姜黃素衍生物的合成方法研究進展

仲 華,張卓爾,金永生

(第二軍醫大學藥學院有機化學教研室，上海 200433)

姜黃素是廣泛存在于姜科和天南星科植物根莖中具有二酮結構的色素，毒性很低，是東南亞地區居民常食用的調味劑咖喱中的一種主要色素成分，同時也是食品加工常用的著色劑。流行病學研究發現，常食用咖喱的地區人群結腸癌的發病率很低，引起了人們對姜黃素的研究興趣。進一步研究發現，姜黃素具有抗腫瘤、抗炎和抗氧化活性[1-3]，其治療糖尿病以及抗微生物的作用也有文獻報道[4，5]。姜黃素廣泛的藥理活性及保健作用預示著良好的市場前景，但其結構不穩定且溶解度低，導致吸收困難、生物利用度低，限制了姜黃素的臨床應用。長期以來，人們主要通過兩種途徑對姜黃素的溶解性和穩定性進行改造，一種是通過藥劑學方法提高其生物利用度，改善藥動學特性；另一種是通過化學方法對姜黃素的結構進行修飾，不僅從根本上改變了其藥動學特性，并且能夠改變其生物活性，得到一系列具有開發價值的新型先導化合物。有關化學合成方面，近年來針對解決姜黃素吸收、利用問題開展了大量的研究工作，大致可分為兩類：第一類為研究并合成姜黃素的類似物，通過改變姜黃素化學結構以改善其穩定性、溶解度、選擇性以及部分生物活性，從而達到提高生物利用度和改善藥理活性的目的；另一類則保留了姜黃素原有結構，將其與金屬離子或生物小分子等其他物質結合，從而使衍生物具有所結合物質的某些性質，從而達到改善溶解度、穩定性以及提高藥效等目的。本文主要對上述兩類姜黃素結構改造的方法進行總結概述。

1 合成姜黃素類似物

以姜黃素為先導化合物的結構改造、新藥篩選等方面的研究工作開展得已經十分全面，研究內容包括姜黃素分子中苯環上的取代基、中間連接鏈長短、β-二酮中羰基的等電子體取代、雜環取代物、分子不對稱性以及中間亞甲基的親電取代等(見圖1)。其中以對β-二酮的結構改造最為多見，這類研究大多基于構效關系分析，對姜黃素結構進行多方位的改造和修飾，以尋求藥效更好的姜黃素類似物。除此之外，尚有少量研究將姜黃素改造成酸或酯，以改善其溶解度和穩定性。

圖1 姜黃素的化學結構及其可修飾的部位

1.1 對β-二酮結構的改造 姜黃素的雙羰基結構容易發生互變異構而轉變成烯醇式結構，這是導致姜黃素結構不穩定以及生物利用度低的主要原因。因此，大部分關于姜黃素碳鏈上的結構改造是以雙羰基的結構改造為基礎，常見的改造方法是將雙羰基結構改造成單羰基，從而破壞其共軛體系，增加穩定性，并在此基礎上對碳鏈做進一步的結構改造。近年來，有關此種結構改造有大量的研究和文獻報道[6-8]。

目前比較熱門的改造思路是把姜黃素的雙羰基結構改造成五元氮雜環，以達到改善其水溶性的目的[9]。在此基礎上改變苯環上的取代基，或者在雜環或碳鏈上添加取代基，最終得到一系列結構新穎的姜黃素類似物。Caldarelli等[10]根據該思路進行了最基礎的合成，得到了帶有吡唑環的姜黃素類似物(見圖2A)。他們僅通過改變兩側苯環上羥基和甲氧基的位置，獲得了一系列結構非對稱的姜黃素類似物，并測定其體外活性，發現苯環取代基排布與姜黃素一致的類似物活性最高，有望成為先導化合物。幾乎在同一時間，Chakraborti等[11]不僅合成了帶有吡唑環的姜黃素類似物，還合成了帶有異唑環的化合物(見圖2B)。由于結構相似，這兩類化合物在生物活性方面表現極為一致。在非還原條件下，它們能夠穩定存在于人體pH環境中，分子建模表明，它們的作用機制與姜黃素相同，即與微管蛋白的同一個結合位點結合，但表現出比姜黃素更強的自由基清除活性。在此基礎上，吳孟強等[9]進一步在吡唑環上引入溴原子和烯丙基，創新性地利用丁二酰亞胺與吡唑環，以親電取代的方式取代了吡唑環上的氫原子，合成了新的姜黃素衍生物(見圖2C)，反應較快，產率達82.1%，但該化合物的活性未見報道。

對雙羰基結構的改造，除了改造成五元氮雜環，比較自然的聯想是還可以改造成六元氮雜環。事實上有關六元雜環的改造比五元雜環的改造開始得更早，研究得也比較全面，但近年來有關六元雜環的改造報道很少。Kálai等[12]將雙羰基結構改造成哌啶酮結構，在氮原子和兩側的苯環上連接取代基，得到了一系列姜黃素類似物(見圖2D)，并測試了這些化合物的抗腫瘤活性。結果表明，合成的這些化合物能夠顯著降低人腫瘤細胞株A2780、MCF-7和H9c2的活性，且絕大部分化合物毒性很低。Park等[13]對雙羰基進行了更加復雜的結構改造，通過曼尼希(Mannich)縮聚反應將姜黃素改造成氮雜雙環結構，即7-甲基-2,4 -二芳基-3-氮雜雙環[3.3.1]壬烷-9-酮系列的3類結構類似的化合物，以硅膠負荷多聚磷酸(PPA·SiO2)為非均相質子酸催化劑，得到單一異構體。此類姜黃素類似物中有部分化合物具有藥理活性，其中以7-甲基-2,4-雙(3-甲氧基-4-羥苯基)-3-氮雜雙環[3.3.1]壬烷-9-酮(見圖2E)的抗氧化活性最為理想。體內實驗證明其對小鼠腹腔RAW264.7巨噬細胞系的活性氧(reactive oxygen species,ROS)有較好的抑制作用，且在100 μmol/L時無毒性。

另外,對β-二酮結構進行改造還有許多其他思路。如Sundarananthavalli等[14]在乙醇存在的條件下，將姜黃素與2-氨基苯硫酚加熱至70 ℃進行反應，得到1,7-雙(4-羥基-3-甲氧苯基)-1,3,6-庚三烯-3-羥基-5-亞甲基-2-苯硫酚(見圖2F)。研究表明，與噴他佐辛、雙氯芬酸鈉和雷尼替丁比較，該化合物具有良好的鎮痛、抗炎、抗潰瘍以及傷口愈合作用，同時對細菌生長有一定抑制作用。

圖2 部分姜黃素衍生物的化學結構

1.2 保留β-二酮結構的改造 姜黃素分子具有獨特的啞鈴型結構，兩個苯環位于分子兩端，與中間的β-二酮結構形成大的共軛體系。其中雙鍵位置具有較大的可變性，從而使得姜黃素分子構型有很大的變化空間，使其易與不同的蛋白質位點結合。苯環結構對姜黃素的活性有重要作用，對苯環結構的改造大部分只限于苯環上的取代基，而苯環結構則通常被保留下來[15]。Kim等[16]設計合成了6種含有不同苯環取代基的姜黃素類似物，并對苯環取代基與抗菌活性之間的構效關系進行研究。研究發現，姜黃素類似物的抗菌活性顯著依賴于芳香族羥基基團，骨架上含有一個額外的芳香族羥基基團的羥基化姜黃素對6種病原菌均表現出抑制作用，甚至對耐氨芐西林的陰溝腸桿菌同樣有效。

Khan等[17]設計合成了一系列用芳環或雜環芳香基團代替苯環的姜黃素類化合物，并用雌性Wistar大鼠進行體內抗炎實驗。結果表明，用雙-二甲氧基丁烯酸內酯-(抗壞血酸)、雙-萘基以及雙-呋喃基取代姜黃素的雙-甲氧苯基得到的化合物均具有良好的抗關節炎效果，且對胃及全身毒性較小。其中含有呋喃環的姜黃素類似物(RK106)還具有體外阻斷單核細胞系THP-1中TNF-α和IL-1β表達的作用。

另外，有文獻報道，將以上兩種結構改造方法交叉利用，也能達到很好的效果。例如，在將姜黃素的雙羰基結構改造成單羰基的基礎上，再對苯環的結構進一步改造。Woo等[18]利用醛醇縮合反應將(E)-4-(4-羥基-3-甲氧苯基)丁-3-烯-2-酮(見圖2G)或(E)-4-(3-羥基-4-甲氧苯基)丁-3-烯-2-酮(見圖2H)與苯并咪唑基-2-甲醛類物質進行縮合，對合成的姜黃素類似物(見圖2I)進行細胞毒理活性測試表明，化合物14c對SH-SY5Y和Hep-G2腫瘤細胞有較強的抑制作用，而化合物15h則對MCF-7腫瘤細胞有較強的抑制作用。

1.3 改造成酸或酯 將目標化合物加工成羧酸或者酯，能夠增大化合物的極性，增加其在水溶液中的溶解度及穩定性，這是一種經典的改善化合物理化性質的方法，但近兩年有關姜黃素結構改造的研究報道中罕見此類文獻。Ferrari等[19]將姜黃素苯環及碳鏈上引入簡單的乙?；?，得到的產物對人卵巢癌細胞和結腸癌細胞有一定的毒性作用。研究人員根據酸度、親脂性、動力學穩定性和自由基清除活性等理化性質，對此類化合物的構效關系進行了研究。結果，發現大部分酯類衍生物的IC50值都低于姜黃素，并且對結腸癌細胞有選擇性抑制作用。研究還發現，將腫瘤細胞株暴露于此類化合物24 h后，細胞生長能力得到進一步抑制。酯類衍生物具有上述優良性質的原因，可能是由于其良好的親油性促進了細胞對姜黃素的吸收。

2 與其他物質結合

2.1 形成配合物 將姜黃素改造成配合物的文獻報道并不多見，Ali等[20]利用對羥基苯甲醛與4-羥基-3,5-二甲氧基苯甲醛進行克內文納格爾(Knoevenagel)縮合反應，得到的產物再與氨基脲作用，生成含有姜黃素結構的配體。將這些配體與三價釕離子絡合形成八面體復合物。此類復合物對宮頸癌細胞株(海拉細胞)表現出良好的抑制活性，對肝癌、乳腺癌和人結腸腺癌細胞株也有一定抗性。溶血實驗表明，該類復合物的毒性低于抗癌藥物來曲唑，有望成為治療宮頸癌的新選擇。另外，Jegathalaprathaban等[21]利用Cu(Ⅱ)(化合物1)、Co(Ⅱ)(化合物2)、Ni(Ⅱ)(化合物3)、Mn(Ⅱ)(化合物4)等作為中心離子構建配位化合物。結果表明，化合物1與化合物2～4相比，具有更高程度的與DNA的交互作用，推測其原因可能是由于化合物1配體上存在芳香環?；衔?表現出顯著的對環狀質粒pUC18的氧化切割效應。光譜和電化學反應實驗還證明，以Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)為中心離子的配合物呈平面方形，而以Mn(Ⅱ)為中心離子的配合體呈八面體形，前者的相互作用效果較好。

2.2 與其他活性物質結合 該方法的基本思路是，將其他具有抗腫瘤、抗氧化等藥理活性的成分與姜黃素或其類似物進行結合，使所得到的新化合物能夠同時具備兩種化合物的特定活性，實現性質互補，以期達到加強作用效果和改善生物利用度的目的。白藜蘆醇是具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎等藥理活性的天然植物成分，Ruan等[22]將其衍生物與姜黃素結合，并測試所得產物的抗腫瘤細胞系增殖活性。在得到的所有化合物中，化合物C5(見圖2J)對小鼠黑素瘤細胞的體外抗增殖活性最強，IC50值為0.71 μg/ml。此類化合物具有良好的抑制微管蛋白作用，從而抑制了腫瘤細胞的有絲分裂，發揮抗腫瘤作用。

3 總結和展望

姜黃素對許多常見疾病有一定的療效，具有很高的藥用價值，受到廣泛關注。研究者通過對姜黃素進行結構改造提高其穩定性、溶解性、選擇性以及對致病因子的抗性。如前所述，對姜黃素的結構改造方法大致有兩種。第一種方法能有效提高姜黃素的穩定性及選擇性，所得衍生物對特定腫瘤細胞的抑制作用明顯增強，且毒性較低。第二種方法能大大提高細胞對姜黃素的吸收，提高其生物利用度，同時具有緩釋特性，為姜黃素的臨床藥用研究提供了依據。姜黃素是一種極具研究價值的抗腫瘤、抗氧化活性成分，但要使其真正進入臨床為醫療事業服務，還需要深入探索。最近，有研究報道了另一種與姜黃素同樣具有PKCδ阻斷劑作用的物質——楸毒素(rottlerin)。它也是一種天然植物中的多酚類物質，表現出抗炎、抗氧化活性，與姜黃素有相似的作用，同時又有其獨特的性質。通過更加深入的研究，楸毒素與姜黃素一樣有望成為治療多種人類疾病的有力武器[23]。研究者不僅要關注對姜黃素的結構改造，更應該著眼于與姜黃素有類似活性的其他植物成分，拓寬研究思路，從中獲得啟發，為抗炎、抗氧化、抗腫瘤治療開發出更加有效的藥物。

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