姜黃素類化合物的研究進(jìn)展

劉宗易，彭明利

(重慶醫(yī)科大學(xué)感染性疾病分子生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶醫(yī)科大學(xué)病毒性肝炎研究所,重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院感染科，重慶 400010)

姜黃素是一種天然多酚化合物，具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗菌和抗腫瘤等多種生物活性[1-2]。但姜黃素不溶于水(在水中的溶解度僅為11 ng·mL-1，logP為3.85)，在堿性和光照環(huán)境下易發(fā)生降解[3-4]。此外，姜黃素在體內(nèi)代謝快，在大鼠體內(nèi)的半衰期小于30 min，口服后最大血藥濃度也僅為(1.35±0.23)μg·mL-1，生物利用度差，難以投入臨床應(yīng)用[5-6]。相關(guān)學(xué)者一直在探索突破姜黃素應(yīng)用窘境，嘗試通過(guò)優(yōu)化劑型，制成乳劑、脂質(zhì)體和聚合物膠束等改善藥物溶解性，但這些方法并不能從本質(zhì)上改善藥物吸收困難的現(xiàn)狀。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)修飾為這一問(wèn)題的解決提供了新方向，通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾優(yōu)化姜黃素的分子結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)及藥理活性，將有助于提高姜黃素的生物利用度[7-8]。本文綜述了近5年有關(guān)姜黃素類化合物研究進(jìn)展，試圖為姜黃素研發(fā)人員提供參考。

姜黃素的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)芳香環(huán)和一個(gè)不飽和連接橋組成，包含多個(gè)可進(jìn)行化學(xué)修飾的位點(diǎn)：①苯環(huán)羥基(-OH)和甲氧基(-OCH3)的取代與增減；②不飽和二酮結(jié)構(gòu)中4號(hào)位活潑亞甲基的修飾；③橋鏈上不飽和二酮鍵的結(jié)構(gòu)修飾；④連接橋碳鏈的延長(zhǎng)、縮短與環(huán)化；⑤與金屬離子結(jié)合成絡(luò)合物；⑥與高分子化合物相偶聯(lián)制成納米制劑[9-10]。

圖1 姜黃素結(jié)構(gòu)式

1 基于β二羰基的姜黃素類似物

研究表明姜黃素連接橋上4號(hào)位的活潑亞甲基的修飾可提高姜黃素在抗炎和抗腫瘤方面的生物活性。譬如姜黃素與芳香醛縮合可合成一系列連接橋4號(hào)位被芳香基團(tuán)取代的姜黃素類似物(見(jiàn)圖2)。將3，4-二羥基苯甲醛和4-羥基-3-甲氧基苯甲醛與姜黃素縮合可分別得到化合物1和化合物2。通過(guò)測(cè)定化合物對(duì)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的清除活性來(lái)評(píng)價(jià)化合物的抗氧化活性，結(jié)果顯示化合物1和2對(duì)DPPH(1 mmol·L-1)的清除率分別為92.5%±0.1%和59.1%±0.6%[11]?；衔?較化合物2抗氧化活性更高，與其引入了多個(gè)酚羥基從而增加了其抗氧化活性有關(guān)。將具有多個(gè)甲氧基的姜黃素類似物與芳香醛縮合得到化合物3。在核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)易位實(shí)驗(yàn)中，它可以抑制腫瘤壞死因子(TNF-α)對(duì)NF-κB的激活[半抑制濃度IC50為(1.0±0.5)mmol·L-1]。最新研究表明，化合物3是一種新型脫泛素酶抑制劑，對(duì)19S調(diào)節(jié)顆粒脫泛素酶具有不可逆抑制作用，導(dǎo)致NF-κB的抑制和促凋亡蛋白(p53)的重新激活，具有很大的抗癌藥物開(kāi)發(fā)潛力[12-13]。通過(guò)Mannich 反應(yīng)可得到化合物4和5?；衔?可抑制人肺癌細(xì)胞A549和人肺腺癌細(xì)胞H1975生長(zhǎng)，IC50分別為0.56 μmol·L-1和0.26 μmol·L-1，而姜黃素的IC50為21.37 μmol·L-1(A549)和25.80 μmol·L-1(H1975)。化合物4也能夠抑制NF-κB的激活(IC50為2.80 μmol·L-1)，較姜黃素有很大提升(IC50為104.10 μmol·L-1)[14]。

圖2 化合物1～5的化學(xué)結(jié)構(gòu)

以上構(gòu)效關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)：芳香環(huán)對(duì)維持生物活性起到了重要的作用；活性基團(tuán)修飾姜黃素連接橋上4號(hào)位的活潑亞甲基可進(jìn)一步改善其抗炎和抗腫瘤活性；芳香環(huán)上的酚羥基是重要的藥效基團(tuán)，多個(gè)酚羥基取代時(shí)可有效地改善其抗氧化活性。

2 單羰基姜黃素類似物

姜黃素的二酮基結(jié)構(gòu)易發(fā)生烯醇互變，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，為了克服上述缺陷研發(fā)了多種單羰基姜黃素類似物(見(jiàn)圖3)。化合物6是3個(gè)碳原子的連接橋構(gòu)成的姜黃素類似物，由2-羥基苯乙酮和苯甲酰氯在吡啶存在下經(jīng)重排反應(yīng)獲得，較姜黃素對(duì)乳腺癌細(xì)胞MCF-7具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性，IC50為(25.00±3.71)μmol·L-1，而姜黃素為(30.15±2.36)μmol·L-1[15]。相較3個(gè)碳連接，5個(gè)碳連接的姜黃素類似物具有更好的穩(wěn)定性和良好的生物活性[16]。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化合物7較姜黃素具有更好的穩(wěn)定性，可抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116生長(zhǎng)，IC50為3.3 μmol·L-1，姜黃素IC50則大于20 μmol·L-1，體內(nèi)小鼠結(jié)腸癌模型證實(shí)化合物7可高效的抑制腫瘤生長(zhǎng)[17]。此外，連接橋上成環(huán)也有助于姜黃素類似物活性的提升。含有環(huán)戊酮結(jié)構(gòu)的化合物8對(duì)脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠具有良好的保護(hù)作用。它還被用作先導(dǎo)化合物進(jìn)而設(shè)計(jì)含有哌啶酮片段的對(duì)稱和不對(duì)稱烯丙基化姜黃素類似物——化合物9和10，其抗炎活性明顯優(yōu)于姜黃素，可減少LPS誘導(dǎo)RAW264.7巨噬細(xì)胞釋放IL-6和TNF-α水平[18]。由于引入了哌嗪結(jié)構(gòu)片段，可與強(qiáng)酸(如鹽酸)成鹽，增加了化合物9和10的水溶性[18]?；衔?1在化合物8的基礎(chǔ)上引入二甲氨基甲基作為一種增強(qiáng)劑用于提高姜黃素類似物的水溶解性和生物活性，它對(duì)人胃癌細(xì)胞SGC-7901和人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT-116抑制作用明顯，IC50分別為(6.5±1.7)μmol·L-1和(10.9±0.3)μmol·L-1[姜黃素的IC50分別為(29.0±2.6)μmol·L-1和(41.5±3.6)μmol·L-1][19]。

圖3 化合物6～11的化學(xué)結(jié)構(gòu)

另外，將不同橋長(zhǎng)單羰基姜黃素類似物的一個(gè)或兩個(gè)苯環(huán)用雜環(huán)化合物取代也是新藥研發(fā)的一個(gè)重要方向。用喹啉取代芳香環(huán)得到化合物12，它對(duì)多種人前列腺癌細(xì)胞PC-3、DU145和LNCaP均具有明顯抑制活性，IC50分別為(1.09±0.17)、(1.20±0.01)和(0.98±0.19)μmol·L-1，姜黃素IC50是姜黃素類似物的23、22和14倍[20]?；衔?3、14和15是用兩種不同的雜環(huán)分子取代芳環(huán)得到的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的姜黃素類似物(見(jiàn)圖4)。其中化合物13對(duì)PC-3、DU145和LNCaP的抑制效力分別是姜黃素的636、219和454倍?；衔?4和15顯示出良好的生物利用度，10 mg·kg-1劑量口服給藥，它們的最大血藥濃度Cmax分別為(1 943.8±47.3)和(1 225.1±1.5)ng·mL-1，是姜黃素的3 410和2 150倍(同樣劑量姜黃素口服最大血藥濃度僅為0.57 ng·mL-1)[21-22]。

圖4 化合物12～15的化學(xué)結(jié)構(gòu)

以上構(gòu)效關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)昔驶S素類似物可有效改善生物活性和生物利用度，可在姜黃素的芳香環(huán)上引入烯丙基以增加抗炎活性；在姜黃素類似物的連接橋上成環(huán)有助于提高其抗腫瘤活性；哌嗪結(jié)構(gòu)或二甲氨基甲基的引入可提高姜黃素類似物的水溶性；雜環(huán)化合物取代姜黃素的芳香環(huán)也是合成單羰基姜黃素類似物的一個(gè)新方向，可供選擇的雜環(huán)化合物有：吡啶、喹啉、咪唑和噻唑等。

3 雜環(huán)橋姜黃素類似物

將姜黃素中不穩(wěn)定的二酮基用五元或六元雜環(huán)取代是改善類似物生物活性的新方向，雜環(huán)的取代會(huì)改變姜黃素結(jié)構(gòu)的剛性和平整度(見(jiàn)圖5)?；衔?6和17是基于惡唑酮和咪唑酮構(gòu)建的姜黃素類似物，研究表明它們可與化療藥物聯(lián)用降低抗腫瘤藥的耐藥率。譬如以高耐藥的大腸癌細(xì)胞株LS-174T為靶細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)化合物16與化療藥物紫杉醇(PTX)聯(lián)用可將PTX的IC50從7.9 nmol·L-1降至3.8 nmol·L-1，化合物17與PTX聯(lián)用可使細(xì)胞耐藥率從45.7%降至2.5%[23]?；衔?8是基于吡唑的姜黃素類似物，可由不同的苯肼與姜黃素在乙醇中環(huán)化得到。評(píng)估其對(duì)細(xì)胞的抗增殖能力發(fā)現(xiàn)化合物18可有效抑制人宮頸癌細(xì)胞HeLa、人乳腺癌細(xì)胞MCF-7和人髓性白血病細(xì)胞K562增殖[24]?；衔?9也是一種吡唑類姜黃素類似物，采用LPS誘導(dǎo)小鼠RAW264.7巨噬細(xì)胞模型評(píng)價(jià)化合物抗炎活性，它的IC50為46.05 μmol·L-1，而姜黃素的IC50為52.51 μmol·L-1[13]?；衔?0和21是用三唑環(huán)取代二酮基制得的姜黃素類似物，體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明，化合物20對(duì)人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SH-SY5Y和人宮頸癌細(xì)胞HeLa的IC50分別為(1.7±0.2)和(1.5±0.3)μmol·L-1；化合物21對(duì)SH-SY5Y和HeLa的IC50分別為(17.8±7.2)和(36.4±7.2)μmol·L-1，化合物20較化合物21具有更好的抗腫瘤活性[25]。

圖5 化合物16～21的化學(xué)結(jié)構(gòu)

以上構(gòu)效關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)：用雜環(huán)化合物取代姜黃素的二酮基可有效提高姜黃素的抗炎和抗腫瘤活性；在不同的雜環(huán)化合物取代中，用惡唑環(huán)和咪唑環(huán)取代可改善化療藥物的耐藥性；用吡唑環(huán)取代可提高姜黃素類似物的抗炎活性；用三唑環(huán)取代可提高姜黃素類似物的抗腫瘤活性，其中芳環(huán)上取代基的不同也會(huì)影響化合物的抗腫瘤活性。

4 鹵代姜黃素類似物

研究者嘗試將鹵素原子引入姜黃素用于改善并提高其生物效應(yīng)，而鹵素原子的取代常發(fā)生在姜黃素的芳環(huán)或連接橋的4號(hào)位的活潑亞甲基。鹵化香蘭素與2,4-戊二酮、硼酸三丁酯、三丁胺和硼酸酐在乙酸乙酯中反應(yīng)可以得到鹵化姜黃素類似物，例如化合物22和23(見(jiàn)圖6)。化合物22是一種二溴姜黃素類似物，具有抗氧化和細(xì)胞毒性特性。化合物23是用三氟甲氧基取代芳環(huán)得到的姜黃素類似物，研究證明它可結(jié)合阿爾茨海默病的Aβ蛋白[26]。另一種引入鹵素的方法就是在姜黃素連接橋的4號(hào)位引入鹵原子，研究證明在這一位置引入氟原子可改善姜黃素類似物的穩(wěn)定性和溶解性[27]。

圖6 化合物22～25的化學(xué)結(jié)構(gòu)

5 金屬離子姜黃素絡(luò)合物

姜黃素可以與金屬離子結(jié)合成絡(luò)合物從而穩(wěn)定下來(lái)，這使金屬離子姜黃素絡(luò)合物具有很大的開(kāi)發(fā)潛力。姜黃素與金屬離子絡(luò)合后所形成的化合物的溶解性和穩(wěn)定性均優(yōu)于姜黃素，在抗炎和抗腫瘤方面有很大的潛力[28]。姜黃素可與多種二價(jià)或三價(jià)的金屬離子例如Zn2+、Cu2+、Mn2+、Al3+和Fe3+等發(fā)生反應(yīng)生成金屬螯合物。有文獻(xiàn)報(bào)道用鋅離子與姜黃素絡(luò)合制成金屬絡(luò)合物在細(xì)胞和器官中毒性低，穩(wěn)定性好，在24、48和96 h后絡(luò)合物的分子結(jié)構(gòu)和最大吸收波長(zhǎng)沒(méi)有明顯變化[29]。此外，鋅離子姜黃素絡(luò)合物的離子特性可以增加其水溶性[29]。文獻(xiàn)報(bào)道了一種用bpy-9或1,10-菲啰啉通過(guò)ZnCl2制備鋅離子-姜黃素絡(luò)合物的合成方法(見(jiàn)圖7)，化合物26和27的IC50分別為11.79 μmol·L-1和6.84 μmol·L-1。該法合成路線簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，具有一定的開(kāi)發(fā)價(jià)值[29-30]。

圖7 兩種金屬離子姜黃素絡(luò)合物的合成路線

6 姜黃素-活性分子偶聯(lián)化合物

通過(guò)共價(jià)鍵將活性化合物與姜黃素偶聯(lián)制備新型化合物是開(kāi)發(fā)新藥的有效策略，這種結(jié)合可能產(chǎn)生比母體更具活性的小分子藥物并改善母體的應(yīng)用缺陷，比如高耐藥性、毒副作用大或生物利用度低等?；前奉惪咕幨且环N常見(jiàn)的抗菌藥物，但長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生耐藥性。將磺胺類化合物與姜黃素偶聯(lián)，將有望開(kāi)發(fā)低耐藥性的新型抗菌藥物(化合物28和29，見(jiàn)圖8)[31]。褪黑素是具有多種生物活性的雜環(huán)化合物，可用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，但長(zhǎng)期使用副作用大。研究表明褪黑素-姜黃素化合物(化合物30)可在改善副作用的基礎(chǔ)上具有一定的神經(jīng)保護(hù)作用[32]。蓽茇酰胺是一種具有抗菌、抗炎和抗腫瘤活性的生物堿。蓽茇酰胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)含有亞胺基團(tuán)，將其引入姜黃素制備化合物31可消除姜黃素中活性亞甲基的不穩(wěn)定性并提高溶解度，在改善其生物利用度的同時(shí)仍具有出色的抗炎活性[33]。

圖8 化合物28～31的化學(xué)結(jié)構(gòu)

7 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了近年來(lái)有關(guān)姜黃素結(jié)構(gòu)修飾和改造的多種可行方法，但大多研究停留在體內(nèi)外的生物活性檢測(cè)，缺乏藥代動(dòng)力學(xué)、藥效學(xué)的深入研究，無(wú)法進(jìn)一步評(píng)估其臨床價(jià)值。我們課題組正從優(yōu)化姜黃素分子結(jié)構(gòu)入手，嘗試使用小分子多臂聚乙二醇修飾姜黃素，在改善姜黃素生物利用度的同時(shí)提高載藥量。后續(xù)將深入開(kāi)展藥代藥效學(xué)研究，推進(jìn)新型姜黃素類化合物的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。