多金屬氧酸鹽類α-葡萄糖苷酶抑制劑的研究進(jìn)展

王瑞芳，帥蝶，孫樂常，謝遠(yuǎn)紅

(集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

糖尿病是21世紀(jì)威脅全球人類健康的主要疾病之一，也是世界范圍內(nèi)最嚴(yán)重的慢性病之一。糖尿病主要是由葡萄糖吸收和胰島素分泌的不平衡引起的，長期高血糖會對神經(jīng)和代謝系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，常引起眼睛、腎臟、腦血管和神經(jīng)等重要人體器官組織的功能障礙。目前，市面上有幾種抗糖尿病藥物，如阿卡波糖、西他列汀和格列齊特等，它們通過干擾糖類消化酶的活性來延緩葡萄糖在小腸內(nèi)的吸收，減輕糖尿病的癥狀。但是，長期較高劑量地服用這些藥物也會產(chǎn)生副作用，如引起胃腸道疾病、腎功能衰竭等[1]。

α-葡萄糖苷酶廣泛分布在機(jī)體小腸絨毛粘膜細(xì)胞刷狀緣中，參與人體對碳水化合物、淀粉、糖蛋白的消化和吸收[2]。淀粉在α-淀粉酶的作用下被消化為麥芽糖和糊精，隨后由α-葡萄糖苷酶將其轉(zhuǎn)化為葡萄糖，從而提高血糖水平[3]。因此，抑制α-葡萄糖苷酶是控制餐后血糖升高的有效途徑[4]。α-葡萄糖苷酶抑制劑能夠可逆性競爭小腸絨毛粘膜細(xì)胞刷狀緣的α-葡萄糖苷酶，抑制糖類化合物的分解，減少葡萄糖的生成和吸收。因此，α-葡萄糖苷酶抑制劑被視為減少餐后高血糖的有價值的工具[5]，已被認(rèn)為是2型糖尿病的主要治療藥物。開發(fā)新型的α-葡萄糖苷酶抑制劑替代傳統(tǒng)抗糖尿病藥物也成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

多金屬氧酸鹽(polyoxometalates,POMs)是一類具有高水溶性和高結(jié)構(gòu)選擇性的金屬-氧化物簇陰離子，在材料[6]、納米材料[7]、電化學(xué)[8]、醫(yī)學(xué)[9]、催化[10]、超分子材料[11]等領(lǐng)域得到了廣泛的研究。又由于其結(jié)構(gòu)多樣性、功能特性和多方面的生物活性，POMs在抗癌[12]、抗病毒[13]、抗阿爾茨海默病[14]和酶抑制[15]等領(lǐng)域顯示出良好的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景，近年來已成為無機(jī)藥物的研究熱點(diǎn)。

本文綜述了近年來α-葡萄萄糖苷酶抑制劑的研究進(jìn)展，以及POMs作為α-葡萄糖苷酶抑制劑的研究概況，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 抑制劑對α-葡萄糖苷酶的抑制機(jī)理

抑制劑與α-葡萄糖苷酶的作用機(jī)理研究有利于后期研究和開發(fā)新藥物，多種光譜技術(shù)已用于活性成分對酶抑制機(jī)理的研究。紫外分光光譜可用于研究活性成分對酶的抑制動力學(xué)和抑制類型，活性成分與酶結(jié)合會使酶發(fā)生熒光猝滅，故熒光光譜可研究活性成分和酶的相互作用[16]。圓二色譜法可用于分析酶與活性成分結(jié)合前后的構(gòu)象變化。應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)分子對接模擬配體和酶之間結(jié)合位點(diǎn)和作用力，研究分子間的親和力和結(jié)合模式[17]。α-葡萄糖苷酶抑制劑能可逆性抑制α-葡萄糖苷酶，可逆性抑制又可分為競爭型抑制、非競爭型抑制和混合型抑制3種，3種抑制類型中所涉及的分子間作用機(jī)制如圖1所示。

3種抑制類型的抑制劑通過與α-葡萄糖苷酶的結(jié)合改變酶的二級結(jié)構(gòu)來抑制酶的活性[3]，同時抑制劑在疏水作用和氫鍵驅(qū)動下，與酶周圍的氨基酸殘基相互作用，干擾酶的構(gòu)象動力學(xué)[18]。在疏水力的驅(qū)動下，α-葡萄糖苷酶內(nèi)源熒光靜態(tài)猝滅，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)多肽鏈部分延伸，引起α-螺旋含量下降。在這一過程中，抑制劑與α-葡萄糖苷酶活性中心的入口處結(jié)合，與氨基酸殘基相互作用，阻礙底物和催化反應(yīng)產(chǎn)物的釋放，最終抑制α-葡萄糖苷酶的催化活性[19]。某些物質(zhì)能誘導(dǎo)α-葡萄糖苷酶的剛性結(jié)構(gòu)和環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起與α-葡萄糖苷酶活性密切相關(guān)的酶結(jié)構(gòu)變化[20]。同時，這些物質(zhì)還可抑制葡萄糖與酶底物的結(jié)合，降低α-葡萄糖苷酶的活性。抑制劑還會受氫鍵和范德華力驅(qū)動，引起酶的構(gòu)象變化，同時與α-葡萄糖苷酶活性部位的一些氨基酸殘基相互作用，占據(jù)酶的催化中心，最終抑制酶的活性[21]?？傊种苿Ζ?葡萄糖苷酶的抑制作用大多和疏水作用、范德華力、靜電作用、氫鍵形成等有關(guān)。

2 α-葡萄糖苷酶抑制劑的種類及來源

早期對α-葡萄糖苷酶抑制劑的研究主要是開發(fā)傳統(tǒng)藥物，如：1970年發(fā)現(xiàn)米格列醇對α-葡萄糖苷酶有強(qiáng)烈的抑制作用；1977年，德國拜爾公司首次提取到能抑制α-葡萄糖苷酶的活性成分，于1990年將其研制成藥物并命名為阿卡波糖。阿卡波糖、米格列醇是目前使用的降糖藥，通過抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性，減少了糖的水解，延緩了葡萄糖的吸收。然而，阿卡波糖和類似的藥物也有副作用，如腹脹、腹瀉、腹部和肝臟疾病等。因此，尋找具有輕微或無不良影響的新型α-葡萄糖苷酶抑制劑顯得尤為重要。目前，可從天然物質(zhì)中提取α-葡萄糖苷酶抑制劑，也可利用微生物發(fā)酵來合成。隨著研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者也通過化學(xué)手段合成了部分化合物以抑制α-葡萄糖苷酶的活性。α-葡萄糖苷酶抑制劑的研究歷程如圖2所示。

2.1 天然提取物中的α-葡萄糖苷酶抑制劑

迄今為止，已報道的天然α-葡萄糖苷酶抑制劑主要是藥用植物中的有效成分，如糖類、黃酮類、酚類化合物、萜烯、醌類和有機(jī)酸類等。除此之外，還可以從微生物次級代謝產(chǎn)物中提取純化出具有降血糖的單體活性成分。

基于國內(nèi)外學(xué)者近年來的研究成果，天然提取物中的α-葡萄糖苷酶抑制劑糖類的主要來源有網(wǎng)地藻多糖[22]、蛹蟲草子實(shí)體純多糖和菌絲體純多糖[23]、五加侖葡萄糖[24]、大黃中的褐藻多糖[2]、菊芋中的果聚糖[25]等。多酚類化合物也是一種有效的α-葡萄糖苷酶抑制劑[26]，主要包括從咖啡豆、山楂等各種植物的種子中提取的阿魏酸、綠原酸[3]，茶葉中的表沒食子兒茶素沒食子酸酯[4]，青蘋果多酚[1]，山奈酚[21]，迷迭香的正丁醇提取物和二乙醚提取物[27]，原花青素[28]，蘋果/甘藍(lán)中提取的根皮苷和類黃酮[29]等。其中，Imane等[30]首次揭示了單寧酸是α-葡萄糖苷酶的功能性抑制劑。多糖類和多酚類物質(zhì)對α-葡萄糖苷酶的具體抑制效果見表1～表2。

表1 多糖類物質(zhì)對α-葡萄糖苷酶的抑制效果Tab.1 Inhibitory effect of polysaccharides on α-glucosidase

表2 多酚類物質(zhì)對α-葡萄糖苷酶的抑制效果Tab.2 Inhibitory effect of polyphenols on α-glucosidase

天然提取物中的α-葡萄糖苷酶抑制劑除上述多糖、多酚類化合物之外，還包括從植物中分離得到的具有新的結(jié)構(gòu)的化合物，如具有2,6-環(huán)氧骨架的二芳基庚烷類化合物、異香豆素、苯并呋喃、香豆素類似物等。He等[31]從草果干果中分離出13個新的和4個已知的具有2,6-環(huán)氧骨架的二芳基庚烷類化合物，其中化合物5、8～11具有明顯的α-葡萄糖苷酶抑制活性。Chen等[32]從紅樹林內(nèi)生真菌桃金娘科YX1獲得了6種新的異香豆素(化合物1～4和14～15)、2個新的苯并呋喃16～17以及9種已知的異香豆素類似物5～13?；衔?、6、8和10表現(xiàn)出α-葡萄糖苷酶抑制活性。Milella等[33]從牛蒡的地上部分分離得到3種新的香豆素類化合物(1～3)、1種預(yù)酰化黃烷酮(4)、2種環(huán)烯醚萜類化合物(5和6)、17種已知的次生代謝產(chǎn)物，衍生物4對α-葡萄糖苷酶作用最強(qiáng)，IC50值為(28.1±2.6) μmol/L，比作為陽性對照的阿卡波糖更為有效。Ye等[34]對山茱萸進(jìn)行了系統(tǒng)的植物化學(xué)研究，以尋找抗糖尿病的成分，分離出10種未報道的環(huán)烯醚萜苷、山茱萸苷A～J(1～8、9a/9b和10a/10b)，所有化合物均表現(xiàn)出α-葡萄糖苷酶抑制活性。

除此之外，還有一些植物粗提物對α-葡萄糖苷酶也表現(xiàn)出抑制作用。將西番蓮用二苯乙烯進(jìn)行提取，可分離得到對α-葡萄糖苷酶有抑制作用的苦皮藤醇衍生物[35]。蛹蟲草水提物可誘導(dǎo)HepG2細(xì)胞攝取葡萄糖，并誘導(dǎo)葡萄糖代謝，其對α-葡萄糖苷酶抑制活性高于阿卡波糖，是糖尿病防治的候選藥物或潛在藥物[36]。Ayusman等[37]對美人蕉根莖進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，美人蕉根莖的水提取物和丙酮提取物均顯著抑制α-葡萄糖苷酶活性。Park等[38]以80%乙醇為提取劑，對凍干的馬尾藻進(jìn)行提取和濃縮，馬尾藻提取物對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性的抑制作用強(qiáng)于陽性對照阿卡波糖。與鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠對照組相比，馬尾藻提取物組餐后血糖升高明顯減輕。

2.2 化學(xué)合成的α-葡萄糖苷酶抑制劑

由于α-葡萄糖苷酶抑制劑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單獨(dú)合成難度較大，故大多是在天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加以修飾改良的?；瘜W(xué)合成的α-葡萄糖苷酶抑制劑主要包括糖衍生物或類似物、咪唑類、大環(huán)化合物等一系列有機(jī)合成物。臨床應(yīng)用的阿卡波糖、伏格列波糖和米格列醇都是葡萄糖的結(jié)構(gòu)類似物，Adib等[39]設(shè)計合成的咔唑-咪唑、Ajish等[40]合成的花姜酮衍生物、閆晶晶[41]合成的菲類化合物2,4-二甲氧基-7-羥基菲都具有α-葡萄糖苷酶抑制作用。

2.3 微生物發(fā)酵提取的α-葡萄糖苷酶抑制劑

目前，已獲得臨床應(yīng)用的3種α-葡萄糖苷酶抑制劑(阿卡波糖、伏格列波糖和米格列醇)均來自于微生物的代謝產(chǎn)物。1977 年，阿卡波糖從游動放線菌 SE50 的代謝產(chǎn)物中被提取發(fā)現(xiàn)[42]；1982年，米格列醇從Streptomyceslavendulae發(fā)酵液中被提取發(fā)現(xiàn)[43]。Lee等[44]從鏈霉菌的代謝產(chǎn)物中分離出的染料木素，王欣榮等[45]在淡紫鏈霉菌發(fā)酵液中分離得到的化合物 HW110，郎國竣等[46]從506157菌中分離出的代謝產(chǎn)物4’,7-二羥基異黃酮均對α-葡萄糖苷酶有明顯抑制活性。

3 POMs對α-葡萄糖苷酶的抑制

從藥用植物中提取α-葡萄糖苷酶抑制劑存在提取量低、純度低且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等問題；微生物的不穩(wěn)定性及可重復(fù)性不高，發(fā)酵過程關(guān)鍵控制點(diǎn)難以掌握，很難進(jìn)入到工業(yè)化生產(chǎn)階段；化合物合成過程相對繁瑣，且有一定毒副作用，限制了臨床的應(yīng)用。因此，研究新型的α-葡萄糖苷酶抑制劑就顯得尤為重要。王力等[47-50]合成了2種不同系列的POMs(Keggin型和Dawson型)，并且對化合物與α-葡萄糖苷酶進(jìn)行了分子對接研究，結(jié)果證實(shí)，2種不同系列的POMs均對α-葡萄糖苷酶表現(xiàn)出顯著的抑制效果(見表3)。

表3 合成POMs化合物對α-葡萄糖苷酶的抑制效果Tab.3 Inhibitory effects of synthetic polyoxometalate compounds on α-glucosidase

3.1 Keggin型POMs對α-葡萄糖苷酶的抑制作用

Chi等[48]合成H3PMo12O40、Na4PMo11VO40、Na6PMo11FeO40和Na7PMo11CoO40(PMo12、PMo11V、PMo11Fe和PMo11Co)，并研究了它們對α-葡萄糖苷酶的抑制作用。PMo12和3種過渡金屬取代的Keggin型磷鉬酸(PMo11V、PMo11Fe和PMo11Co)可以有效地抑制α-葡萄糖苷酶的活性，PMo12的抑制作用大約是標(biāo)準(zhǔn)阿卡波糖的117倍。分子對接模擬表明，所有化合物通過多種范德華力和氫鍵相互作用結(jié)合到α-葡萄糖苷酶的活性位點(diǎn)。抑制劑PMo12主要通過氫鍵和范德華力相互作用與α-葡萄糖苷酶活性位點(diǎn)的氨基酸分子結(jié)合，如圖3所示。PMO12準(zhǔn)確地嵌入活性部位的深凹處，并且大部分被多肽包圍，如圖4所示，化合物PMo12與活性區(qū)域中的氨基酸殘基(Tyr158、Ser240、Asp242、His280、Ser311和Arg315)啟動了7次氫鍵相互作用。其中PMo12骨架中的5個O原子與氨基酸殘基中的H原子形成7個氫鍵。此外，該化合物以氫鍵形式與酶結(jié)合，還與活性區(qū)周圍的氨基酸殘基(Lys156、Ser157、Leu246、Gln279、Asp307、Thr310、Pro312、Leu313和Phe314)形成范德華相互作用。Chi等[47]合成的其他化合物也得出：化合物主要是通過范德華力和氫鍵相互作用與α-葡萄糖苷酶活性位點(diǎn)競爭性結(jié)合，同時，很多極性氨基酸殘基也參與了POMs與α-葡萄糖苷酶的強(qiáng)結(jié)合。

Chi等[47]研究了Ni、Mn、Zn、Cr 4種過渡金屬取代的Keggin型POMs 對α-葡萄糖苷酶的抑制作用。與先前研究的抑制劑(PMo11V、PMo11Co和PMo11Fe)相比，7種Keggin型POMs對α-葡萄糖苷酶的抑制作用為：PMo11Fe

Hu等[49]合成了H4PMo11VO40、H5PMo10V2O40、H6PMo9V3O40、H7PMo8V4O40、H8PMo7V5O40，分別簡稱為 PMo11V、PMo10V2、PMo9V3、PMo8V4、PMo7V5，抑制效果較好的是PMo9V3。研究發(fā)現(xiàn)，這5種Keggin型POMs對α-葡萄糖苷酶的抑制類型均為可逆混合抑制。對接結(jié)果表明，氫鍵和范德華力是配體化合物與酶蛋白結(jié)合的關(guān)鍵力。Keggin型配體化合物PMo9V3與α-葡萄糖苷酶活性囊周圍的氨基酸殘基(Arg442、Glu411、Asn350、Arg315、Tyr72、Glu277、Arg213)形成氫鍵，與氨基酸殘基(His351、Thr306、Tyr347、Gln279、Tyr158、Asp352、Phe159、Phe178、Leu219、Val216、Phe303)形成范德華力(見圖5a)。

以上研究結(jié)果表明，Keggin型POMs對α-葡萄糖苷酶的可逆抑制類型有3種類型，即競爭型、非競爭型及混合型，PMo12對α-葡萄糖苷酶的抑制能力約是阿卡波糖的117倍，PMo11Ni的抑制能力約為阿卡波糖的20倍，配體化合物與酶蛋白結(jié)合的關(guān)鍵力是氫鍵和范德華力。

3.2 Dawson型POMs對α-葡萄糖苷酶的抑制作用

Chi等[47]合成了一系列釩取代的Dawson型POMs，發(fā)現(xiàn)5種Dawson型POMs對α-葡萄糖苷酶的抑制作用為：P2Mo17V

Hu等[49]合成了4種化合物H8[P2Mo17Cr(OH2)O61]、H8[P2Mo17Mn(OH2)O61]、H8[P2Mo17Cu(OH2)O61]、 H8[P2Mo17Zn(OH2) O61]，分別簡寫為 P2Mo17Cr、 P2Mo17Mn、 P2Mo17Cu、P2Mo17Zn。 其中，P2Mo17Cu對α-葡萄糖苷酶的抑制作用最強(qiáng)，其IC50=(40.13±0.61) μmol/L。2種Dawson型化合物P2Mo17Cr、P2Mo17Cu與α-葡萄糖苷酶活性囊周圍的重要氨基酸相互作用形成范德華力，其中疏水性氨基酸Phe159、Phe178、Leu219、Val216、Phe303參與了與配體的相互作用(見圖5b、圖5c)。極性氨基酸會增強(qiáng)多酸與α-葡萄糖苷酶的相互穩(wěn)定性，活性位點(diǎn)周圍的疏水氨基酸是配體化合物進(jìn)入活性囊的關(guān)鍵。

Hu等[50]還合成了Dawson型磷鉬酸H6(P2Mo18O62)、H8[P2Mo17Fe(OH2)O61]、H8[P2Mo17Co(OH2)O61]和H8[P2Mo17Ni(OH2)O61]，分別簡稱為P2Mo18、P2Mo17Fe、P2Mo17Co和P2Mo17Ni。其中P2Mo18、P2Mo17Co和P2Mo17Ni對α-葡萄糖苷酶具有可逆的混合抑制作用，P2Mo17Fe對α-葡萄糖苷酶具有可逆的競爭抑制作用。另外，這4種化合物能分別與酶分子形成非共價相互作用，包括氫鍵形成、范德華相互作用。

Dawson型多金屬氧酸鹽對α-葡萄糖苷酶亦表現(xiàn)出顯著的抑制效果，P2Mo15V3和P2Mo17Cu對α-葡萄糖苷酶的抑制能力分別約為阿卡波糖的13倍和18倍，其抑制類型既有可逆競爭型抑制，也有可逆混合型抑制。綜上所述，POMs在開發(fā)和研究α-葡萄糖苷酶新型抑制劑方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

目前，在臨床上應(yīng)用的α-葡萄糖苷酶抑制劑大多來自微生物代謝產(chǎn)物或天然產(chǎn)物，通過化學(xué)合成來獲得活性更強(qiáng)的抑制劑已成為發(fā)現(xiàn)高效α-葡萄糖苷酶抑制劑的一種趨勢，而POMs在開發(fā)有臨床價值的α-葡萄糖苷酶抑制劑方面具有相當(dāng)大的潛力。但POMs對α-葡萄糖苷酶的作用機(jī)理復(fù)雜，分子對接僅了解構(gòu)建的α-葡萄糖苷酶活性囊周圍化合物與氨基酸的相互作用，而化合物與酶蛋白的對接機(jī)理尚不清楚，這也對POMs在開發(fā)有臨床價值的α-葡萄糖苷酶抑制劑方面的后續(xù)研究提供了以下方向：

1)進(jìn)一步合成POMs，并采用定點(diǎn)突變和比較模擬的方法確定α-葡萄糖苷酶的活性位點(diǎn)和底物結(jié)合方式，并通過與人α-葡萄糖苷酶和模型酶異麥芽糖酶的類似抑制研究來擴(kuò)大研究范圍。

2)研究抗衡陽離子與結(jié)晶水等因素對多酸構(gòu)效關(guān)系的影響，并進(jìn)一步擴(kuò)展對人體的α-葡萄糖苷酶和同源模型酶的研究。

3)解析α-葡萄糖苷酶-多酸復(fù)合物的X射線晶體結(jié)構(gòu)，比較和評估建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對酶-多酸復(fù)合物的X射線晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系進(jìn)行的分析，能在結(jié)構(gòu)層面上更好地理解多酸與酶的相互作用。

4)開展動物實(shí)驗(yàn)、毒理學(xué)研究，了解多酸的藥物作用機(jī)理，深入研究毒副作用，助力醫(yī)學(xué)上研究低毒、低成本、高效的α-葡萄糖苷酶抑制劑，以期更好地治療糖尿病，為POMs化學(xué)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供新思路。