前尚不能直接作為藥物使用。據(jù)此，為了得到藥效更加優(yōu)良的化合物，通過對相關(guān)活性組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾與衍生來提高其藥效的研究備受人們關(guān)注。對去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯這兩種化合物的結(jié)構(gòu)修飾和衍生研究逐漸成為人們的研究重點，有些課題組還對衍生所得化合物與一些天然的倍半萜成分一起研究藥效。

3 木香烯內(nèi)酯與去氫木香內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)修飾和衍生途徑和方法

3.1 邁克爾(Michael)加成衍生

具有α-活潑氫原子的化合物，在堿的作用下形成負(fù)碳離子，此負(fù)碳離子可以與α，β-不飽和羰基化合物發(fā)生共軛親核加成，這類反應(yīng)叫做邁克爾反應(yīng)。木香烯內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯這兩種化合物都具有α-亞甲基-γ-內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，很多課題組研究了在13位碳上通過Michael加成，連接上含氮化合物，含氧化合物，含硫化合物等。

Hisashi Matsuda等［5］對木香烯內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯通過13位碳上Michael加成，衍生獲得乙二胺、2-巰基乙醇、甲氧基、一系列氨基酸等新化合物(圖2、3和表1、2)，相關(guān)反應(yīng)的產(chǎn)率都在70%以上。對所獲得的化合物分別進(jìn)行對水壓誘導(dǎo)和HCl/EtOH誘導(dǎo)的小鼠胃潰瘍進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)去氫木香內(nèi)酯、木香烯內(nèi)酯與三個氨基酸倍半萜化合物6、7和17，是治療胃潰瘍的有效成分。Sanjay K.Srivastava等［30］以木香烯內(nèi)酯為起始，通過在13位碳上進(jìn)行系列氨基化合物的Michael加成，獲得的產(chǎn)物對 SW-620(colon)、MIAPaCa2(pancreas)和 K-562(leukemia)等9種腫瘤細(xì)胞株有細(xì)胞毒性，研究表明去氫木香內(nèi)酯在C13位修飾上系列氨基化合物尤其是吡啶和吡咯烷環(huán)化合物之后，其對不同腫瘤細(xì)胞具有良好的選擇性，表現(xiàn)出其在抗腫瘤方面的潛在研發(fā)價值。

圖2 去氫木香內(nèi)酯進(jìn)行邁克爾加成的反應(yīng)通式Fig.2 Michael addition reaction of dehydrocostus lactone

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F.A.Macías等［32］研究了對 α-亞甲基-γ-內(nèi)酯的邁克爾加成，在β-不飽和羰?；?以去氫木香內(nèi)酯為例，圖4)上加成羥基得到一個具有活性的倍半萜內(nèi)酯，實驗采用六甲基磷酰三胺(HMPA)來提高羥基的親核性和穩(wěn)定烯醇結(jié)構(gòu)。課題組［33］還研究了多種愈創(chuàng)木倍半萜內(nèi)酯誘導(dǎo)列當(dāng)種子發(fā)芽的作用，實驗發(fā)現(xiàn)在愈創(chuàng)木內(nèi)酯骨架上引入第二內(nèi)酯會失去對列當(dāng)特異性作用，提高其它列當(dāng)屬植物的發(fā)芽速度。采用了如圖4的反應(yīng)后，又在羥基上接入一個內(nèi)酯基團(tuán)，刺激發(fā)芽作用增大。在β-不飽和羰?；弦胍粋€羥基不僅可以改變?nèi)淠鞠銉?nèi)酯的某些性質(zhì)比如極性等，還為其它復(fù)雜基團(tuán)的引入提供了一個有效的位點。

圖4 去氫木香內(nèi)酯通過邁克爾加成加成上羥基的反應(yīng)Fig.4 Add hydroxyl groups to dehydrocostus lactone by Michael addition reaction

綜上所述，去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯的α-亞甲基-γ-內(nèi)酯是其發(fā)揮活性的重要位點，而且還是其進(jìn)行衍生化的一個活性位點;當(dāng)在13位上采用Michael加成衍生獲得一系列氨基和含氧含硫基團(tuán)之后，其活性就有了顯著性的改變，其具體改變有可能受化合物極性、空間位阻等因素的影響，但目前尚未有完整的研究能夠有效地闡述其活性變化的原因和機(jī)制。

3.2 氧化和成環(huán)衍生

有課題組利用不同的氧化劑對去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯進(jìn)行氧化，實現(xiàn)了在環(huán)上衍生羥基基團(tuán)，增加結(jié)構(gòu)的親水性;木香烯內(nèi)酯在一些氧化劑作用下，能實現(xiàn)5位碳與10位碳連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)重排成環(huán)，將原來的十元環(huán)變成兩個六圓環(huán)。

Charles L.Cantrell等［34］研究去氫木香內(nèi)酯在間氯過氧苯甲酸(m-CPBA)作用下氧化4位或10位烯基，得到單環(huán)氧化合物(圖5)，還研究了在二氧化硒和叔丁基過氧化氫作用下，得到二環(huán)氧化合物(圖6);對所得化合物與天然的化合物進(jìn)行了抗結(jié)核桿菌的最小抑制濃度實驗對照，結(jié)果顯示當(dāng)化合物中引入羥基之后，化合物的抗菌活性就會下降，可知影響抗菌活性的主要因素是倍半萜內(nèi)酯的極性，一取代的環(huán)氧化合物的活性普遍比二取代的活性要強(qiáng)。還有文獻(xiàn)報道［35］用H2O2/NaOH氧化去氫木香內(nèi)酯，在11、13位上形成環(huán)氧化合物(圖7)。

F.A.Macías等［36］根據(jù)氧化劑比例的不同氧化程度也不同，利用二氧化硒與叔丁基過氧化氫(TB HP)氧化去氫木香內(nèi)酯等得到一些羥基化化合物(圖8);進(jìn)而依據(jù)半合成與天然的多種愈創(chuàng)木型倍半萜內(nèi)酯對幾種單雙葉植物的發(fā)芽與生長的作用，發(fā)現(xiàn)內(nèi)酯部分是抑制種子發(fā)芽與生長的必需部位，但是引入第二個不飽和羰基，能提高對種子和發(fā)芽生長的抑制作用，另外其親脂性與立體結(jié)構(gòu)也是影響其作用的關(guān)鍵因素。

HussainSabir等［37］采用了 SeO2/UHP/PEG-400、SeO2/UHP/CHCl2和SeO2/UHP/CH3OH作為氧化劑來氧化去氫木香內(nèi)酯，其中SeO2/UHP/PEG-400系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的選擇性，氧化產(chǎn)物單一(圖9)，該類化合物作為植物生長調(diào)節(jié)劑表現(xiàn)出了促進(jìn)植物生長的促進(jìn)作用。

Hisashi Matsuda等［5］采用間氯過苯甲酸(m-CPBA)氧化對木香烯內(nèi)酯，使5位碳與10位碳進(jìn)行環(huán)合，并在C-1位加上一個羥基，得到化合物santamarine(46)和 reynosin(47)(圖 10)。許卉等［38］在立體構(gòu)型分析基礎(chǔ)上，提出了可能的氧化反應(yīng)機(jī)制(圖11)。該課題組［39］對木香烯內(nèi)酯進(jìn)行氧化和乙?；揎?，利用m-CPBA氧化木香烯內(nèi)酯，還對1位羥基進(jìn)行乙酰化得到一系列化合物，進(jìn)而測定了所得單體化合物對人源腫瘤細(xì)胞SMMC-7721和PC-3M體外增殖抑制的IC50值。研究表明α-亞甲基-γ-內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的倍半萜類化合物是木香細(xì)胞毒作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其活性受分子骨架上取代基的類型及位置影響顯著，而親脂性并不是其細(xì)胞毒性的唯一關(guān)鍵因素。他們還研究了11種木香倍半萜類化合物對脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的小鼠巨噬細(xì)胞釋放NO的抑制作用，發(fā)現(xiàn)木香倍半萜內(nèi)酯環(huán)外雙鍵對于該類化合物的NO釋放抑制活性具有非常重要的意義［40］。

圖9 去氫木香內(nèi)酯在不同溶劑體系下被SeO2/UHP氧化的反應(yīng)Fig.9 The oxidation reaction of Dehydrocostus lactone by SeO2/UHP in different solvent

A.Robinson等［31］對木香烯內(nèi)酯在 C13位進(jìn)行Michael加成，加成上一個甲氧基后，再對所得化合物15a在高氯酸與冰醋酸混合物下環(huán)合得到化合物49和50，對化合物50用臭氧處理得到化合物51，然后用三苯基膦(TPP)對化合物11進(jìn)行還原得到化合物52，該系列反應(yīng)實現(xiàn)了在倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)上引入另一個羰基。對部分所得化合物進(jìn)行體外抗腫瘤細(xì)胞研究后發(fā)現(xiàn)α-亞甲基-γ-內(nèi)酯結(jié)構(gòu)是其抗腫瘤的主要活性位點，而其他位置雙鍵的改變可能使對不同腫瘤細(xì)胞具有選擇性的殺傷作用(圖12，13)。

綜上所述，木香烯內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯在一些氧化劑作用下，增加取代基的數(shù)量、改變其位置、改變極性及破壞α-亞甲基-γ-內(nèi)酯結(jié)構(gòu)等，對它們的活性改變都有決定性的作用。衍生產(chǎn)物的極性、立體結(jié)構(gòu)等的變化對其效能影響較大，且α-亞甲基-γ-內(nèi)酯結(jié)構(gòu)再次被證明對很多活性的發(fā)揮是一個必不可少的部位。

3.3 其它衍生方法

利用去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和衍生，還能制備一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物包括一些復(fù)雜的天然活性化合物。

F.A.Macías等［41］研究了去氫木香內(nèi)酯經(jīng)過一系列反應(yīng)，最終合成了具有11，13-氧雜環(huán)丁烷內(nèi)酯的化合物，并對它們的立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整的分析，為以后研究這些衍生物的構(gòu)效關(guān)系做好了準(zhǔn)備(圖14)。

Andreas Otto等［42］先使用硝基甲烷與 DUB(二氮雜二環(huán))，在去氫木香內(nèi)酯上邁克爾加成一個硝甲基，然后H2/蘭尼Ni還原，將硝基轉(zhuǎn)化成氨基后，轉(zhuǎn)而進(jìn)攻內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，最后形成一個環(huán)酰胺結(jié)構(gòu)(圖15)。

R.R.Setia等［43］研究了去氫木香內(nèi)酯被過氧苯甲酸氧化、與重氮化合物反應(yīng)以及熱解反應(yīng)(圖16)，并對得到的一系列化合物做了對植物根生長抑制實驗，結(jié)果表明衍生后的抑制性增加，且其抑制性與13位上的碳鏈長度呈正相關(guān)，即碳鏈越長抑制活性越大。

有文獻(xiàn)報道［44］木香烯內(nèi)酯11、13位間的雙鍵能參與Diels-Alder加成反應(yīng)(圖17)，闡明一些復(fù)雜天然產(chǎn)物的合成方式。

4 展望

目前已經(jīng)有很多課題組已經(jīng)對木香藥材中表現(xiàn)出良好抗腫瘤等活性的去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的成分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)修飾和衍生研究，其主要集中在C-13位點的邁克爾加成和一些氧化反應(yīng)，并對得到的系列化合物和一些天然的倍半萜化合物進(jìn)行藥效研究，以期為獲得新的候選藥物做準(zhǔn)備。

雖然現(xiàn)在的衍生研究較多，但是大多采用鳥槍式衍生法，合成一系列衍生物，再從中篩選出相對藥效高的化合物，衍生前并未進(jìn)行系統(tǒng)的分子設(shè)計，缺乏指導(dǎo)性和靶標(biāo)性，這會導(dǎo)致衍生過程盲目性較大，成功率低。因此，如何結(jié)合藥物定量構(gòu)效關(guān)系的分析和計算，從去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯抗菌抗腫瘤等作用出發(fā)，在原有的研究基礎(chǔ)上，合理高效設(shè)計出合適的目標(biāo)衍生物，將使人們繼續(xù)關(guān)注的重點。

目前衍生方式的研究主要集中在去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯C-13位點的邁克爾加成和一些氧化反應(yīng)，在母體分子上引入一些氨基酸、含氮化合物、羥基、環(huán)氧環(huán)等，以此來改變母體化合物的性質(zhì)，提高藥效。而且在去氫木香內(nèi)酯和木香烯內(nèi)酯結(jié)構(gòu)衍生基礎(chǔ)上，引入羥基和環(huán)氧環(huán)后，可以繼續(xù)衍生，在C-13位點以外，連接上比較復(fù)雜的基團(tuán)或者是某些活性分子，可以進(jìn)一步提高藥效。如何將現(xiàn)代合成技術(shù)中的組合化學(xué)技術(shù)引入，在短時間內(nèi)在分子上引入含氮、氧或者硫的一系列電子等排體，然后配合高通量篩選，以期快速篩選得到高藥效的目標(biāo)化合物是長遠(yuǎn)發(fā)展的趨勢之一。

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