釩配合物的生物效應、分子機制和藥物發(fā)現(xiàn)

董雅瓊，張悅 ，楊曉達 *

（1.北京大學醫(yī)學部藥學院化學生物學系暨天然藥物和仿生藥物國家重點實驗室，北京 100191;2.北京大學國家中醫(yī)藥管理局中藥配伍減毒重點研究室，北京 100191）

釩是重要的生命必需元素之一，在元素周期表中處于ⅤB族，屬于過渡金屬。釩的價層電子結構為3d34s2，具有+3、+4和+5多種化合價態(tài)，其中一些典型釩化合物結構如圖1所示。在一些海洋生物中，釩可作為鹵素氧化酶的活性中心，并以+3價的離子（V3+）存儲于細胞中[1]。而在高等動物體內(nèi)，釩通常以結合ATP的形式存在，但生理意義尚不明確。在細胞和生理介質(zhì)中，釩主要以+4價的VO2+氧釩離子（vanadyl）配合物以及+5價的釩酸根（vanadate）或多聚釩酸根的形式存在。

根據(jù)離子的相似性作用原理[2]，釩化合物具有廣泛和多樣的生物活性，可干預體內(nèi)鈣、鐵和磷酸鹽代謝過程和細胞氧化還原調(diào)節(jié)。因此，釩化合物具有多種藥理活性，如降糖[3]、減肥[4]、心臟保護[5]、神經(jīng)保護[6]和促傷口/骨愈合[7]等。目前對釩化合物類藥物的研究主要集中于其抗糖尿病和抗腫瘤活性，特別是前者，得到了廣泛的關注[8-9]。

1 釩化合物的抗糖尿病作用和分子機制

早在1899年，釩酸鹽飲水就被用來治療糖尿病患者[10]。20世紀80年代，釩化合物的類胰島素樣作用得到確認，因此成為抗糖尿病候選化合物而受到研究者廣泛關注[11-12]。20世紀90年代，研究人員將聯(lián)麥氧釩[bis(maltolato)oxovanadium，BMOV][13]及其乙基衍生物——乙基麥芽酚氧釩[bis(ethylmaltolato)oxovanadium，BEOV，研發(fā)代號：AKP-020]作為新型胰島素增強劑（結構式如圖1），開展了其臨床治療2型糖尿病的工作[3,14]。遺憾的是，AKP-020最終因商業(yè)和潛在安全性因素于2009年終止于Ⅱ期臨床研究。

不過，在過去20年中，釩制劑作為食物補充劑以及2型糖尿病和并發(fā)癥的替代藥物而得到廣泛應用[15]。多項體內(nèi)外研究不斷證實了釩化合物的降血糖作用[3]。釩化合物降糖制劑的優(yōu)點包括：可口服、對1型和2型糖尿病均有效、降糖作用持久，且對防治糖尿病代謝綜合征有益。實際上，釩化合物在降糖的同時，也發(fā)揮了胰島β細胞保護[16-17]、心臟保護[5]、抗抑郁和神經(jīng)保護[6]、改善脂代謝[18]、改善細胞抗氧化系統(tǒng)[19]和改善傷口愈合[7]等綜合抗糖尿病療效。

圖1 典型抗糖尿病釩化合物的化學結構式Figure1 Structures of typical anti-diabetic vanadium compounds

在BEOV 的臨床試驗期間，其配合物的藥動學（pharmacokinetics，PK）特性獲得了很好的闡明[14]。總結目前的研究發(fā)現(xiàn)，釩化合物吸收后，根據(jù)其配合物的穩(wěn)定性，會與生物介質(zhì)發(fā)生配體交換。在細胞中，主要以大量的+4價離子及其配合物（90%～95%）及少量的+5價配合物（5%～10%）的形式存在[20-21]。氧釩配合物通常形成一水合配合物，幾何結構在方錐體和八面體結構之間達到平衡[22-24]。在血清中，釩配合物及其水合形式可結合多種血清蛋白，如轉鐵蛋白、白蛋白和免疫球蛋白[25-26]，主要以釩-配體-人血清白蛋白（VIVOL-HSA）三元配合物的形式存在[25]。白蛋白和轉鐵蛋白均能促進體內(nèi)釩的轉運，但白蛋白可能是更重要的藥物載體[27]。釩配合物一般具有中等至良好的生物膜滲透性[表觀滲透系數(shù)（Papp）＞ 10-6cm · s-1][28-29]。BMOV 的絕對口服生物利用度為21%～35%[24,30-31]，與生物膜滲透性最好的雙乙酰丙酮氧釩[bis(acetylacetonato)oxovanadium，VO(acac)2]（結構式如圖1）的生物利用度相當，這可能與釩配合物的藥動學曲線上似乎存在的一個表觀“存儲池”有關。

釩化合物的有效降糖劑量介于0.05～0.6mmol ·kg-1· d-1，但當劑量超過0.2mmol · kg-1· d-1時，大多數(shù)釩化合物會導致食欲抑制，Malabu 等[32]發(fā)現(xiàn)，該作用抑制于下丘腦食欲中樞，而非胰島素樣作用，可能是釩化合物發(fā)揮減肥作用的原因。研究表明：釩化合物可在轉錄水平調(diào)節(jié)多種糖尿病致病基因[33]的表達，包括糖代謝、脂代謝、氧化應激、肌肉結構、蛋白質(zhì)分解和生物合成等代謝功能基因組。釩化合物的作用主要表現(xiàn)為胰島素增強和組織/細胞保護，其作用的主要分子途徑包括促胰島素信號轉導、降低胰島素抵抗、改善糖脂代謝（機制總結如圖2所示）、胰島素β細胞保護和神經(jīng)保護作用。

圖2 釩化合物的胰島素增強作用的機制Figure2 Insulin enhancement mechanism of vanadium compounds

1.1 促胰島素信號轉導

胰島素由胰腺β 細胞分泌（見圖2），到達目標組織后，胰島素首先與胰島素受體（insulin receptor，IR）結合，IR 是跨膜糖蛋白受體的α 亞單位，形成受體-配體復合物。然后激活β亞單位上的酪氨酸激酶并觸發(fā)對接蛋白的激活，即胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）[34]。隨后，IRS激活磷脂酰肌醇3激酶（PI3K），從而導致蛋白激酶B（AKT/PKB）的激活，進而激活葡萄糖轉運蛋白4（GLUT4）。此外，PI3K-AKT/PKB信號可能刺激重要的代謝功能，如脂類、蛋白質(zhì)和糖原的合成。總的來說，胰島素信號促進細胞中葡萄糖的利用。

釩化合物可能與胰島素信號轉導中的幾個靶點相互作用，其中一個公認的靶點是蛋白酪氨酸磷酸酶1B（PTP1B），它是一種通過脫磷酸化作用對IR 和IRS的活性進行負調(diào)節(jié)的因子。研究表明：與野生型小鼠相比，持續(xù)高脂飲食的PTP1B基因敲除小鼠對肥胖的抵抗力和胰島素敏感性增加[35]，因此PTP1B被認為是治療2型糖尿病的一個有希望的潛在治療靶點。

釩酸鹽是多種磷酸酶的非特異競爭性強抑制劑[36-37]。釩化合物抑制PTP1B的機制是與酶活性中心結合。其結合模式是釩酸根呈三角雙錐構型，赤道氧原子與PTP1B的p環(huán)結合，頂部位置分別與半胱氨酸殘基Cys215的硫原子和底物肽的酪氨酸氧相結合；研究發(fā)現(xiàn)，基本上釩化合物-磷酸酶復合物中，只有釩酸鹽保留在特征結構中[37]。這表明，當釩配合物與磷酸酶作用時，無論其原始結構如何，配體的主要作用是將釩酸根傳遞到酶[36]。即使+4價釩配合物BMOV 等，在與PTP1B相互作用時，其與酶活性中心結合的氧釩離子實際上都發(fā)生了形態(tài)變化，轉化為釩酸根。此外，大多數(shù)釩配合物具有與釩酸鹽類似的抑制活性，其抑制常數(shù)（Ki）范圍差別在1000 倍以內(nèi)[36]。不過，釩配合物似乎在蛋白酪氨酸磷酸酶的同工酶[T 細胞蛋白酪氨酸磷酸酶（T-cell protein tyrosine phosphatase，TCPTP），巨核細胞蛋白酪氨酸磷酸酶2（megakaryocyte protein tyrosine phosphatase2，PTPMEG2），含C-Src 同源序列的酪氨酸磷酸酶SHP-1、SHP-2]中，對PTP1B的特異性略高[38]。只是由于總體親和力水平還是不夠高（lgKi為5～7），當釩化合物濃度在20μmol · L-1或以上時，會誘導活性氧（ROS）水平升高[39-44]，導致活性中心的Cys氧化失活，從而使其作用復雜化。為此，Crans[37]觀察到底物肽DADEYL 存在下，釩酸鹽抑制劑的親和力遠高于所有其他釩化合物，據(jù)此提出通過利用有機配體和磷酸酶之間的額外相互作用，可以顯著提高釩配合物的抑制效力和作用特異性。這一策略有望成為釩配合物磷酸酶抑制劑設計的通用策略。

PTP1B的抑制曾被認為是釩化合物胰島素增強效應的主要原因。然而，PTP1B基因敲除大鼠的表型與用釩化合物[37]治療的糖尿病大鼠表型并不相同。因此，抑制PTP1B只是釩化合物的作用機制之一，尤其是高濃度下的快速降糖作用。

1.2 降低胰島素抵抗

胰島素抵抗與肥胖和2型糖尿病密切相關，2型糖尿病最初可能表現(xiàn)為高胰島素血癥，但隨后表現(xiàn)為胰島素不足和胰島素抵抗[45]。研究表明：胰島素抵抗是炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）應激、氧化應激、線粒體功能障礙和自噬失調(diào)等復雜相互作用的結果；其中，應激激活的c-Jun N 末端激酶（JNK）已越來越被認為是胰島素抵抗的中樞介質(zhì)[46-47]。JNK 是3種主要的絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）之一，可能是應激與代謝性疾病之間的關鍵聯(lián)系蛋白。JNK 被磷酸化激活后，導致IRS-1在一些絲氨酸殘基如Ser307的磷酸化增加，從而抑制下游PI3K-AKT/PKB信號傳導過程（見圖2）；抑制JNK 活性能改善胰島素抵抗和葡萄糖耐受性[46-47]。筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物在體內(nèi)和體外均可抑制肝臟、脂肪和肌肉組織中的JNK 活化[48-50]。Niu 等[50]發(fā)現(xiàn)，VOdmada（結構見圖1）可有效改善B6·BKS(D)-Leprdb/JNju (db/db)胰島素抵抗小鼠的高胰島素血癥，同時提高其葡萄糖耐受性并使血糖水平正?；?。釩配合物抑制JNK 的分子機制可能與調(diào)節(jié)未折疊蛋白反應（unfoldedproteinresponse，UPR）和過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）有關。

釩配合物也能抑制二肽基肽酶-4（DPP-4），分子模擬表明，釩配合物可以很好地嵌入DPP-4激酶域的活性位點裂縫中[51]。DPP-4是一種負責腸促胰島素[胰高血糖素樣肽-1（glucagon-likepeptide 1，GLP-1）和葡萄糖依賴性促胰島素多肽（gastric inhibitory peptide，GIP）]降解的抗原酶；DPP-4抑制劑可延長體內(nèi)腸促胰島素效應，導致胰島素分泌增加，胃排空減少，胰高血糖素降低，從而降低血糖水平[52-53]。DPP-4目前是降糖藥（如西他列汀）和某些生物活性藥物如黃連素的靶點。

1.3 改善糖脂代謝

研究表明：釩化合物可作為一般轉錄調(diào)節(jié)劑，并使多種糖尿病致病基因的蛋白表達正常化，其中包括許多葡萄糖/脂類代謝酶，如肝葡萄糖轉運蛋白2、激素敏感脂肪酶、肌肉己糖激酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、丙酮酸激酶[54-56]。釩化合物作為降糖藥，不僅可以降低血液循環(huán)中葡萄糖水平，而且可以改善脂質(zhì)代謝，例如降低血脂水平（即三酰甘油和膽固醇[3,54,57]），糾正低脂血癥[57]，降低游離脂肪酸（FFA）水平[4]。

釩化合物降血糖和降血脂雙重作用的分子機制尚未完全闡明。然而，PPARγ 最近被認為是一個關鍵的作用靶點[48-49,58]。PPARγ 調(diào)節(jié)脂肪細胞分化、脂/葡萄糖代謝和炎癥過程[59-60]，可通過2種途徑激活：胰島素等激素[61-62]和PPARγ 配體激動劑[如噻唑烷二酮類（thiazolidinedione，TZD）[63-65]。

激活PPARγ 可改善2型糖尿病患者全身（脂肪、骨骼肌和肝臟）胰島素敏感性[63-65]。不過，脂肪組織被認為是TZD介導胰島素敏感性作用的主要靶組織。在脂肪組織中，PPARγ 活化促進脂肪生成，從而降低血液循環(huán)中FFA 的水平。在成熟脂肪細胞中，PPARγ 活化誘導許多參與胰島素信號轉導的基因的表達并增加了脂聯(lián)素的產(chǎn)生。脂聯(lián)素是一種眾所周知的胰島素增敏激素，可激活AMP激活蛋白激酶（AMPK）信號且同時減少引起胰島素抵抗的TNF-α 和抵抗素的產(chǎn)生。此外，PPARγ 還可以降低許多組織，特別是心血管內(nèi)皮的炎癥反應。因此，PPARγ 在糖尿病和其他代謝性疾?。ㄈ缪惓?、脂肪變性等）的藥物發(fā)現(xiàn)中一直是有吸引力的靶標。

釩化合物可在納摩爾至微摩爾濃度調(diào)控PPARγ的表達和磷酸化修飾[50,66]。例如，在db/db小鼠中，其可上調(diào)脂肪、骨骼肌和胰腺組織[48,50,58]中的PPARγ 水平和下游基因如脂聯(lián)素[49,58]的表達，進而在脂肪和骨骼肌中激活AMPK 和PPARα 信號轉導、促進能量平衡和糖脂代謝[49,58]（見圖2）。然而，在肝組織[50]和3T3-L1前脂肪細胞[4]中，釩配合物則降低PPARγ 水平。其中的生物學意義有待進一步闡明，推測可能與抑制脂肪在肝臟沉積有關。但是在肝臟中，釩化合物仍然能增加AKT/PKB活化和抑制JNK 磷酸化[50]，顯示其降低了肝組織的胰島素抵抗等活性。

釩化合物激活PPARγ 有2種可能途徑。其一，氧釩離子能以高親和力（lgKi=13～15）與相對分子質(zhì)量為60000的熱休克蛋白Hsp60結合，誘導PPARγ-Hsp60蛋白相互作用[48-49]。釩誘導的PPARγ-Hsp60 相互作用可以阻止TNF-α 誘導的PPARγ 降解，從而提高PPARγ 的蛋白質(zhì)水平；并且，釩化合物可增強胰島素或其他PPARγ 配體誘導的PPARγ 磷酸化，而不改變磷酸化模式[48]。其二，釩化合物可抑制Wnt3a[67]，后者能抑制PPARγ 及其靶基因表達[68]。釩抑制Wnt3a 的原因尚不清楚。不過，Wnt3a 和UPR[69]之間相互關聯(lián)，推測氧釩離子可能通過調(diào)節(jié)UPR 信號轉導抑制Wnt3a（見圖3）。由于釩化合物誘導PPARγ 的上調(diào)和活化作用與TZD藥物明顯不同，因此釩化合物不會產(chǎn)生TZD藥物副作用[64,70]，這是釩化合物較PPARγ 配體激動劑的一個優(yōu)勢。

1.4 胰島β細胞保護

釩化合物對1型糖尿病[如鏈脲佐菌素（streptozocin，STZ）誘導的糖尿病]具有有效和長期的降血糖作用。研究發(fā)現(xiàn)，治療后的動物都部分恢復了胰腺功能[71]。研究表明：釩化合物治療維持STZ 誘導的糖尿病大鼠的胰島β細胞結構[72]，并促進了β細胞的增殖和再生[73]。釩化合物預防胰島萎縮的效果優(yōu)于胰島素[16-17]，而與葡萄糖毒性的緩解關系不大[17]。因此釩化合物具有β細胞保護的作用，這是與普通降糖藥物相比的一個優(yōu)點。

釩化合物對胰腺β 細胞的保護作用有2種途徑（見圖3）：1）BMOV 和其他釩配合物及其轉化產(chǎn)物均與胰島淀粉樣多肽（islet amyloid polypeptide，IAPP）表現(xiàn)出高親和力，并抑制IAPP 的病理聚集[74]；2）氧釩離子調(diào)節(jié)細胞UPR，這是β細胞保護的主要機制[75]。

UPR 是細胞響應ER 應激等損傷的一類防御途徑[76]。ER 是蛋白質(zhì)折疊和加工、脂質(zhì)合成和鈣儲存的細胞器。在應激條件下，例如錯誤折疊蛋白超載或Ca2+耗竭，各種ER 受體從分子伴侶免疫球蛋白重鏈結合蛋白/相對分子質(zhì)量為78000（BIP/Grp78）的葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白上解離，啟動下游的信號轉導。在輕度或暫時性的ER 應激中，蛋白激酶RNA 樣ER 激酶Perk 途徑被激活，導致蛋白質(zhì)翻譯減少和細胞增殖停滯，從而防止了進一步的蛋白質(zhì)超載；同時，肌醇酶1-X 盒連接蛋白1（IRE1-XBP1）和（或）轉錄因子6（ATF6）等信號激活，從而上調(diào)多種蛋白質(zhì)伴侶（包括BIP/Grp78）的表達，用于結合、修復和清除錯誤折疊蛋白。如果ER 應激過于強烈或持續(xù)過長（如肥胖狀態(tài)），延長的IRE1將激活JNK 信號通路，從而導致胰島素耐受。此外，轉錄因子4（ATF4）被激活，導致CCAAT/增強子結合蛋白同源蛋白1（CHOP1）活化。CHOP1 會引起抗凋亡線粒體蛋白Bcl-2 的下調(diào)，導致線粒體途徑的細胞凋亡（見圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，ER 應激在胰腺細胞變性和胰島素抵抗發(fā)展中起著重要作用；通過血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑替米沙坦[77]抑制ER 應激，可使STZ 誘導糖尿病的發(fā)生率降低一半以上。

筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物VO(acac)2在納摩爾至微摩爾濃度范圍內(nèi)本身不會影響UPR，但可以促進FFA 誘導的BIP/Grp78的表達，且降低應激下的促凋亡蛋白CHOP水平；同時，釩配合物恢復了FFA 干擾的細胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)[75]，從而顯著降低了FFA 誘導的β細胞損傷。此外，釩配合物促進FFA誘導的Perk 信號轉導，也導致胰島素合成減少。上述結果一方面有助于保持ER 穩(wěn)態(tài)、減輕ER 應激狀態(tài)下的β細胞負擔，同時確保已合成胰島素的折疊和分泌，并減少作為1型糖尿病“自身抗原”來源的錯誤折疊胰島素[78]。另一方面，Perk 通路的增強可抑制Wnt 活性，從而上調(diào)PPARγ水平[69]。

圖3 釩化合物對未折疊蛋白響應的調(diào)控作用Figure 3 Regulation of vanadium compounds on the response of unfolded proteins

1.5 神經(jīng)保護作用

阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）已被證實與糖尿病密切相關[79-80]。2型糖尿病患者發(fā)生AD的風險比正常人群高約2倍。研究發(fā)現(xiàn)，AD和糖尿病存在許多共同的病理現(xiàn)象，相互促進彼此的病理進程[81-82]。超過80%的AD患者都存在明顯的胰島素抵抗，且血糖水平不正常。AD的重要病理因子β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）可導致線粒體功能和動態(tài)損傷，激活JNK 和CDK5，從而抑制胰島素信號轉導；反之，胰島素抵抗則導致細胞PI3K-AKT/PKB信號下降，導致糖原合成酶激酶GSK-3β 活性升高，從而引起Tau 過度磷酸化；而Tau 過度磷酸化誘導神經(jīng)纖維纏結（NFT），這是導致神經(jīng)元死亡的直接原因。此外，Aβ可與胰島素競爭結合胰島素降解酶（IDE），相互抑制對方的分解。因此，一些研究人員將AD稱為3型糖尿病[80]。

筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物可顯著改善因高血糖而受損的空間學習和記憶[83]。研究發(fā)現(xiàn)，對APP/PS1 模型小鼠經(jīng)口給予亞降糖劑量（0.1 mmol · kg-1· d-1）的VO(acac)2，明顯改善了小鼠的認知表型，并減少了小鼠的神經(jīng)元的缺失[84]。有趣的是，釩配合物的作用不受Aβ沉積的影響，也不減少APP/PS1小鼠腦組織Aβ斑塊數(shù)量。不過，釩配合物顯著減少了水溶性Aβ寡聚體，支持了水溶性Aβ寡聚體才是真正毒性Aβ物種的觀點。機制研究表明（見圖4）：釩配合物是通過激活PPARγ-AMPK 的信號轉導通路增強細胞糖代謝和能量生產(chǎn)，從而提高細胞活力，并進一步抑制GSK-3β活化、延緩進一步的Tau 病理發(fā)生。此外，釩配合物上調(diào)了線粒體伴侶蛋白Grp75的表達水平。Grp75增加不僅可抑制ROS產(chǎn)生，且可以抑制氧化應激誘導的p53核轉位，進而抑制AD病理相關的神經(jīng)細胞凋亡。抗糖尿病釩配合物的抗AD作用及其應用是未來值得深入研究的新課題。

圖4 釩化合物抗阿爾茨海默病作用機制Figure 4 Anti-Alzheimer’s disease mechanism of vanadium compounds

2 釩配合物的抗腫瘤作用及機制

很早發(fā)現(xiàn)，釩化合物具有顯著的腫瘤預防作用，雖然這可能是由于上述調(diào)節(jié)機體能力代謝和抗炎、抗氧化等而發(fā)揮的作用，但研究亦發(fā)現(xiàn)釩化合物可減少DNA 的烷基化[85]，從而降低DNA 突變的發(fā)生，這可能是釩化合物發(fā)揮腫瘤預防作用的機制之一。近10年來，釩化合物的抗腫瘤作用受到了研究者的關注。釩化合物能夠抑制多種腫瘤的增殖和誘導腫瘤細胞凋亡，也能通過多種作用方式限制腫瘤細胞的侵襲和轉移[86-87]。其具有多樣化的抗腫瘤機制，主要包括：1）直接與DNA 骨架的磷酸基團結合，誘導DNA 損傷，但其結合方式不同于順鉑[88]；2）促進活性氧（ROS）的生成，通過氧化應激相關信號途徑導致細胞凋亡[88-90]；3）通過增強c-fos相關信號轉導或抑制某些關鍵磷酸酶，導致細胞周期阻滯[90-91]；4）調(diào)節(jié)癌細胞能量代謝，抑制Warburg 效應[92]；5）誘導癌細胞自噬[93]；6）誘導腫瘤細胞失巢凋亡[90,94]；7）通過與miRNA 結合，抑制腫瘤生長[95]等。

值得一提的是，釩化合物的抗腫瘤作用相比鉑族藥物來說一般作用較弱，但釩化合物誘導某些腫瘤細胞凋亡的能力明顯大大高于正常細胞，并且對兩者的作用模式也不同[42]。例如對HepG2肝癌細胞，VO(acac)2可通過誘導持續(xù)的ERK 磷酸化激活而降低磷酸化Rb蛋白水平，從而使HepG2細胞生長阻滯于G1/S期，進而誘導腫瘤細胞凋亡；而相同濃度的VO(acac)2并不影響正常L-02肝細胞的增殖。高濃度的VO(acac)2在正常肝細胞中通過誘導氧化應激導致細胞毒性，抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（NAC）處理可抑制這種毒性；但NAC處理不能抑制VO(acac)2對腫瘤細胞的毒性[42,96]。筆者課題組推測細胞周期調(diào)節(jié)機制的不同可能與抑制某些關鍵磷酸酶、導致蛋白質(zhì)磷酸化修飾的差異有關[97]。細胞的生長調(diào)節(jié)因細胞類型和生長周期的不同而不同，因此增殖（腫瘤）細胞和非增殖（組織）細胞對釩配合物處理的反應存在差異。再如，釩配合物可對2 種細胞類型的干擾素的應答分別進行調(diào)節(jié)[98]，從而使腫瘤細胞（而非正常組織）對干擾素和溶瘤病毒感染更為敏感[99]。因此，有望建立基于釩配合物預處理的新型抗癌生物療法。

在各種腫瘤細胞中，神經(jīng)母細胞瘤細胞系可能對釩化合物治療最為敏感。最近筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物對神經(jīng)母細胞瘤細胞系的毒性（IC50為5～30μmol · L-1）與順鉑相當（IC50為0.6～40μmol · L-1），是對正常原代神經(jīng)元細胞毒性（IC50約為250 μmol·L-1）的15倍。進一步的對比研究表明[97]，釩配合物通過濃度依賴的2條途徑抑制神經(jīng)母細胞瘤生長：一是誘導細胞周期蛋白cyclin D過表達，通過cyclin D介導的未知途徑誘導細胞凋亡；二是在高濃度時（＞50μmol·L-1）抑制多種細胞周期相關的磷酸酶（鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶和Cdc25C）的活性，導致細胞周期阻滯和最后的細胞凋亡。這2條途徑均為非p53依賴的，因此，釩配合物的凋亡誘導模式對發(fā)現(xiàn)新的抗癌藥物、克服因p53突變引起的化療耐藥性很有意義。

值得一提的是，神經(jīng)母細胞瘤是繼白血病和腦癌之后兒童中第三常見的癌癥[100]。在兒童癌癥死亡病例中，約15%與神經(jīng)母細胞瘤有關[101]。目前該癌癥使用順鉑藥物（順鉑、卡鉑）與其他藥物（如阿霉素）聯(lián)合化療。然而，順鉑藥物對神經(jīng)母細胞瘤細胞和正常神經(jīng)細胞表現(xiàn)出相當接近的細胞毒性[96]。事實上，周圍神經(jīng)毒性一直是順鉑藥物[102]的主要劑量限制性副作用[103-104]。因此，釩化合物在神經(jīng)母細胞瘤等中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的治療中具有較大的潛力。

3 釩配合物藥物設計和藥物發(fā)現(xiàn)

對釩化合物的生物學效應和分子機制的研究表明，釩化合物是繼順鉑之后具有巨大開發(fā)潛力的金屬藥物。顯然，釩化合物在動物體內(nèi)外試驗中均表現(xiàn)出有效的降血糖作用，并在治療代謝綜合征方面取得了成功，使其成為有前途的抗糖尿病藥物。雖然人們對釩金屬毒性的憂慮一時難以消除，但以往的研究表明，釩的毒性雖然復雜，但主要與金屬引起的氧化應激有關[105]，因此是可預計和可控制的。

筆者課題組對抗糖尿病釩化合物的理性結構設計曾有較全面的綜述[106]。未來的重點依然是如何控制金屬離子的體內(nèi)物種變化。物種變化問題對于所有金屬藥物都是一個重要的問題和挑戰(zhàn)[107]。在生物體內(nèi)，過渡金屬配合物都會發(fā)生復雜的化學反應和物種變化，例如水化、水解、配體交換、氧化還原反應和與蛋白質(zhì)分子的非共價結合（之后常發(fā)生與蛋白質(zhì)分子的配體交換）等。這些變化將導致藥物失效或產(chǎn)生毒性，并且會導致配合物的體內(nèi)活性與體外篩選結果嚴重不一致。

對于抗糖尿病釩配合物，如前所述，配體的作用是將活性氧釩離子或釩酸根傳遞到其靶酶/蛋白質(zhì)[108-109]，其中重要的靶蛋白為熱休克蛋白家族（如Hsp60、Grp78和Grp75等）和蛋白磷酸酶PTP1B。釩酸根及目前已知的氧釩配合物與PTP1B的結合作用（lgKi為6～8）[36]，與其對生物介質(zhì)中各種分子的非特異性結合作用（通常為lgKi為4～7）相當。因此，如何設計與PTP1B更穩(wěn)定和更特異性結合的釩配合物是未來設計抗糖尿病釩化合物的一個重要工作。而氧釩離子具有與Hsp60結合的高親和性（lgKi為13～15）[106]，從熱休克蛋白家族的結構相似性推測，釩化合物與其他熱休克蛋白家族靶蛋白的結合也應在此范圍，因此，穩(wěn)定常數(shù)（lgKs）在8～12范圍內(nèi)的氧釩配合物既可以避免非特異性結合，又能高效地向靶蛋白遞送氧釩離子。總結以往研究的經(jīng)驗，筆者課題組提出釩配合物理性設計的要點為：1）氧化數(shù)為+4或+5的釩配合物，尤其是+4價的釩配合物，更適合于制備安全的抗糖尿病藥物；2）配合物的穩(wěn)定性高（lgKs為7～13），這樣可以有效和特異地釋放釩離子；3）配合物與白蛋白結合并保持結構完整，將使釩配合物在體內(nèi)的分布具有良好的特性；4）具有抗炎和抗氧化活性的結構的引入，將有利于平衡治療性能和副作用。筆者課題組最近制備的氨基三乙酸衍生物氧釩配合物VOhpada[58]和VOdmada 系列化合物，其lgKi約為11。與其他釩配合物相比，這些化合物的治療指數(shù)均顯著提高。

釩化合物的另一個潛在應用是抗腫瘤作用。抗腫瘤釩化合物的設計與抗糖尿病釩配合物的設計在許多方面相似，比如對特定磷酸酶的抑制劑設計，如何提高抑制劑與靶酶的親和力及結合的特異性是一個巨大的挑戰(zhàn)。特別是，目前機制研究雖然闡明了其作用的分子途徑，但尚未明確其中的靶分子。因此，通過理性設計抗腫瘤釩配合物目前還存在巨大的困難，期待今后在釩配合物抗腫瘤藥理分子機制領域的重大發(fā)現(xiàn)。

從目前已知的釩化合物藥理作用的分子機制來看，釩化合物還有許多潛在的應用空間有待深入探索。例如抗糖尿病釩配合物的抗AD應用，進一步探索設計新型抗AD釩配合物。近來，筆者課題組意識到，從金屬離子的相似性作用規(guī)律出發(fā)[2]，探索金屬離子調(diào)節(jié)體內(nèi)應激響應是未來發(fā)現(xiàn)高效低毒金屬藥物的重要策略[105,110]。目前的研究表明，釩配合物與熱休克蛋白家族具有較特異的相互作用，針對熱休克蛋白家族研究釩化合物的生物活性及藥理作用是未來釩配合物藥物研究大有可為的領域。

4 結語

過去20年，研究者對釩化合物生物活性及其分子機制獲得了較為深入的認識，推動了釩化合物特別是抗糖尿病釩配合物的藥理機制研究和理性分子設計。釩配合物具有良好的藥動學特性，在生理介質(zhì)中，可以通過復雜的物種變化與各種細胞內(nèi)靶標進行相互作用。研究表明，釩化合物可以通過改善葡萄糖和脂質(zhì)代謝，促進胰島素信號轉導，發(fā)揮降血糖以及胰島素保護作用。除了抗糖尿病藥物，釩配合物在抗腫瘤和抗AD藥物上也具有巨大的開發(fā)潛力。相關研究也將是具有巨大發(fā)展前景的研究領域。