異斯特維醇及其衍生物抗腫瘤活性研究進(jìn)展

劉從軍，劉盼萍，柯 明

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院 化工食品學(xué)院，河南 鄭州 450044)

異斯特維醇(isosteviol)是由天然產(chǎn)物甜菊苷在酸性條件下水解得到的四環(huán)二萜類化合物，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。早期研究發(fā)現(xiàn)，該化合物具有降血壓、降血糖等藥理功效。近年來(lái)，隨著對(duì)其研究的深入，大量的異斯特維醇衍生物被設(shè)計(jì)和合成，一些新的性能也被開發(fā)，如：抗腫瘤活性、小分子催化性能、超分子自組裝性能等[1]。尤其是部分衍生物展現(xiàn)出比其自身更好的抗腫瘤功效，促使研究者更進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型異斯特維醇衍生物，以期在抗腫瘤新藥開發(fā)領(lǐng)域有更深層次的突破。基于此，本文綜述異斯特維醇及其衍生物在抗腫瘤活性方面的最新研究進(jìn)展，以期為此類化合物的抗腫瘤新藥開發(fā)研究提供參考。

圖1 異斯特維醇結(jié)構(gòu)

1 異斯特維醇抗腫瘤活性

2006年，Wong[2]首先報(bào)道了異斯特維醇通過(guò)改變活性氧的生成來(lái)抑制血管緊縮素-II誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖，從而推論出異斯特維醇具有抗腫瘤細(xì)胞增生的能力。

2015年，Al-Dhabi[3]利用不同濃度的異斯特維醇作用于Vero和MCF7 細(xì)胞，結(jié)果顯示：異斯特維醇對(duì)兩株腫瘤細(xì)胞的抑制呈現(xiàn)出時(shí)間和劑量的依賴性，對(duì)Vero和MCF7 細(xì)胞的IC50值分別為2.18 μg/mL和2.50 μg/mL。

2016年，王小俠[4]考察異斯特維醇對(duì)骨肉瘤細(xì)胞U-2OS生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示：異斯特維醇對(duì)骨肉瘤細(xì)胞U-2OS的抑制呈現(xiàn)出時(shí)間和劑量依賴性。進(jìn)一步機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)：異斯特維醇通過(guò)促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生，降低細(xì)胞膜電位，破壞細(xì)胞膜完整性，上調(diào)Bax的表達(dá)和下調(diào)Bcl-2的表達(dá)而促進(jìn)U-2OS細(xì)胞的凋亡。

2 異斯特維醇衍生物抗腫瘤活性

異斯特維醇自身的抗腫瘤活性吸引了研究者對(duì)其衍生物的進(jìn)一步開發(fā)，以期獲得抗腫瘤性能更好的新型衍生物。在研究異斯特維醇抗腫瘤活性過(guò)程中，研究者通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化、電化學(xué)法、化學(xué)合成法等對(duì)異斯特維醇的D環(huán)，19位羧基進(jìn)行重點(diǎn)結(jié)構(gòu)修飾，獲得了大量的、結(jié)構(gòu)新穎的異斯特維醇衍生物，并評(píng)價(jià)了部分新型衍生物的抗腫瘤活性，一些作用機(jī)制也被進(jìn)一步探索。

2.1 D環(huán)修飾的異斯特維醇衍生物抗腫瘤活性

2009年，Wu[5]首先以異斯特維醇為原料，重點(diǎn)對(duì)其D環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，經(jīng)酯化、還原、羥醛縮合、康尼查羅、1,3-偶極環(huán)加成等反應(yīng)，合成出單羥基(1)、雙羥基(2)、四氫異噁唑環(huán)(3)和吡唑環(huán)(4)駢異斯特維醇衍生物(圖 2)，評(píng)價(jià)了它們對(duì)B16-F10黑色素瘤細(xì)胞的抑制活性，結(jié)果顯示這些化合物均表現(xiàn)出較好的細(xì)胞毒活性，尤其是化合物3和4對(duì)B16-F10黑色素瘤的抑制濃度IC50值分別達(dá)到15 μM/mL和19 μM/mL。并提出在異斯特維醇分子骨架上引入羥基或雜環(huán)能提高其抗腫瘤活性。

圖2 D環(huán)修飾的羥基、雜環(huán)駢異斯特維醇衍生物1-4

在上述工作的基礎(chǔ)上，2012年，Zhang等人[6]繼續(xù)在異斯特維醇D環(huán)上引入羥基，合成出新型雙羥基(5，6)、氨基醇(7，8)駢異斯特維醇衍生物(圖3)，評(píng)價(jià)了它們對(duì)EC9706，Eca109，PC-3和HCT-116四株腫瘤細(xì)胞的抑制活性，結(jié)果顯示：含有多羥基的異斯特維醇衍生物對(duì)四組癌細(xì)胞表現(xiàn)出中等的抗腫瘤效果，而含有氨基醇亞結(jié)構(gòu)單元的衍生物8表現(xiàn)出突出的抑制活性(IC50=4.01，5.02，15.31和12.25 μM/mL)，并詳細(xì)分析了羥基、氨基醇駢異斯特維醇衍生物結(jié)構(gòu)與活性間的構(gòu)效關(guān)系。

圖3 D環(huán)修飾的羥基、氨基醇駢異斯特維醇衍生物5-8

基于D環(huán)修飾的氨基醇駢異斯特維醇衍生物具有較好的抗腫瘤功效，2016年，Liu[7]對(duì)異斯特維醇D環(huán)繼續(xù)結(jié)構(gòu)修飾，合成了與化合物8結(jié)構(gòu)類似的化合物9和10，同時(shí)，對(duì)氨基醇亞結(jié)構(gòu)單元又進(jìn)一步改造，將一系列硫脲結(jié)構(gòu)引入到氨基上(圖4)，評(píng)價(jià)了它們對(duì)HCT-116，HGC-27和JEKO-1三組腫瘤細(xì)胞的抑制活性，結(jié)果顯示：含有硫脲結(jié)構(gòu)片段的異斯特維醇衍生物表現(xiàn)出比前體化合物10更好的抗腫瘤效果，尤其是化合物11對(duì)HCT-116細(xì)胞的抑制活性IC50值達(dá)1.450 μM/mL。

圖4 D環(huán)修飾的氨基醇、硫脲駢異斯特維醇衍生物9-11

2013年，Zhu[8]重點(diǎn)將活性雜環(huán)亞結(jié)構(gòu)單元引入到異斯特維醇的D環(huán)區(qū)域，首先通過(guò)異斯特維醇酯化、Tollens反應(yīng)，氧化、開環(huán)、縮合、環(huán)合等反應(yīng)，將吡唑啉、吡唑和異噁唑環(huán)引入到異斯特維醇D環(huán)上，隨后又將不同取代的苯環(huán)(12，13)、苯基硫脲(14)亞結(jié)構(gòu)單元引入到雜環(huán)結(jié)構(gòu)上(圖5)，合成出100多個(gè)新型衍生物，測(cè)試了衍生物對(duì)四株腫瘤細(xì)胞SGC7901，A549，Raji和Hela的抑制活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些化合物對(duì)Raji細(xì)胞具有顯著的抑制效果，尤其是2,4-二氯苯基吡唑取代的異斯特維醇衍生物對(duì)Raji細(xì)胞的IC50達(dá)到1.09 μM/mL。

圖5 D環(huán)修飾的吡唑啉、吡唑和異噁唑駢異斯特維醇衍生物12-14

2014-2016年，Khaybullin[9]和Liu[10]等人分別對(duì)異斯特維醇D環(huán)羰基和羥甲基進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾引入疊氮基；隨后，利用“Huisgen click”反應(yīng)將1,2,3-三氮唑結(jié)構(gòu)單元引入到異斯特維醇的D環(huán)區(qū)域，合成了20余個(gè)1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物，評(píng)價(jià)了16位羰基修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物對(duì)MDA-231，A-549，ASPC-1，PC-3，HCT-116和HeLa腫瘤細(xì)胞的抑制活性，其中化合物15(圖6)對(duì)HeLa細(xì)胞的抑制效果最好，IC50值達(dá)(29.62±1.52) μM/mL。15羥甲基修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物抑制HCT-116和JEKO-1細(xì)胞的作用結(jié)果顯示：化合物16(圖6)對(duì)HCT-116細(xì)胞的抑制效果最好，IC50值達(dá)(2.987±0.098)μM/mL。

圖6 D環(huán)修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物15,16

D環(huán)區(qū)域引入α，β-環(huán)外不飽和酮、酯等亞結(jié)構(gòu)單元也被證實(shí)能夠提高其抗腫瘤活性。自2011年以來(lái)，Li研究小組[11]相繼在異斯特維醇D環(huán)上引入α，β-環(huán)外不飽和酮、酯等結(jié)構(gòu)單元合成出10多個(gè)α，β-環(huán)外不飽和酮、酯駢異斯特維醇衍生物(圖7)，其中抗腫瘤活性較好的化合物18對(duì)MDA-MB-231和MGC-803細(xì)胞的抑制濃度IC50值分別為1.58和2.22 μM/mL；化合物19在對(duì)PC-3，HCT-116，MDA-MB-231，K-562，HepG-2和MGC-803腫瘤細(xì)胞的活性評(píng)價(jià)中，選擇性地抑制MGC-803細(xì)胞的生長(zhǎng)(IC50= 11.23 μM/mL)。

圖7 D環(huán)修飾的α，β-環(huán)外不飽和酮、酯駢異斯特維醇衍生物17-19

Liu[12]發(fā)現(xiàn)在異斯特維醇D環(huán)區(qū)域引入氮氧化物結(jié)構(gòu)片段也能提高其抗腫瘤活性。該小組通過(guò)多步反應(yīng)，合成出了系列新型D環(huán)修飾的氮氧化物駢異斯特維醇衍生物，評(píng)價(jià)了其對(duì)HepG-2，B16-F10，HCT-116，Huh-7和SW6-20細(xì)胞的抑制活性，結(jié)果顯示，化合物20和21(圖8)對(duì)B16-F10細(xì)胞生長(zhǎng)具有較好的抑制作用。從進(jìn)一步的構(gòu)效關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，化合物分子中的NO釋放量與化合物的抗腫瘤效果呈現(xiàn)正比關(guān)系，說(shuō)明氮氧化物亞結(jié)構(gòu)在其抗腫瘤過(guò)程中扮演著極其重要的作用。

圖8 D環(huán)修飾的氮氧化物駢異斯特維醇衍生物20,21

D環(huán)開環(huán)也能夠提高異斯特維醇的抗腫瘤活性。2013年，Das[13]從毛茛科草本植物白頭翁(Pulsatilla nigricans)中提取得到異斯特維醇D環(huán)開環(huán)產(chǎn)物22(圖9)，其抑制HeLa細(xì)胞的IC50值為 50.8 μg/mL。進(jìn)一步機(jī)制研究結(jié)果顯示，化合物22促使HeLa細(xì)胞細(xì)胞核固縮和核小體間DNA斷裂，從而導(dǎo)致癌細(xì)胞的凋亡。

圖9 D環(huán)開環(huán)的異斯特維醇衍生物22-24

2016年，劉燕[14]以異斯特維醇為原料，經(jīng)酯化、肟化、開環(huán)、氧化、選擇性還原、脫氫等反應(yīng)，合成得到10余個(gè)異斯特維醇D環(huán)開環(huán)的衍生物，并評(píng)價(jià)其對(duì)HepG2，HCT116，Huh7，SW620四株腫瘤細(xì)胞的抑制活性，結(jié)果顯示：化合物23(圖9)對(duì)四株腫瘤細(xì)胞具有較好的抑制活性，IC50值均低于10 μM/L，化合物24(圖9)選擇性抑制HCT116細(xì)胞，其IC50值達(dá)3.57 μM/L。

2.2 19位羧基修飾的異斯特維醇衍生物抗腫瘤活性

異斯特維醇19位羧基處于A，B環(huán)組成的凹型區(qū)域，同時(shí)，20位甲基和D環(huán)的空間效應(yīng)給19位羧基也帶了一定的影響，致使19位羧基表現(xiàn)出一些特殊的性能，如19位羧基反應(yīng)活性相對(duì)較低，與醇形成酯后結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定性，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿下均不宜水解等。這些因素導(dǎo)致早期的異斯特維醇結(jié)構(gòu)修飾主要發(fā)生在其D環(huán)區(qū)域。然而，隨著對(duì)異斯特維醇研究的深入，發(fā)現(xiàn)19位羧基的修飾在異斯特維醇生物活性中也扮演著非常重要的作用。

2013年，Ukiya[15]通過(guò)多步反應(yīng)將19位羧基還原成羥基，與取代的羧酸反應(yīng)合成了一系列19位羧基修飾的酯類化合物。對(duì)HL60，A549，AZ521和SK-BR-3腫瘤細(xì)胞研究結(jié)果顯示：化合物25(圖10)對(duì)四株腫瘤細(xì)胞抑制作用較為顯著，IC50分別為(6.6±2.1)，(5.7±1.6)，(4.2±0.6)，(25.2±0.5)μM/mL。2017年，Malki研究小組[16]利用相似的合成方法得到了系列酯類化合物，其中化合物26(圖10)對(duì)肝癌細(xì)胞的抑制活性最優(yōu)，作用機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，該化合物導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡的主要階段發(fā)生在細(xì)胞分裂的G1期。2019年，郭永泰[17]保留19位處的羰基，將羧基酰氯化后與醇反應(yīng)生成相應(yīng)的酯，評(píng)價(jià)對(duì)Colo-16和A549的細(xì)胞毒活性，結(jié)果顯示，化合物27(圖10)對(duì)Colo-16細(xì)胞的活性最好，IC50為(53.03±0.0343)μM/L。

圖10 19位羧基修飾的異斯特維醇酯衍生物25-27

2019年，Strobykina[18]重點(diǎn)對(duì)異斯特維醇19位羧基進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾引入酯基，隨后進(jìn)一步在酯基上引入磷/膦酸酯亞結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)調(diào)節(jié)磷原子與19位碳間的脂肪鏈長(zhǎng)度，相繼合成了2個(gè)系列19位羧基修飾的磷/膦酸酯駢異斯特維醇酯衍生物(圖11)。抗腫瘤活性結(jié)果顯示：抗腫瘤效果較好的化合物28對(duì)M-HeLa，MCF-7和WI-38細(xì)胞的IC50分別為(14.2±1.1)，(37±3.1)和(37±3.2)μM/L；化合物29對(duì)M-Hela，MCF7和Chang liver細(xì)胞的IC50均為60 μM/L。

圖11 19位羧基修飾的磷/膦酸酯駢異斯特維醇酯衍生物28,29

此外，該小組[19]利用相同的方法，合成了2個(gè)系列19位羧基修飾的糖駢異斯特維醇酯衍生物(圖12)?？鼓[瘤活性結(jié)果顯示：化合物30對(duì)MCF-7，Hep G2，Panc-1，PC-3，Wi-38和Chang liver細(xì)胞具有中等的抑制能力，而化合物30和31對(duì)M-Hela細(xì)胞效果較為顯著,IC50分別為(10.0±0.7)μM/L和(13.0±1.0)μM/L，均優(yōu)于陽(yáng)性對(duì)照他莫昔芬(28.0±2.5)μM/L。

圖12 19位羧基修飾的糖駢異斯特維醇酯衍生物30,31

通過(guò)對(duì)19位羧基修飾，引入雜環(huán)亞結(jié)構(gòu)單元，有利于提高異斯特維醇的抗腫瘤活性。2017年，Liu[20]通過(guò)19位羧基酰氯化、親核取代、親核加成、環(huán)合反應(yīng)合成出23個(gè)19位羧基修飾的噁二唑駢異斯特維醇衍生物，抗腫瘤活性結(jié)果顯示，化合物32(圖13)對(duì)HCT-116和JEKO-1活性較好，IC50分別為(5.00±0.6)μM/mL和(3.73±0.3) μM/mL。進(jìn)一步定量構(gòu)效關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，噁二唑環(huán)對(duì)抑制HCT-116細(xì)胞活性具有積極的正貢獻(xiàn)。

圖13 19位羧基修飾的雜環(huán)駢異斯特維醇酯衍生物32-34

2016～2018年，Liu[10]和Luan等人[21]分別對(duì)異斯特維醇19位羧基修飾，將炔基引入到19位羧基上，然后通過(guò)“Huisgen click”反應(yīng)分別合成出系列19位羧基修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生。腫瘤活性結(jié)果顯示：化合物33(圖13)對(duì)HCT-116細(xì)胞活性最佳，IC50=(19.310±0.818)μM/mL，而化合物34(圖13)對(duì)HCT-116，BEL-7402和HepG2細(xì)胞均具有較好的抑制活性。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，異斯特維醇具有抗腫瘤作用，尤其是利用化學(xué)合成方法，對(duì)異斯特維醇D環(huán)和19位羧基進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，引入羥基、氨基醇、硫脲、α，β-環(huán)外不飽和酮、磷/膦酸酯、糖基以及雜環(huán)等活性結(jié)構(gòu)單元，得到的新型異斯特維醇衍生物表現(xiàn)出更為顯著的抗腫瘤功效。此外，盡管目前合成了大量的衍生物，并進(jìn)行了抗腫瘤活性試驗(yàn)，但結(jié)構(gòu)修飾主要集中在異斯特維醇的D環(huán)和19位羧基處，A，B和C環(huán)區(qū)域改造涉及相對(duì)較少；抗腫瘤活性研究主要是體外細(xì)胞毒活性評(píng)價(jià)，相應(yīng)化合物的臨床試驗(yàn)研究依然缺乏。因此，在豐富異斯特維醇衍生物結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上，后期重點(diǎn)開展構(gòu)效關(guān)系、抗腫瘤作用機(jī)制以及臨床試驗(yàn)研究，從而開發(fā)出高效低毒的異斯特維醇抗腫瘤新藥。