燈盞花乙素苷元結(jié)構(gòu)修飾的研究進(jìn)展

韓官甫 李潤(rùn)濤 張 偉

1.昆明醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院暨云南省天然藥物藥理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2. 昆明龍津藥業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650503；3.北京大學(xué)藥學(xué)院，北京 100191

《柳葉刀》2017全球疾病負(fù)擔(dān)研究(Global Burden of Disease Study 2017， GBD)顯示目前世界范圍內(nèi)，慢性非傳染性疾病(NCD)死亡人數(shù)占全球總死亡人數(shù)的73.4%(4110萬)，其中心腦血管疾病死亡的人數(shù)(1780萬)是NCD最大的死亡原因，在2007～2017年十年間，全球因心腦血管疾病造成的死亡人數(shù)同比增加21.1%，針對(duì)心腦血管疾病的防治面臨極大的挑戰(zhàn)[1]。

目前，中藥在心腦血管疾病的預(yù)防和治療中發(fā)揮著重要作用，我國(guó)腦血管病治療方案已經(jīng)成為國(guó)際最高標(biāo)準(zhǔn)。心腦血管疾病是機(jī)體復(fù)雜因素引起，血瘀是中醫(yī)理論中心腦血管疾病的主要發(fā)病原因，中藥治療心腦血管疾病的機(jī)理主要通過改善心腦及周圍血管功能，提高靶器官血液循環(huán)，抑制組織增生，調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫力等多靶點(diǎn)、多環(huán)節(jié)作用來發(fā)揮療效[2]。通過對(duì)已有的，有明確藥理活性的中藥有效成分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造是目前開發(fā)新藥的有效手段之一。自20世紀(jì)七十年代起，燈盞花乙素(圖1.1)就被制成各種制劑用于治療心腦血管疾病，有巨大的發(fā)展?jié)摿?，值得藥學(xué)工作者深入研究。

圖1 燈盞花乙素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

燈盞花又名燈盞細(xì)辛, 是菊科植物短葶飛蓬Erigeronbreviscapus(Vant.) Hand.-Mazz.的干燥全草，以根或全草入藥, 微苦, 甘溫辛, 性溫, 歸心、肝經(jīng), 具有祛風(fēng)除濕、活絡(luò)止痛功效。燈盞花主要產(chǎn)于我國(guó)云南、湖南、貴州等地，其中云南省能入藥的燈盞花資源占全國(guó)總資源總量的95%以上[3]。燈盞花乙素是燈盞花中含有的明確藥效成分，主要藥理作用為抗炎、抗氧化、抗凋亡、抗纖維化、神經(jīng)保護(hù)、抗凝及改善循環(huán)[4]，最近有報(bào)道稱其具有潛在的降血糖和保護(hù)腎臟等作用[5]。

盡管燈盞花乙素(Scutellarin)在臨床使用中有著確切的療效，但該藥物目前也存在缺點(diǎn)：水溶性差(0.056g/L)、脂溶性差(logP=-2.56,pH=4.2磷酸緩沖溶液)、口服生物利用度低(0.4%)，半衰期短(52±29min)等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)限制了燈盞花乙素類藥物在臨床中的使用。

燈盞花乙素苷元1-1(圖2)是燈盞花乙素在人體內(nèi)的主要吸收形式，且與燈盞花乙素相比，其口服生物利用度是燈盞花乙素的3倍[6]，但是燈盞花乙素苷元也存在溶解度和穩(wěn)定性差，生物利用度低和活性弱等缺陷。將有活性的天然產(chǎn)物作為先導(dǎo)化合物，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾是目前新藥開發(fā)有效手段之一。因此對(duì)燈盞花乙素進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)改造，希望以此獲得活性更高，溶解度更高，生物利用度改善的衍生物。目前，針對(duì)燈盞花乙素苷元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在A環(huán)和B環(huán)上，下面依次進(jìn)行介紹。

圖2 燈盞花乙素苷元的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1 燈盞花乙素苷元A環(huán)結(jié)構(gòu)改造

1.1 燈盞花乙素苷元A環(huán)6位結(jié)構(gòu)改造 段金廒課題組[7]對(duì)燈盞花乙素苷元的四個(gè)羥基分別進(jìn)行單甲基化，雙甲基化和三甲基化后發(fā)現(xiàn)：6-位甲基化燈盞花乙素苷元1-2(圖三)顯示出比燈盞花乙素苷元更優(yōu)的抗血栓形成活性，更強(qiáng)的抗氧化活性以及更好的溶解性和脂水分配系數(shù)。提示化合物1-2可以作為心腦血管疾病治療的先導(dǎo)化合物。該課題組[8]在此前工作的基礎(chǔ)上，為了改善代謝穩(wěn)定性及提高生物利用度，在燈盞花乙素苷元6位引入常見含氮藥效基團(tuán)。結(jié)果表明，當(dāng)6-位取代基為N，N-二異丙氨乙基時(shí)(圖3，1-3)，該化合物的抗凝血活性、抗氧化活性及水溶性都有明顯提高。

圖3 燈盞花乙素苷元6位改造的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.2 燈盞花乙素苷元A環(huán)7位結(jié)構(gòu)改造 楊麗梅[9]通過藥理活性測(cè)試初步證實(shí)燈盞花乙素結(jié)構(gòu)中的葡萄糖醛酸基團(tuán)對(duì)藥理活性作用不大，設(shè)計(jì)合成了18個(gè)燈盞花乙素苷元的衍生物：苷元酯類化合物3個(gè)、醚類苷元化合物14個(gè)和磺酸鈉鹽苷元化合物1個(gè)，對(duì)其進(jìn)行藥理活性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)化合物1-4(圖4)在保持燈盞花乙素苷元活性的同時(shí)對(duì)缺氧損傷的原代大鼠心肌細(xì)胞和SHSY5Y細(xì)胞具有更優(yōu)的保護(hù)作用。并根據(jù)活性測(cè)試結(jié)果推斷燈盞花乙素4′-羥基對(duì)缺氧損傷大鼠心肌細(xì)胞的保護(hù)起決定性因素。

圖4 燈盞花乙素苷元7位改造的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.3 燈盞花乙素苷元A環(huán)8位結(jié)構(gòu)改造 李念光等[10]將燈盞花乙素苷元與凝血酶(2R2M)進(jìn)行分子對(duì)接發(fā)現(xiàn)，燈盞花乙素苷元的B環(huán)和C環(huán)能夠很好的與凝血酶S2和S1口袋相結(jié)合，但是A環(huán)只能與S3口袋結(jié)合一部分，因此他們嘗試?yán)寐嵯７磻?yīng)在A環(huán)引入一系列脂肪胺和脂環(huán)族胺制備燈盞花乙素苷元8-氨基甲基化衍生物。并通過凝血酶原時(shí)間(PT)，活化部分凝血活酶時(shí)間(APTT)，凝血酶時(shí)間(TT)和纖維蛋白原(FIB)的分析測(cè)試了所有化合物的凝血酶抑制活性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在合成的一系列化合物中發(fā)現(xiàn)當(dāng)8位為嗎啉基亞甲基取代化合物1-5(圖5)時(shí)與燈盞花乙素苷元相比具有更強(qiáng)的抗凝活性，更好的水溶性和更優(yōu)的抗氧化活性，該結(jié)果對(duì)燈盞花乙素苷元進(jìn)一步結(jié)構(gòu)修飾提供了新思路。

圖5 燈盞花乙素苷元8位改造的化學(xué)結(jié)構(gòu)

隨后，該課題組[11]為了進(jìn)一步解決燈盞花乙素苷元水溶性較差這一問題，繼續(xù)對(duì)8位進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾。目前，對(duì)類黃酮類化合物進(jìn)行磺酸化是增加其溶解度的有效方法之一[12]。當(dāng)在燈盞花乙素苷元8位引入磺酸集團(tuán)后，發(fā)現(xiàn)化合物1-6(圖5)的溶解度為1949.64 μg/mL，而燈盞花乙素苷元僅為6.85 μg/mL，與此同時(shí)母體化合物的生物活性仍得以保留。

2 燈盞花乙素苷元B環(huán)結(jié)構(gòu)改造

藥物拼合是現(xiàn)代新藥開發(fā)的有效手段之一，通過將兩個(gè)不同藥效的化合物拼合在一起發(fā)揮協(xié)同作用，不但增加藥物的活性，同時(shí)能降低毒副作用等[13]。將燈盞花乙素苷元與其它藥效基團(tuán)拼接也為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改造提供了方向。

2.1 燈盞花乙素苷元B環(huán)4’位結(jié)構(gòu)改造(連接氨基酸類) 為了設(shè)計(jì)合成有較強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞氧化損傷保護(hù)作用的燈盞乙素苷元衍生物，傅曉鐘等[14]以燈盞花乙素苷元為先導(dǎo)化合物，利用藥物拼合原理在其4’-羥基上引入L-氨基酸酯、醚結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)并合成11個(gè)衍生物。通過H2O2誘導(dǎo)PC12細(xì)胞氧化損傷模型對(duì)這一系列衍生物進(jìn)行體外抗氧化活性評(píng)價(jià), 同時(shí)進(jìn)行了目標(biāo)化合物理化性質(zhì)研究。發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)合成的系列化合物均具有抗氧化活性，溶解度也有一定提高，但通過穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燈盞乙素苷元4’-L-氨基酸酯類化合物可能會(huì)在體內(nèi)分解為燈盞花乙素苷元致其相對(duì)生物利用度無明顯變化，尤其是在中性條件下酯類化合物降解半衰期(t1/2) 0.5 h。

隨后該課題組[15]為了解決燈盞花乙素苷元4′-L-氨基酸酯類化合物在弱酸環(huán)境下不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在氨基酸的羧基和氨基中插入苯環(huán)以防止其在體內(nèi)快速水解，獲得了一系列新的前藥衍生物，其中化合物1-7(圖6)的穩(wěn)定性得到極大提升，并且該衍生物能在體內(nèi)通過酶促反應(yīng)快速釋放原藥，進(jìn)一步發(fā)揮抗氧化作用，可以作為有潛力的候選藥物繼續(xù)進(jìn)行研究。

圖6 燈盞花乙素苷元4’位連接氨基甲酸酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2.2 燈盞花乙素苷元B環(huán)4’位結(jié)構(gòu)改造(連接氮芥) 氮芥是最早用于治療腫瘤且效果明顯的抗腫瘤藥物，該藥物進(jìn)入人體后通過分子內(nèi)成環(huán)作用，形成高度活潑的乙酰亞胺離子，一方面可以有效的發(fā)揮抗癌作用，但另一方面也有極強(qiáng)的致癌副作用[16]。而燈盞花乙素作為天然的多酚類化合物，有著廣譜的生物活性和低毒性。其本身也有誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[17]、抑制遷移和侵襲[18]和對(duì)敏感細(xì)胞的化療[19]等作用。

將燈盞花乙素苷元與氮芥進(jìn)行拼接有可能開發(fā)出一款新的抗腫瘤新藥。基于這一原理，李大宏課題組[20]將燈盞花乙素苷元與氮芥進(jìn)行拼合，得到3個(gè)化合物1-8 a-c(圖7)，這三個(gè)化合物對(duì)MCF-7(乳腺癌)和Bel-7402(肝癌)細(xì)胞表現(xiàn)出良好的抗增殖活性，IC50值在1.50-9.07μM之間；1-8a和1-8c對(duì)A549(肺癌)細(xì)胞系表現(xiàn)出中等活性，IC50值分別為21.47 μM和23.51 μM。

圖7 燈盞花乙素苷元4’位連接氮芥的化學(xué)結(jié)構(gòu)

綜合以上體外活性結(jié)果，選擇對(duì)化合物1-8 a進(jìn)行MCF-7細(xì)胞系的相關(guān)研究。機(jī)理研究表明，1-8 a可以誘導(dǎo)MCF-7細(xì)胞凋亡，將MCF-7細(xì)胞周期阻滯在G1期，并以濃度依賴的方式引起線粒體功能障礙。此外，促凋亡蛋白caspase-9、caspase-3、Bax和cytochrome c，以及抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)降低，也都證實(shí)化合物1-8 a誘導(dǎo)MCF-7細(xì)胞內(nèi)在的凋亡途徑。強(qiáng)大的抗增殖活性和良好的選擇性使化合物1-8 a做為潛在的抗腫瘤藥物被該課題組進(jìn)一步開發(fā)。

3 小結(jié)與展望

對(duì)以上燈盞花乙素苷元的結(jié)構(gòu)修飾進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前得到活性較好的新化合物集中在A環(huán)的6、7、8位和C環(huán)的4’位酚羥基的醚化或酯化，對(duì)芳香環(huán)的修飾還未觸及，仍有很大的改造空間；一些新藥中常見的藥效基團(tuán)如F、CF3和環(huán)丙烷等也可以作為電子等排體適當(dāng)引入，以期能得到活性更好，理化性質(zhì)更強(qiáng)的新藥；將兩個(gè)或多個(gè)相似活性的藥物進(jìn)行化學(xué)拼合以找到效果更好的藥物這一新藥開發(fā)手段也可以用于該化合物進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾中。