萘醌衍生物的構(gòu)效關(guān)系研究進展

1.廣西中醫(yī)藥研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西中藥質(zhì)量標準研究重點實驗室，廣西 南寧 530022

萘醌類化合物(Naphthoquinone)是天然醌類化合物中重要的一類化合物，具有多種生物活性，許多萘醌化合物顯示出良好的抗腫瘤活性如紫草素、胡桃醌、蘭雪醌、維生素K3、沙爾威辛(salvicine)等，萘醌類化合物通?？煞譃檩淋珙?5,8-二羥基-1,4-萘醌)、1,4-萘醌類和1,2-萘醌類等，萘茜及1,4-萘醌分布比較廣泛，在夾竹桃屬Rauwolfia，鳳仙花科Impatiens屬，大戟科Jatropha屬，胡桃科Carya、Juglans、Platycarya屬，百合科Dianella、Stypandra屬中都有分布。部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。萘醌衍生物通過形成醌甲基化衍生物的過程對細胞產(chǎn)生毒性，其機制包括氧化還原循環(huán)、芳基化、誘導(dǎo)的DNA鏈破壞和產(chǎn)生自由基等。目前對萘醌類化合物的結(jié)構(gòu)修飾的目的主要集中在增強萘醌母核的生物活性和降低萘醌母核的細胞毒性。

1 萘茜類

范文海等[1]采用量子化學(xué)方法對目前發(fā)現(xiàn)兩類1,4-萘醌類化合物——紫草素類(shikonin)(1)、阿卡寧類(alkannin)(2)的39個衍生物進行電離能(IP)、電子親和勢(EA)及羥基氫原子解離能(BDE)方面的理論研究，分析各物理量與羥基自由基清除活性之間的關(guān)系。并研究了5,7及9位C及14,16位氧的自旋密度及化合物電子親和勢(EA)對其活性的影響。結(jié)果表明，化合物側(cè)鏈的增長及不飽和鍵的存在均可導(dǎo)致其BDE和IP值的減小，EA值的減小，說明苯氧基自由基自旋密度的增大，有助于其自由基清除活性的增大，表明其抗腫瘤作用的增強。同時，在支鏈上引入體積較大的官能團以及羥基和乙酰基，會導(dǎo)致化合物的BDE和IP值的增大。SONG 等[2]在5,8-二羥基-1,4-萘醌(3)的基礎(chǔ)上合成了6-(1-羥烷基)-5,8-二甲氧基-1,4-萘醌(4)及2-(1-羥烷基)-二甲氧基-1,4-萘醌(5)，前者表現(xiàn)出比后者具有更強的與谷胱甘肽反應(yīng)的活性以及對L1210細胞的細胞毒性，隨著進一步的研究表明6-(1-羥烷基)-5,8-二甲氧基-1,4-萘醌引入短鏈烷基(C2-C6)比引入長鏈(>C6)時表現(xiàn)出更強的生物活性。并分析出烷基化可以提高萘醌母核的親電性能，從而增強了與谷胱甘肽反應(yīng)的活性。

圖1 萘醌衍生物的結(jié)構(gòu)式

KYONG-UP等[3]合成了2位取代萘醌衍生物，5,8-二羥基-1,4-萘醌衍生物(DHNQ)以及5,8-二甲氧基-1,4-萘醌衍生物(DMNQ)(如圖2所示)，并分析了這些衍生物的細胞毒性以及抗S-180癌細胞的活性。一般來說，2-(1-羥烷基)- 5,8-二羥基-1,4-萘醌衍生物(6)比2-(1-羥烷基)- 5,8-二甲氧基-1,4-萘醌衍生物(7)的細胞毒性要強，這表明對細胞的毒性作用主要是氧化還原作用，而不是親電性造成的。在前述的兩類衍生物中的C-1′位置引入烷基和?；?-(1-烷氧基-4-甲基戊基)或2-(1-酰氧基-4-甲基戊基)的衍生物，在引入C-1′引入烷基或酰基時細胞毒性并未得到改善。另一方面，在體內(nèi)測試中表明，和細胞毒性相比，2-(1-酰氧基烷基)-DHNQ衍生物或者2-(1-烷氧基烷基)-DHNQ衍生物表現(xiàn)出比2-(1-羥基烷基)-DMNQ 或者2-(1-羥基烷基)-DHNQ衍生物具有高的抗腫瘤活性。C-1′的側(cè)鏈長度決定了其抗腫瘤活性的強度，9到11個碳原子為最佳長度。

圖2 5,8-二羥基-1,4-萘醌衍生物(DHNQ)以及5,8-二甲氧基-1,4-萘醌衍生物(DMNQ)的合成

SANKAWA[4]研究證實兩個典型的萘茜化合物——二氫紫草素(8)和紫草素在相似的劑量水平上產(chǎn)生較強的抗腫瘤活性，但是二氫紫草素的毒性卻增強明顯，動物致死率在75%。Youngjae Y等[5]的研究得出：萘醌類對GSH結(jié)合物的形成速率、DNA拓撲異構(gòu)酶-I的抑制作用和對L1210細胞的細胞毒性作用的強弱均遵從如下順序：5,8-二甲氧基-1,4-萘醌(DMNQ)(9)>6-(1-羥乙基)-DMNQ>2-(1-羥乙基)-DMNQ；分析出了取代基的立體結(jié)構(gòu)是降低其生物活性的主要原因，特別是2-取代物上的取代基的立體結(jié)構(gòu)尤為明顯；2-(1-羥乙基)-DMNQ不與GSH和酶反應(yīng)，而2-(1-羥乙基)-DMNQ通過乙?；傻?-(乙酰氧乙基)-DMNQ，其生物活性得到了增強，與GSH和酶形成共軛反應(yīng)。

SONG等[6]合成了2位和6位酰基化的5,8-二甲氧基-1,4-萘醌(DMNQ)衍生物，研究了各個衍生物對DNA拓撲異構(gòu)酶-I的抑制作用和對L1210細胞的細胞毒性作用，與2-?；?DMNQ衍生物相比，6-?；?DMNQ化合物具有更高的親電的醌部分結(jié)構(gòu)，在抑制DNA拓撲異構(gòu)酶I和細胞毒性方面表現(xiàn)出更高的效能，暗示親電芳基化可能參與其生物活性。在6-酰基-DMNQ衍生物中，具有中等大小的酰基(C5-C9)的衍生物在生物活性方面表現(xiàn)出比其他衍生物更高的效能。此外，為了有效抑制DNA拓撲異構(gòu)酶I，6-酰化衍生物的?；糠值拇笮∷坪跸拗圃谛∮?2個碳原子。

2 1,4-萘醌類

KAMEI等[7]在兩類1,4-萘醌類化合物——胡桃醌(10)和散沫花素(11)抑制細胞生長的研究發(fā)現(xiàn)化合物中酚羥基的個數(shù)越多細胞毒性越大。OLIVEIRA等[8]同樣在幾個1,4-萘醌類化合物——胡桃醌、拉帕醇和散沫花素的基礎(chǔ)上合成了4種它們的糖鏈衍生物，發(fā)現(xiàn)糖鏈的引入有效地避開了細胞對此類細胞毒化合物的排斥，增加了腫瘤細胞的吸收度，從而提高了這些衍生物的活性。PLYTA等[9]通過實驗證實萘醌母核2位取代基為供電基團時將會降低對拓撲酶(TOPO-I)的抑止活性，甚至消失，其推測為供電基團使醌母核的親電性能下降。

SONG等[2]的報道中指出中等長度的碳鏈(C5-C8)在2或3位引入時，萘醌具有最高活性。邱美玉等[10]利用親核試劑對α，β-不飽和羰基進行攻擊，通過邁克爾加成反應(yīng)添加硫醇或氨基化合物給萘環(huán)的提供電子，并且通過2位的加成反應(yīng)，將原來結(jié)構(gòu)中的1-羥基-4-甲基戊-3-烯基改變?yōu)樾羴嗧炕蛐涟坊?，精確比較了不同的親核基團對萘醌類化合物生物活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2-辛亞砜-5,8-二甲基-1,4-萘醌(12)可以促進早期ROS水平升高，抑制Akt磷酸化水平，并選擇性的激活p38，ERK信號通路，從而抑制肝癌細胞株HepG2細胞增殖，并誘導(dǎo)其發(fā)生凋亡。徐宛婷等[11-12]合成了5,8位不含有羥基且2號位的氫被取代基替換的一種新型1,4-萘醌類衍生物-2-丁亞砜-1,4-萘醌(13)(如圖3所示)，不僅降低了其毒性還提高了抗腫瘤活性，經(jīng)2-丁亞砜-1,4-萘醌處理過的人惡性黑色素瘤A375細胞，存活率逐漸降低，促凋亡Bad和cleaved-caspase-3表達量逐漸升高，顯著增加細胞內(nèi)ROS水平。

圖3 2-丁亞砜-1,4-萘醌的合成

維生素K3(VK3)是是一種1,4-萘醌衍生物(1，Menadione,2-methy[1,4]naphthoquinoline)(14)，VK1-3都有抗腫瘤活性，Chen等[13]研究表明腫瘤細胞抑制活性隨著VK3衍生物的修飾側(cè)鏈長度增加而降低，當較短的脂肪側(cè)鏈的起始位置引入O原子或S原子可以增強化合物的抗腫瘤作用，側(cè)鏈起始端引入S/O原子，因O原子電負性法，削弱了2,3-雙鍵親核性的程度高于S原子，保留2-烴硫基團，將碳鏈從2個碳原子一直延長到11個碳原子，發(fā)現(xiàn)碳鏈超過6個亞甲基的長度沒有抑制活性，側(cè)鏈區(qū)域的立體位阻有可能成為與酶親和力的影響因素。

劉站雄等[14]設(shè)計合成了一系列1-單取代的萘醌及蒽醌并咪唑衍生物(15)，經(jīng)細胞毒性實驗發(fā)現(xiàn)，其中具有大共軛體系和小位阻取代基的1,-甲基蒽醌并咪唑顯示出優(yōu)于此前報道的1,2-二取代萘醌并咪唑衍生物的抗腫瘤活性和選擇性，其對乳腺癌細胞和非小細胞肺癌細胞具有很好的抗惡性增殖活性。王昊乾等[15]紫草萘醌的5,8位經(jīng)過甲基化由紫草素的羥基改為甲氧基，來降低其細胞毒性，并通過2位的加成反應(yīng)，將原來結(jié)構(gòu)中的1-羥基-4-甲基戊-3-烯基改變?yōu)楹胁煌L度的烷烴或芳香烴的巰基、氨基化合物，其中2-卞硫基-5,8-二甲氧基-1,4-萘醌(16)為表現(xiàn)出細胞毒性，而且可以通過清除自由基，提高機體自由基防御酶系來降低細胞內(nèi)活性氧水平。

KIM等[16]對化合物2-(1-肟基庚基)-5,8-二甲氧基-1,4-萘醌的藥理學(xué)性質(zhì)進行了深入的研究，在對小鼠肉瘤180處理4h后，可以抑制細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶(pERK)的磷酸化，活化細胞應(yīng)激C-Jun-N間隙激酶(JNK)的蛋白激酶C-α(PKC-α)。Katti等[17]用肉瘤Walker256和白血病P388細胞系對異戊烯酰紫草素(β,β-Dimethylacrylshikonin)(17)及其衍生物進行了篩選。認為這類化合物的作用方式主要是它們的生物烷基化做，側(cè)鏈α-位的離去基團(-OH)的存在可以使其在生物體內(nèi)被還原成相應(yīng)的還原態(tài)醌，這個還原態(tài)醌通過Michael加成反應(yīng)發(fā)揮烷基化作用[18]。

1,4-萘醌類化合物具有良好的抗炎活性，WURM等[19]經(jīng)過研究得出結(jié)論，鄰羥基結(jié)構(gòu)與1,4-萘醌羰基的存在以及指甲花醌的整體平面結(jié)構(gòu)式?jīng)Q定其抗炎活性的關(guān)鍵因素，比如化合物：2-乙基-5-羥基-1,4-萘醌和2-甲基-3-羥基-1,4-萘醌確實具有有效的抗炎活性。Buckle等[20]人設(shè)計合成了硝基指甲花醌，通過測試其是一種大鼠被動皮膚過敏反應(yīng)的有效抑制劑(PCA)，其結(jié)構(gòu)可以在C-6和C-7位置進行結(jié)構(gòu)修飾來提高其抑制活性，并且即使通過口服給藥之后還能表現(xiàn)出較強的抑制活性。

3 1,2-萘醌類

AHN等[21]研究發(fā)現(xiàn)了一種1,2-萘醌類化合物為一類非酸類PTP1B抑制劑，小鼠體內(nèi)實驗證明具有很高的抗高血糖活性。潘詠梅等[22]研究了1,2-萘醌類抑制劑與絡(luò)氨酸蛋白磷酸酯酶PTP1B之間的相互作用模式發(fā)現(xiàn)，在以后的分子設(shè)計中，可以適當引入疏水基團，增加抑制劑與PTP1B的結(jié)合能力，從而提高活性。于倩[23]對抑制PTP1B的蛋白活性的1,2-萘醌類小分子化合物進行了3D-QSAR研究，得到具有較好預(yù)測能力的CoMFA和CoMSIA模型，通過分析模型發(fā)現(xiàn)，在R3位引入強的拉電子基團且較小體積的親水性取代基團，在R6位上引入較大體積的取代基以及R4位的芳基，R7位引入較小體積的取代基，有利于化合物活性的提高。

圖4 紫草萘醌衍生物的合成過程

拉帕醌(18)是一類重要的天然1,2-萘醌類化合物，微量提高拉帕醌的抗腫瘤活性，很多研究者對拉帕醌進行了結(jié)構(gòu)修飾，目前對拉帕醌的結(jié)構(gòu)修飾主要集中在三個位點：異戊二烯側(cè)鏈，羥基和羰基。EYONG等[24]通過2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌、臭氧和CAN(硝酸鈰銨)的氧化反應(yīng)合成了拉帕醌的衍生物。反應(yīng)獲得的化合物2-(1-甲基乙烯基)-2,3-二氫萘并[2-3]呋喃-4,9-二酮在人前列腺癌細胞(DU-145)中的IC50 = 2.80 μM。

β-拉帕醌(19)是一種生長在阿根廷的紫薇科植物中的天然化合物，有廣譜抗癌活性，其發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)主要與胞質(zhì)黃素酶(NAO1)的特異性激活有關(guān)，通過NQO1依賴性的活性氧的形成，誘導(dǎo)NQO1過表達的癌細胞發(fā)生死亡[25]。Rhinacanthone(20)則是首次從灌木植物(Rhinacanthus nasutus)中分離得到，泰國民間常用這種植物來治療癌癥、肝炎、皮膚病等[26]，β-拉帕醌和Rhinacanthone在結(jié)構(gòu)上的差別僅在于二甲基位置的不同。

丹參酮中也含有1,2-萘醌結(jié)構(gòu)，通常由四個環(huán)組成，包括萘或四氫化萘環(huán)A和B，一個鄰位的或?qū)ξ货騼?nèi)酯環(huán)C和一個呋喃或二氫呋喃環(huán)D。丹參酮ⅡA對缺血再灌注損傷具有保護作用，沈婉麗等[27]評價丹參酮ⅡA與N-甲基-D-葡萄糖胺反應(yīng)得到的一種新的水溶性的丹參酮ⅡA衍生物對心肌缺血再灌注損傷的保護作用與機制，結(jié)果表明采用丹參酮ⅡA衍生物預(yù)處理能顯著減少大鼠心肌缺血再灌注損傷引起的心肌炎癥浸潤及氧化損傷。WU等[28]以丹參酮IIA為母體結(jié)構(gòu)，引入咪唑環(huán)，設(shè)計合成了一系列丹參酮IIA-咪唑衍生物，并獲得了這類分子的晶體結(jié)構(gòu)。進一步的構(gòu)效關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，共軛芳香環(huán)數(shù)量的增加有效提高了丹參酮IIA分子的抗腫瘤活性，其中末端苯環(huán)對位給電子取代基的化合物TA12表現(xiàn)出最好的抑制三陰性乳腺癌細胞侵襲轉(zhuǎn)移的活性。并發(fā)現(xiàn)TA12能激活ROS的釋放并調(diào)控PTEN/AKT信號通路，抑制侵襲性偽足的形成，從而有效抑制在斑馬魚移植瘤模型中的乳腺癌細胞的增殖與轉(zhuǎn)移。

4 小結(jié)

以上研究結(jié)果提示，對屬于醌類化合物的萘醌化合物的2、3、8等位點進行結(jié)構(gòu)修飾，引進含N、O、S等雜原子的側(cè)鏈，有望提高其生物活性、降低毒性、增加選擇性，獲得良好的抗腫瘤藥物候選化合物。另外，對1,2萘醌的研究較少，但從已報道的文獻來看，1,2-萘醌為一種潛在的非酸類PTP1B抑制劑，且具有良好的抗腫瘤作用，因此需要更一步的研究，為從天然產(chǎn)物及其衍生物中開發(fā)新藥的思路提供有力依據(jù)。