苦參堿類衍生物的合成及其活性研究進(jìn)展

席 宇, 申光煥,3*, 崔琳琳, 王藝儒, 邢志華, 張雪琪

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150076; 2. 黑龍江省預(yù)防與治療老年病藥物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150076; 3. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)藥物研究所博士后科研工作站,黑龍江 哈爾濱 150076)

苦參堿衍生物主要包括苦參堿、氧化苦參堿、槐果堿和槐定堿等生物堿,其化學(xué)結(jié)構(gòu)歸屬于喹諾嗪類生物堿,如圖1所示?？鄥A分子式為C15H24N2O,具有獨(dú)特的雙喹啉四環(huán)結(jié)構(gòu),其由2個(gè)不對(duì)稱的喹啉片段組成,包括(A/B)喹啉和(C/D)喹啉環(huán)體系[1]?？鄥A有4個(gè)立體碳中心,擁有16個(gè)立體異構(gòu)體,于1889年首次從苦參的根中分離出來,并確認(rèn)了其結(jié)構(gòu)[2]。研究表明,苦參堿具有多種藥理活性,例如抗腫瘤[3-8]、抗心律失常[9]、抗糖尿病[10]、抗炎[11]、免疫抑制[12]、抗病毒[13-14]、抗菌[15]、抗寄生蟲[16]、抗纖維化[17]和神經(jīng)保護(hù)[18]等。其中,抗腫瘤活性最為突出,以苦參堿為主研發(fā)的復(fù)方苦參注射液(Compound Kushen Injection, CKI)已經(jīng)成為我國臨床廣泛使用的藥物[19],對(duì)癌癥治療有很好的療效,但其存在長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)造成肝腎損傷的缺陷。隨著科技的不斷發(fā)展,個(gè)體化治療比傳統(tǒng)的化療效果好,并且靶向治療技術(shù)日益成熟。因此,尋找高效低毒且價(jià)格低廉的新型靶向藥物是研究者們追求的目標(biāo)。苦參堿類衍生物因其成藥潛力而被認(rèn)為是進(jìn)一步修飾的理想先導(dǎo)化合物,這類衍生物有獨(dú)特的支架結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)以及高溶解性等多種類藥性質(zhì),使其在藥物研究領(lǐng)域備受關(guān)注。近幾年,藥物專家通過對(duì)苦參堿結(jié)構(gòu)修飾,改善了苦參堿脂水分配系數(shù),提高了苦參堿的活性,并在過去幾年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文以苦參堿類衍生物在13-位,14-位,15-位及D環(huán)開環(huán)4個(gè)方面的結(jié)構(gòu)修飾為切入點(diǎn)對(duì)近幾年的成果進(jìn)行綜述,為研發(fā)具有高效低毒的新型苦參堿類藥物提供參考。

圖1 苦參堿類衍生物的結(jié)構(gòu)

1 13-位結(jié)構(gòu)修飾

研究發(fā)現(xiàn),苦參堿水溶性強(qiáng),脂溶性差。為了提高苦參堿脂溶性,通常在13-位進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾。2021年,WUANG等[20]以苦參堿為原料合成了22種苦參堿衍生物(圖2,1a～1v),初步篩選了22種新合成的化合物在3種人肝癌細(xì)胞(Hep3B、 HCC-LM3和Bel-7404細(xì)胞系)中的細(xì)胞活性,并以苦參堿和槐果堿為陽性對(duì)照。結(jié)果表明,22種苦參堿衍生物都顯示出較高的抗腫瘤效果,IC50值比苦參堿低17～262倍。其中化合物1v有明顯的抗腫瘤效果,IC50值為2.80～3.10 μmol/L,比苦參堿低269～382倍。研究表明,化合物1v通過誘導(dǎo)G1細(xì)胞周期阻滯和抑制LM3細(xì)胞遷移發(fā)揮其抗腫瘤活性。二硫代氨基甲酰基(NH2CS2H)的引入顯著增強(qiáng)了抗增殖活性,氨基含有雙取代基時(shí)的抗細(xì)胞增殖活性弱于含單取代基。較為明顯地是,環(huán)上有氮原子時(shí),化合物活性明顯增強(qiáng)。當(dāng)氨基二硫代甲酸酯(NH2C(S)SCH3)直接連接到1v雜環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí),化合物的抗腫瘤活性顯著提高。

圖2 化合物1a～1v苦參堿的13-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2020年,劉超[21]發(fā)現(xiàn)硫代苦參堿衍生物13-氨甲基-18-硫代苦參堿(C16H27N3S)具有體內(nèi)外抗骨質(zhì)疏松活性,因此利用分子對(duì)接技術(shù),與抗骨質(zhì)疏松靶點(diǎn)核糖體蛋白R(shí)PS5進(jìn)行了分子模擬對(duì)接,對(duì)接結(jié)果顯示,13-二硫代氨甲基甲酸芐酯-18-硫代苦參堿(C24H33N3S3)最優(yōu)。接著,以槐果堿為原料,合成了13-二硫代氨甲基甲酸芐酯-18-硫代苦參堿化合物2(圖3)。結(jié)果顯示,化合物2對(duì)2種細(xì)胞均有明顯的破骨細(xì)胞分化抑制活性,化合物2在破骨細(xì)胞BMMC和RAW264.7的IC50分別為2.94 μmol/L和2.07 μmol/L。當(dāng)化合物2濃度在4.00 μmol/L時(shí),化合物2對(duì)破骨細(xì)胞功能顯示出明顯的抑制作用。

圖3 化合物2苦參堿13-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2019年,戴航等[22]以槐果堿為原料合成10種13-位含有羥乙胺基(C2H7NO)的苦參堿衍生物(圖4),分別為13-(N-磺?；?羥乙胺苦參堿(3a～3d)和13-(N-芐基)羥乙胺苦參堿(3e～3j)。同時(shí)篩選了這10種新化合物在肝癌細(xì)胞HepG2和宮頸癌細(xì)胞Hela中的細(xì)胞活性,并以苦參堿和槐果堿作為陽性對(duì)照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,化合物3f在肝癌細(xì)胞HepG2和宮頸癌細(xì)胞Hela中均顯示出了很好的活性,其IC50值分別78.70 μmol/L和78.00 μmol/L,活性優(yōu)于陽性對(duì)照槐果堿和苦參堿。通過對(duì)肝癌細(xì)胞HepG2的數(shù)據(jù)分析,化合物(3e～3j)強(qiáng)于陽性藥苦參堿和槐果堿的體外抗腫瘤活性。對(duì)宮頸癌細(xì)胞Hela的數(shù)據(jù)分析,化合物(3a,3e～3j)均強(qiáng)于陽性藥苦參堿和槐果堿的體外抗腫瘤活性,其中化合物3f對(duì)于2種腫瘤細(xì)胞均有較好的活性。研究表明,苦參堿13-位引入芐基增加了與拓?fù)洚悩?gòu)酶I的親和力,使苦參堿具有較好的生物活性。

圖4 化合物3a～3j苦參堿13-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2017年,付奔等[23]以槐果堿為原料合成了9個(gè)13-酰胺基取代苦參堿衍生物(圖5,4a～4i)。采用人肝癌細(xì)胞株,小鼠黑色素瘤細(xì)胞株做活性實(shí)驗(yàn),用苦參堿和氧化苦參堿作陽性對(duì)照。結(jié)果顯示,新合成的9種苦參堿衍生物對(duì)這2種腫瘤細(xì)胞都具有很強(qiáng)的抑制活性,化合物4b和4e對(duì)人肝癌細(xì)胞抑制率分別為73.2%、 58.7%,抑制活性較強(qiáng)?；衔?b和4e抗增殖活性增強(qiáng),優(yōu)于陽性對(duì)照藥苦參堿和氧化苦參堿。研究發(fā)現(xiàn),苯的鄰位或間位引入氯原子或溴原子弱吸電子基團(tuán),能使新合成的化合物的抗腫瘤活性顯著增強(qiáng)。

圖5 化合物4a～4i苦參堿13-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2021年,姜文泰等[24]以苦參堿為原料合成了12個(gè)新型的嘧啶并苦生堿衍生物(圖6,5,6a～6k),篩選了這12種新合成化合物在人子宮頸癌HeLa和人乳腺癌MCF-7中的細(xì)胞活性,并用順鉑作為陽性對(duì)照。研究發(fā)現(xiàn),大部分化合物表現(xiàn)出比陽性對(duì)照藥更強(qiáng)的抑制人宮頸癌HeLa和人乳腺癌MCF-7細(xì)胞的增殖活性,且優(yōu)于苦參堿。化合物6h對(duì)人乳腺癌MCF-7的抑制活性最好,其IC50值為3.65 μmol/L,與順鉑3.51 μmol/L效果相似?；衔?對(duì)人子宮頸癌HeLa能產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制活性,其IC50值為4.57 μmol/L,弱于順鉑3.65 μmol/L。研究結(jié)果表明,間三氟甲基苯甲?；牒?6h可以抑制MCF-7細(xì)胞的增殖活性。

圖6 化合物5和化合物6a～6k苦參堿14-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2018年,LI等[25]用槐定堿為先導(dǎo)化合物,設(shè)計(jì)合成了23個(gè)吲哚類苦參堿衍生物。用肝癌細(xì)胞HepG2細(xì)胞系做體外細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn),喜樹堿做陽性對(duì)照藥。結(jié)果表明,在23種化合物中都顯示出對(duì)肝癌細(xì)胞HepG2有效的抗增殖活性,其IC50值均小于10 μmol/L。化合物7w對(duì)HepG2細(xì)胞的IC50值為0.92 μmol/L,在所有新合成化合物中活性最優(yōu),優(yōu)于IC50值為1.36 μmol/L的喜樹堿。

接著,用7w對(duì)5種癌細(xì)胞系SMMC-7721、 Hela、 CNE1、 CNE2和MCF-7做進(jìn)一步研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),化合物7w的IC50值在1.32 μmol/L～1.89 μmol/L范圍內(nèi),遠(yuǎn)低于槐定堿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,化合物7w對(duì)5種癌細(xì)胞均有抑制作用。在14-位上引入N-芐基吲哚基團(tuán)后,槐定堿有明顯的抗腫瘤活性(圖7)。

2018年,HUANG等[26]研究發(fā)現(xiàn)苦參堿具有抗病毒作用,用苦參堿半合成了12種苦參堿衍生物(圖8),分別為14-甲酰基-15-芳氧基/甲氧基苦參堿(8a～8j)和14-芳氧甲基苦參堿(8k,8l)。用AZT為陽性對(duì)照,和對(duì)照相比,所有苦參堿衍生物均表現(xiàn)出抑制性能,化合物8c,8e～8g和8j具有較強(qiáng)的抗HIV-1活性,EC50(50%有效濃度)分別為15.41 μg/mL、 10.52 μg/mL、 2.75 μg/mL、 5.40 μg/mL和1.79 μg/mL,治療指數(shù)(TI)值分別為13.0、 19.0、 33.7、 14.5和98.2?；衔?j具有較好的抗HIV-1活性,EC50(50%有效濃度)為1.79 μg/mL,治療指數(shù)(TI)為98.2,抗HIV活性最好。研究發(fā)現(xiàn),苯環(huán)上的甲基和萘環(huán)上的14-甲?；鄥A-15-氧的位置對(duì)其活性有重要影響。

圖8 化合物8a～8l苦參堿14-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2021年,WEI等[27]用苦參堿為原料設(shè)計(jì)并合成了8個(gè)含噻吩基團(tuán)的苦參堿衍生物(圖9,9a～9h)。檢測(cè)8種化合物對(duì)鼻咽癌(NPC)細(xì)胞系(CNE2、 HONE1和HK-1)和順鉑耐藥鼻咽癌細(xì)胞CNE2/CDDP的細(xì)胞活性。結(jié)果表明,化合物9f在NPC和NPC/CDDP耐藥細(xì)胞中表現(xiàn)出最顯著的增殖抑制效果,其IC50值在30 μmol/L到100 μmol/L之間,說明化合物9f比母體化合物苦參堿擁有更好的抗增殖作用。為了進(jìn)一步研究,以BCL-W為靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接實(shí)驗(yàn),對(duì)接結(jié)果表明,化合物9f對(duì)BCL-W親和力最強(qiáng),由此可見,化合物9f可能通過抑制抗凋亡蛋白BCL-W發(fā)揮作用。

圖9 化合物9a～9h苦參堿15位結(jié)構(gòu)修飾路線

2019年,敬德旺等[28]用苦參堿為原料藥合成了9種新型的15-N-取代苦參堿亞胺衍生物(圖10,10a～10i),篩選了9種新化合物在人肝癌細(xì)胞HepG2和人宮頸癌細(xì)胞HeLa中的細(xì)胞活性,并以喜樹堿為陽性對(duì)照藥。結(jié)果顯示,化合物10d對(duì)人肝癌細(xì)胞HepG2和人宮頸癌細(xì)胞HeLa的IC50值為11 μmol/L和23 μmol/L,化合物10e對(duì)人肝癌細(xì)胞HepG2和人宮頸癌細(xì)胞HeLa的IC50值小于50 μmol/L。研究發(fā)現(xiàn),在苦參堿15位引入N-4-聯(lián)苯基團(tuán)的化合物10d和N-4-苯氧基苯基團(tuán)10e對(duì)HepG2和HeLa的抑制活性有顯著提高,具有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值。

圖10 化合物10a～10i苦參堿15-位結(jié)構(gòu)修飾路線

2021年,張曉雯等[29]以苦參堿為原料,經(jīng)水解開環(huán)合成了9個(gè)1,2,3-三氮唑類苦參堿衍生物(圖11,13a～13i)。選用人宮頸癌細(xì)胞HeLa、人乳腺癌細(xì)胞MCF-7和人肝癌細(xì)胞HepG2做體外抗腫瘤活性實(shí)驗(yàn),并用苦參堿和依托泊苷做陽性對(duì)品。研究結(jié)果表明,化合物13h對(duì)MCF-7腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出良好的活性,抑制率為18.2%,且活性優(yōu)于對(duì)照品化合物苦參堿?；衔?3g對(duì)人肝癌細(xì)胞HepG2有較好的抗腫瘤活性,抑制率為65.6%,優(yōu)于陽性對(duì)照化合物。

圖11 化合物13a～13i苦參堿D環(huán)開環(huán)結(jié)構(gòu)修飾路線

2016年,WU等[30]分別以苦參堿為原料合成了17種帶有苯并-α-吡喃酮結(jié)構(gòu)苦參堿衍生物(圖12,14a～14q)。同時(shí),選用A549(肺癌細(xì)胞)、MCF-7(乳腺癌細(xì)胞)、SGC-7901(胃癌細(xì)胞)和Bel-7402(肝細(xì)胞癌細(xì)胞)4種細(xì)胞系進(jìn)行活性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大部分衍生物對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制作用增強(qiáng),其IC50值是苦參堿的15～484倍。其中化合物14i活性最優(yōu),對(duì)4種細(xì)胞系的IC50值分別為8.10μmol/L、 7.30 μmol/L、 9.40 μmol/L和7.60 μmol/L。研究人員選用化合物14i對(duì)肺癌進(jìn)行深入研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),化合物14i可通過上調(diào)P27,下調(diào)CDK4和cyclinD1,減弱PI3K/AKT/mTOR通路,誘導(dǎo)肺癌細(xì)胞G1周期阻滯和自噬,以有效抑制肺癌細(xì)胞增殖。

圖12 化合物14a～14q苦參堿D環(huán)開環(huán)結(jié)構(gòu)修飾路線

本文綜述了167種苦參堿衍生物及藥理活性,多數(shù)圍繞抗腫瘤方向展開。并找到抗腫瘤活性優(yōu)良的硫代苦參堿,13-羥乙胺苦參堿,13-酰胺基取代苦參堿,含噻吩基團(tuán)的苦參堿,苯并-α-吡喃酮結(jié)構(gòu)的苦參堿衍生物。另外,研究發(fā)現(xiàn):苦參堿衍生物也具有生物殺蟲活性。目前,雖然合成了大量的苦參堿衍生物,但其活性仍然停留在體外活性實(shí)驗(yàn)階段,其水溶性強(qiáng)而脂溶性差的特性亟待解決?？鄥A衍生物通常需要經(jīng)過多步的合成反應(yīng),合成成本相對(duì)較高且制備工藝復(fù)雜。一些苦參堿衍生物容易被氧化或降解,藥物的穩(wěn)定性較差,毒副作用明顯?？鄥A類衍生物因其眾多的藥理活性以及成藥潛力引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。為了改善苦參堿衍生物的藥理活性和穩(wěn)定性,通過拼合原理對(duì)苦參堿13位,14位和15位D環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,增加脂溶性基團(tuán),改善脂溶性,提高生物利用度?？鄥A類衍生物具有多種作用機(jī)制,有巨大的挖掘潛力。近幾年,人工智能在生物醫(yī)藥行業(yè)快速發(fā)展,解決了傳統(tǒng)藥物開發(fā)過程中存在的高成本和低效率問題。通過計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)[31]篩選具有高效低毒特異性靶標(biāo),作用時(shí)間久的新型苦參堿類藥物,可提高藥物的安全性和有效性。