姜黃素衍生物的制備及其抗癌活性研究進(jìn)展

王棚綜述，趙領(lǐng)審校

姜黃素衍生物的制備及其抗癌活性研究進(jìn)展

王棚綜述，趙領(lǐng)審校

（瀘州醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院藥劑學(xué)教研室，四川瀘州646000）

姜黃素具有抗癌、抗菌、抗病毒、清除自由基等生物活性[1-3]。尤其是其通過(guò)相關(guān)信號(hào)通路和調(diào)控蛋白表達(dá)[4-5]，能抑制癌細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡等[6]多方面的作用得到了廣泛研究和關(guān)注。但水溶性差、生物利用度低、口服后胃腸道吸收差等缺陷，也限制了其臨床應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要概述了姜黃素衍生物的結(jié)構(gòu)修飾路線和方法，及其抗癌活性的研究進(jìn)展；探討了其衍生物抗癌活性與化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為以后開發(fā)臨床使用價(jià)值大的姜黃素先導(dǎo)化合物或類似物提供依據(jù)。

1 姜黃素苯環(huán)結(jié)構(gòu)的修飾

姜黃素及其衍生物的抗腫瘤活性機(jī)理主要與誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡相關(guān)，可能的途徑主要有抑制血管生成、抗癌細(xì)胞鈣調(diào)蛋白作用、線粒體解偶聯(lián)作用以及誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯，調(diào)控抑癌基因及其蛋白的表達(dá)等[7-9]作用。對(duì)姜黃素苯環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，生產(chǎn)的衍生物取代基不同，呈現(xiàn)出不同的抗腫瘤活性。

1.1 取代基的修飾

Venkateswarlu等[10]通過(guò)對(duì)姜黃素苯環(huán)上酚羥基數(shù)量和分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，合成了20個(gè)多羥基姜黃素類似物，發(fā)現(xiàn)多羥基的類似物具有較強(qiáng)的抗氧化能力，其中少數(shù)具有降低Dahons淋巴腹水瘤細(xì)胞發(fā)生率的能力（化合物1～5）。在引入吸電子基團(tuán)取代方面，Costi R等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)，在姜黃素苯環(huán)結(jié)構(gòu)上引入了溴和羧基，得到類似物6～7，發(fā)現(xiàn)其對(duì)癌細(xì)胞內(nèi)P300組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的抑制作用增強(qiáng)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，發(fā)揮較好的抗腫瘤作用。由此可見，姜黃素類似物苯環(huán)上酚羥基和甲氧基的數(shù)目和位置對(duì)其抗癌活性有一定的影響，苯環(huán)上適當(dāng)位置增加吸電子基團(tuán)可增強(qiáng)其對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制活性（見圖1）。

圖1 苯環(huán)取代基修飾

1.2 酚羥基成酯

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)姜黃素苯環(huán)上酚羥基具有較高化學(xué)反應(yīng)活性這一特點(diǎn)，利用拼合技術(shù)，將其同其它活性化合物拼籌結(jié)合，以達(dá)到提高姜黃素抗癌活性，改善其水溶液差，不易吸收，生物利用度低等缺陷。林錦璇等[12]從中醫(yī)經(jīng)典方藥中的研究思路出發(fā)，利用拼合技術(shù)，使姜黃素分別和桂皮酸、川芎嗪酸兩種抗癌活性成分相結(jié)合，合成了姜黃素川芎嗪酸酯（化合物8）及姜黃素桂皮酸酯（化合物9）兩種姜黃素先導(dǎo)化合物，并研究了它們對(duì)4種腫瘤細(xì)胞株的增殖抑制活性及正常細(xì)胞的毒性，結(jié)果表明，合成的兩種先導(dǎo)化合物均具有較好的抑制癌細(xì)胞增殖活性，明顯優(yōu)于前體合成原料姜黃素、川芎嗪酸以及桂皮酸，且對(duì)正常MDCK細(xì)胞未發(fā)現(xiàn)毒性反應(yīng)。胡椒堿具有抗腫瘤，增強(qiáng)機(jī)體免疫力等藥理作用，有研究報(bào)道，將姜黃素和胡椒堿聯(lián)合用藥，能使姜黃素在人體內(nèi)的生物利用度提高20倍，故Mishra等[13]將姜黃素和胡椒酸在DCC，DMAP的催化下合成了姜黃素胡椒酸酯（化合物10），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該先導(dǎo)化合物能增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)其攝取過(guò)程，并減緩代謝，從而在細(xì)胞內(nèi)形成較高的藥物濃度，同時(shí)，合成的姜黃素衍生物在低濃度時(shí)就顯示出明顯的促細(xì)胞凋亡活性，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的抗癌活性。吳敏等[14]在堿性條件下將氟尿嘧啶和氯乙酸反應(yīng)生成5-氟尿嘧啶-1-基乙酸，再和姜黃素反應(yīng)得到了（5-氟尿嘧啶-1-乙酸）-4′-姜黃素酯（化合物11），實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該先導(dǎo)化合物體外能明顯抑制HL60、K562、SGC7901、SW480等腫瘤細(xì)胞增殖，也能抑制H22荷瘤小鼠腫瘤生長(zhǎng)（見圖2）。

圖2 酚羥基成酯

2 活潑亞甲基的修飾

姜黃素在堿性水溶液中，顏色變深，且極易降解，原因主要在于其β-二酮結(jié)構(gòu)中的4位亞甲基由于羰基的吸電子作用，容易脫去質(zhì)子，形成不穩(wěn)定的碳負(fù)離子結(jié)構(gòu)，容易受到水的親核進(jìn)攻發(fā)生取代反應(yīng)。故通過(guò)4位亞甲基的改造來(lái)提高姜黃素的活性，增強(qiáng)其穩(wěn)定性已受到廣泛關(guān)注。Shi等[15]用親酯性的F原子取代亞甲基上的H原子，合成得到了化合物12，抗腫瘤活性實(shí)驗(yàn)研究表明：該化合物能明顯抑制人前列腺癌LNCaP和PC-3細(xì)胞株，且抑制活性高于姜黃素。Bill等[16]則在4位亞甲基處引入環(huán)己基，得到類似物13，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該化合物能通過(guò)抑制磷酸化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子-3，抑制黑色瘤細(xì)胞的增殖。Amolins等[17]通過(guò)研究姜黃素類似物構(gòu)效關(guān)系表明，當(dāng)4位亞甲基上的取代基為飽和取代基甲基時(shí)（化合物14），其抗癌活性降低，而用具有吸電子作用的酯鏈取代基取代時(shí)（化合物15～17），仍能很好地抑制MCF-7和SKBR3乳腺癌細(xì)胞。劉洋等[18]以姜黃素和香草醛為原料，在微波條件下，利用Knovenagel縮合反應(yīng)，合成了4-（4-羥基-3-甲氧基苯亞甲基）姜黃素（化合物18），體外MTT實(shí)驗(yàn)表明，化合物15能抑制人乳腺癌細(xì)胞SKBr3、人肝癌細(xì)胞HepG2、人急性髓系白血病細(xì)胞HL-60等多種癌細(xì)胞株，且抗細(xì)胞增殖作用明顯強(qiáng)于姜黃素，Western Blot實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它還能下調(diào)Hsp90的客戶蛋白表達(dá)水平，首次提出該化合物可能是Hsp90抑制劑。故，姜黃素的4位亞甲基具有較高的反應(yīng)活潑性，在4位亞甲基上引入合適的基團(tuán)，改變姜黃素長(zhǎng)共軛系統(tǒng)的電子云分布，不僅能增強(qiáng)其穩(wěn)定性，也可能提高其抗癌活性（見圖3）。

圖3 活潑亞甲基的修飾

3 β-二酮及其連接碳鏈的修飾改造

β-二酮結(jié)構(gòu)存在烯醇式和酮式兩種互變構(gòu)型，有研究表明[19]，姜黃素的抗癌活性主要依賴于其烯醇式構(gòu)型，主要原因可能是酮式構(gòu)型中，姜黃素的苯環(huán)和鏈接碳鏈不在同一個(gè)平面上，而烯醇式構(gòu)型使苯環(huán)和鏈接碳鏈保持在同一平面，維持了分子的整體剛性結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，對(duì)β-二酮及其鏈接碳鏈的修飾大多體現(xiàn)在羰基縮合，碳鏈長(zhǎng)度的改造，引入雜環(huán)結(jié)構(gòu)以及生成單羰基化合物等，眾多的合成產(chǎn)物以及抗癌活性研究結(jié)果表明，增強(qiáng)姜黃素分子的剛性，維持其碳鏈和苯環(huán)在同一平面上，是保留或增強(qiáng)姜黃素生物活性及穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3.1 羰基縮合

Labbozzetta等[20]通過(guò)酮基縮合在β-二酮羰基位引入了異噁唑或吡唑雜環(huán)，得到化合物19～20，體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其能很好地抑制人肝癌細(xì)胞HA 22 T/VGH，IC 50分別為12.8±1.5和2.47±0.6μmol/L，明顯優(yōu)于姜黃素IC 50值（17.4±1.2 μmol/L）。腫瘤的產(chǎn)生與細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的紊亂密切相關(guān)，Shim等[21]在化合物20的基礎(chǔ)上引入了對(duì)甲酸苯基，合成了化合物21，實(shí)驗(yàn)表明，化合物21作為一種拮抗劑，在發(fā)現(xiàn)新的抗腫瘤靶點(diǎn)上具有重要價(jià)值，其可通過(guò)抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的細(xì)胞周期循環(huán)，從而抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖。

腫瘤的生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移和血管的生成密切相關(guān)，因此抗血管生成是目前抗腫瘤藥物發(fā)揮靶向治療效果的有效途徑。Yoysungnoen等[22]研究表明姜黃素具能顯著降低肝癌HepG2細(xì)胞組織中環(huán)氧合酶-2、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的過(guò)度表達(dá)，進(jìn)而抑制腫瘤血管發(fā)生，產(chǎn)生抗腫瘤作用。Shim等[23]通過(guò)研究一系列N原子取代羰基氧的化合物中，發(fā)現(xiàn)化合物22～27具有較好地抑制內(nèi)皮細(xì)胞血管生長(zhǎng)，活性是姜黃素的5～30倍，可成為潛在的血管生成抑制劑，為進(jìn)一步開發(fā)優(yōu)良的抗癌衍生物提供依據(jù)（見圖4）。

圖4 β-二酮羰基縮合產(chǎn)物

3.2 單羰基化合物

對(duì)于將β-二酮結(jié)構(gòu)改造為單酮結(jié)構(gòu)，Karthikeyan等[24]采用新的方法，使環(huán)酮和芳醛在乙酸銨的作用下，合成了兩組C5鏈的單酮類似物（化合物28～35），體外毒性實(shí)驗(yàn)表明，合成的8種化合物對(duì)結(jié)腸癌HCT-116、胰腺癌Panc-1及肺癌H 460等細(xì)胞株均有較好的抑制作用。Lin等[19]合成了單羰基衍生物（36～41），發(fā)現(xiàn)它們對(duì)前列腺癌LNCaP、PC-3細(xì)胞和乳腺癌MCF-7、MDA-MB-231細(xì)胞的抑制活性是明顯優(yōu)于姜黃素，且發(fā)現(xiàn)單羰基衍生物中，4-OH對(duì)抗癌活性影響不大，可能是單羰基結(jié)構(gòu)明顯增強(qiáng)了分子結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性，且存在著不同的抗癌機(jī)理（見圖5）。

圖5 單羰基類化合物

4 結(jié)語(yǔ)

姜黃素具有明顯的抗癌活性，且基本無(wú)毒副作用，但水溶性差，堿性環(huán)境下不穩(wěn)定，生物利用度低，體內(nèi)代謝迅速等缺點(diǎn)限制了其臨床應(yīng)用。因此，對(duì)姜黃素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾改造，尋找高效低毒的姜黃素衍生物或類似物受到廣大研究人員的重視。

本文根據(jù)眾多學(xué)者對(duì)姜黃素的修飾改造路線，合成產(chǎn)物的抗癌活性與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)出以下幾點(diǎn)：1）姜黃素苯環(huán)上的酚羥基是其保持抗氧化以及抗癌活性的重要基團(tuán)，對(duì)苯環(huán)結(jié)構(gòu)的修飾中，酚羥基的位置和數(shù)量，以及合適吸電子基團(tuán)的引入與其抗癌活性密切相關(guān)，分析原因，很可能是，姜黃素的苯環(huán)和連接橋鏈的雙鍵處于一個(gè)長(zhǎng)共軛系統(tǒng)，β-二酮結(jié)構(gòu)上的氧原子具有強(qiáng)吸電子作用，故適當(dāng)增強(qiáng)苯環(huán)的吸電子作用，能使共軛系統(tǒng)中的電子分布更均勻，進(jìn)而增強(qiáng)其活性和穩(wěn)定性。2）苯環(huán)上4位酚羥基雖是維持姜黃素活性的重要基團(tuán)，但同時(shí)也是使其遇光不穩(wěn)定，易氧化及遇堿顏色變深的缺陷基團(tuán)，故將4位酚羥基和其它抗癌活性成分形成酯鍵，合成姜黃素先導(dǎo)化合物，不僅封閉了不穩(wěn)定的酚羥基，且可根據(jù)拼合的抗癌活性成分性質(zhì)，改變姜黃素的極性，從而增強(qiáng)其水溶性和口服吸收率，先導(dǎo)化合物的酯鍵在體內(nèi)水解，釋放出多種抗癌活性成分，進(jìn)而起到聯(lián)合用藥的效果，增強(qiáng)抗癌作用。3）β-二酮以及活潑亞甲基是姜黃素不穩(wěn)定，遇水快速降解的關(guān)鍵，但同時(shí)也是維持其抗癌活性的決定性基團(tuán)，若完全去除β-二酮結(jié)構(gòu)，抗癌活性消失。根據(jù)眾多研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，若要增強(qiáng)姜黃素抗癌活性，對(duì)β-二酮結(jié)構(gòu)的改造，關(guān)鍵在于維持或增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)的整體剛性，如活潑亞甲基位引入合適的吸電子基團(tuán)，β-二酮位用雜環(huán)取代等，分析原因很可能是，維持分子結(jié)構(gòu)的剛性能提高穩(wěn)定性，很好地維持分子內(nèi)部空間形態(tài)，較長(zhǎng)時(shí)間保留活性結(jié)合位點(diǎn)。

目前，對(duì)姜黃素的結(jié)構(gòu)修飾和改造已取得了一些進(jìn)展，但廣大研究者還需拓寬思路，根據(jù)化合物結(jié)構(gòu)與其生物活性的關(guān)系，獲得啟發(fā)，開發(fā)出生物活性高，臨床使用價(jià)值大的新型藥物。

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（2015-03-11收稿）

R730.5

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2015.03.030

王棚（1989-），男，碩士生。E-mail：851151831@qq.com