合成源1,4-萘醌類衍生物的抗腫瘤活性研究進展

付毅紅， 劉佳敏， 唐震華， 王貞超,2,3*， 歐陽貴平,2,3*

（1. 貴州大學 藥學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州醫科大學 藥用植物功效與利用國家重點實驗室，貴州 貴陽 550014；3. 貴州省合成藥物工程實驗室，貴州 貴陽 550025）

萘醌是一種在自然界中分布廣泛的天然色素，因其具有重要的生物活性而受到廣泛關注。根據醌環上兩羰基位置的不同，萘醌可以分為三類：1,2-萘醌、1,4-萘醌以及2,6-萘醌（圖1）。1,4-萘醌類化合物由于其廣泛的生物學活性，包括抗菌[1]、抗病毒[2,3]、抗腫瘤[4-6]、抗瘧[7]等作用而大量應用于醫藥和農業行業[8]。1,4-萘醌化合物結構常出現于多種癌癥靶標抑制劑中，如DNA拓撲異構酶[9]、HSP90（熱休克蛋白）[10]和單胺氧化酶（MAO）[11]等，因而1,4-萘醌衍生物已成為抗癌藥物的研究熱點之一。

1 概述

因其具有較好的抗腫瘤活性，1,4-萘醌主體結構的衍生物已大量應用于抗腫瘤藥物的研究中，包括天然存在的簡單結構，如Lawsone、Lapachol、Juglone、Shikonin、Plumbagin等（圖1），也有更復雜的衍生物，例如阿霉素和那布卡星[12-14]等（圖1）。這些1,4-萘醌衍生物的結構修飾方式有醌環取代、苯環醌環取代、萘醌并雜環等三種主要方式。前期文獻調研發現，關于萘醌類衍生物的抗腫瘤活性研究主要偏重于1,2-萘醌或天然來源的萘醌類，并未針對合成源1,4-萘醌進行系統的抗腫瘤活性及構效關系分析。本文根據1,4-萘醌衍生物取代位的不同進行分類，主要對醌環取代、苯環醌環取代、萘醌并雜環這三大類合成源的1,4-萘醌衍生物的抗腫瘤活性進行綜述，并進行構效關系分析，以期為后續新型1,4萘醌衍生物抗癌藥物的設計提供一定的參考。

圖1 萘醌的三種結構及含1,4-萘醌主體結構的衍生物

2 不同1,4-萘醌類結構的抗腫瘤活性

2.1 單醌環取代的1,4-萘醌衍生物

萘醌支架的C-2或C-3和C-5位置的氨基、羥基、甲基取代對癌細胞和正常細胞具有選擇性毒性[15]。因此醌環上的取代位多為C-2或C-3，而常見的取代基有-NH2、-OH、-OR、-S、鹵素及烷基等。

2017年Shin等[16]在CeCl3催化劑作用下，將1,4-萘醌與胺偶聯反應合成了一系列2-氨基-1,4-萘醌衍生物，利用MTT法對卵巢癌細胞系A2780、SKOV3、OVCAR3進行細胞毒性測試，大部分化合物表現出中等強度的細胞毒性。而化合物1（圖2）對三株卵巢癌細胞均表現出較強的抑制活性（IC50分別為5.6、2.8、6.8 μM），表現出了2-氨基-1,4-萘醌結構在卵巢癌藥物開發中的巨大潛力。

同為單叔胺取代物，Valen?a等[17]引入N-磺?；蚧鶊F，合成的N-磺酰-1,2,3-三唑雜化物有著更優越的活性和廣譜性。作者通過2-氨基-1,4-萘醌與炔丙基溴的炔丙基化得到N-炔丙基化的2-氨基-1,4-萘醌，再通過銅催化的疊氮化物-炔烴環加成反應合成三唑，再與甲苯磺?；磻纯傻玫侥繕水a物。其中化合物2a、2b和2c（圖2）對八種人癌細胞具有很高的活性，IC50在0.31～1.20 μM（72小時）范圍內，可以作為抗癌藥物的先導化合物?；诖?，該團隊將氮原子換成氧原子，分別以Lapachol、nor-Lapachol和Lawsone為原料，與丙炔基溴反應后，用以上的類似方法合成了磺?；蛳递刘?，得到的化合物3a、3b、3c（圖2）對8種人癌細胞同樣具有很強的抑制活性，IC50在0.27～4.22 μM范圍內（72小時），這也說明磺?；蛳递刘哂泻芨叩难芯績r值。

Lapachol和Lawsone的結構總是備受青睞。2018年Rom?o團隊[18]基于將化療藥物與多胺（PA）骨架結合可能提高藥物的抗腫瘤活性的[19,20]原理，分別將Lapachol、Lawsone與多胺結構進行偶聯，形成了新型化合物4a、4b、5（圖2），并在膠質母細胞瘤（GBM）細胞系U87MG和GBM95中測試其活性。研究結果表明，與PA的結合增強了Lapachol、Lawsone對GBM細胞的抗腫瘤活性和抑制腫瘤侵襲的能力。作者進一步使用分子對接原理，證明了與PA的結合有利于1,4-萘醌與topo2α（DNA拓撲異構酶II-α）的ATP結合位點的相互作用，為新型抗腫瘤藥物的設計提供了參考。

Prachayasittikul等[21]選擇引入氯取代，以 2,3-二氯-1,4-萘醌為起始原料，通過氨基取代設計合成了一系列2-取代-3-氯-1,4-萘醌衍生物。以四種人癌細胞（HepG2肝癌細胞、HuCCA-1膽管癌細胞、A549肺癌細胞、MOLT-3急性 T淋巴細胞白血病細胞）為測試對象進行抑癌活性檢測。研究結果發現：化合物對MOLT-3細胞毒性更好，其中化合物6a（為間乙?；交被〈?，圖2）對HepG2、HuCCA-1、A549、MOLT-3的IC50分別達到4.758、2.364、12.279、3.193 μM；而6b（對乙?；交被〈?，圖2）對MOLT-3的IC50達到2.118 μM，擁有最強細胞毒性，有一定的研究價值。而2017年Liu等[22]同樣以2,3-二氯-1,4-萘醌為起始原料，通過與4-氨基甲酸苯甲酸取代、胺取代后，得到了17個2-取代-3-氯1,4-萘醌衍生物，得到的化合物7（圖2）在十六種癌細胞系中均表現出優異的抗增殖活性（GI50為0.1～5 μM），對正常細胞則活性較差。且化合物7在體內體外對人多發性骨髓瘤細胞RPMI-8226均具有較好的抑制作用，是治療多發性骨髓瘤的先導化合物。

除了氨基取代，硫取代也是1,4-萘醌抗癌藥物中的常見基團，在抗癌活性方面的潛能不容小覷。2014年Sreelatha團隊[23]合成了一系列具有硫醚和酰胺鍵的1,4-萘醌衍生物，并評估了化合物對宮頸癌細胞HeLa和舌鱗狀細胞癌細胞SAS的抗癌活性，結果顯示該系列化合物中8a、8b（圖2）對SAS細胞有相對較好的活性，而3D-QSAR表明在硫附近的供電子基團的存在增強了對HeLa細胞的活性，為后續進行硫取代的化合物提供了一定參考價值。

Ning等[24]合成的2,3-二硫代氨基甲酸酯取代的萘醌化合物9（圖2）對人結直腸癌細胞HCT116，人乳腺癌細胞MCF7、MDA-MB231，宮頸癌細胞HeLa，肺癌細胞H1299和黑色素瘤細胞B16細胞的IC50值最小為61 nM，最大為135 nM，抗癌活性極強且對正常細胞低毒性。后期生物實驗證明：此化合物可以通過干擾癌細胞新陳代謝來抑制腫瘤細胞的增殖，是一種很有潛力的腫瘤代謝抑制劑。

2019年Schepetkin等[25]以含2,3位取代基的1,4-萘醌為母體，以細胞分裂周期25（Cdc25）和有絲分裂原激活的蛋白激酶激酶7（MKK7）為靶點，設計了三十個1,4-萘醌衍生物，以人體的9種癌細胞（肺癌、滑膜肉瘤、乳腺癌、結直腸腺癌、早幼粒白血病、單核白血病、慢性淋巴系白血病、急性單核白血病、淋巴癌）和外周血單核細胞為測試對象，發現大部分化合物均有較好的抑癌活性。其中化合物10a、10b、10c（圖 2）對 MKK7具有較強的親和性，甚至 10b的親和值達到 230 nM，是非常有潛力的 MKK7抑制劑。

甲基取代在1,4-萘醌抗癌藥物的設計較多，而長烷基取代基則并不多見。Kongkathip團隊[26]以1-羥基-2-萘甲酸為原料，分九到十個步驟分別合成了十四個新型萘醌脂肪族酰胺和十七個萘醌脂肪族酯，并用KB細胞（人口腔表皮樣癌細胞）測試其抗癌活性，構效關系結果表明：當脂肪族的碳鏈大于7時，萘醌脂肪族酰胺活性強于脂肪族酯。其中，表現最佳的化合物11（圖2）對KB細胞的IC50為5.12 μM，為脂肪族的萘醌化合物提供了一定的參考價值。

Silva等[27]則設計將碳碳三鍵與醌環相鄰，合成了一系列2,3-二炔取代-1,4-萘醌的衍生物，并在3種癌細胞（人胃癌細胞NCI-H358M、人卵巢癌細胞OVCAR-8和人前列腺癌細胞PC-3M）上進行細胞毒性測試，所得的化合物均表現出較強的抗增殖活性，較為突出的是12a（對3種細胞的IC50分別為2.98、2.28、4.28 μg/mL）、12b、12c、12d（圖2），為1,4-萘醌衍生物的多樣性提供了一定的參考價值。

表1 單醌環取代的1,4-萘醌衍生物活性總結

1,4-萘醌衍生物的醌環取代基既有供電子基團，也有吸電子基團。通過表 1可以發現氨基中叔胺、仲胺取代均能獲得較好的抗癌活性；含硫醚鍵和二硫代酯基取代的衍生物的抗癌活性達到了納摩爾級，具有較為理想的抗癌活性；烷氧基取代及炔鍵取代；哌啶、磺?；螂s環等也頗具研究價值。

2.2 苯環醌環均有取代的1,4-萘醌衍生物

2013年，Bhasin等[28]以Juglone、Plumbagin及課題組前期的先導化合物為設計基礎，經過一系列反應得到PD系列的新型5-取代的萘醌衍生物，并以人前列腺癌細胞DU-145、乳腺癌細胞MDA-MB-231、結直腸癌細胞HT-29為測試對象，研究結果表明化合物13a、13b、13c、13d、13e、13f（圖3）對三株癌細胞均具有較強的抗癌活性（IC50為1～3 μM），具有較高的研究價值。2015年Zhang等[29]以Juglone為原料，并引入三唑基團設計并合成了一系列5-取代化合物。所得的化合物中14a、14b（圖3）對肺癌細胞A549的IC50為4.72、4.67 μM，是具有高活性的細胞毒性藥物，構效關系分析認為在三唑的鄰位上引入吸電子基有利于提高腫瘤細胞抑制活性。

2018年Li等[30]以3,5-二甲氧基苯甲醛為起始原料，得到3,5-二甲氧基苯乙酸，再經過?；?、環化，獲得以5,7-二甲氧基-1,4-萘醌主體結構的一系列衍生物，而經過C-2氯化得到的化合物15（圖3），對早幼粒急性白血病細胞HL-60的抑制效果是最好的，其IC50為3.8 μM，對正常細胞則為40.7 μM，具有高活性及高選擇性，可以成為治療早幼粒細胞性白血病的先導化合物，且經過構效分析認為2-Cl取代對活性強弱至關重要。同年[31]，該團隊以3,4,5-三甲氧基苯甲醛為起始原料，按上述方法得到了5個以2-氯-3-烷基-5,6,7-三甲氧基-1,4-萘醌為主體結構的新型衍生物。得到的化合物整體而言都具有較高的活性和選擇性（對HL-60的IC50范圍為2.85～12.89 μM），其中化合物2-氯-3-乙基-5,6,7-三甲氧基-1,4-萘醌（16，圖3）具有最強抑癌活性，對HL-60的IC50為2.85 μM，而對正常細胞的IC50為23.81 μM。進一步的構效關系實驗則認為在苯環上引入吸電子取代基，可以作為結構修飾的重點。

2019年Liu等[32]合成了一種新型1,4萘醌衍生物，命名為2-（萘-2-硫基）-5,8-二甲氧基-1,4-萘醌（17，圖3），并采用MTT法在肝癌細胞HepG2、Hep3B和Huh7中進行細胞毒性測試，該化合物對三株癌細胞的IC50分別為0.87、0.90、2.84 μM。機制研究發現，化合物17還能通過ROS積累誘導HepG2細胞的凋亡，從而引起MAPK、AKT和STAT3信號通路的激活，并最終導致線粒體相關的凋亡，表明化合物17可能是治療肝癌的潛在化合物。

圖3 苯環醌環均有取代的1,4-萘醌衍生物結構

從表2可以看出，苯環上的取代位多為5-位單取代或與7-位、8-位共取代，多連有吸電子取代基團，如-OH、-OCH3等，醌環上的取代基團仍是-NH2、-Cl、-S等，-SO2NH2也能獲得較強的活性，有較好的研究價值。

表2 苯環醌環均有取代的1,4-萘醌衍生物活性總結

2.3 1,4-萘醌并雜環衍生物

Zhang等[33]設計合成了兩個環氧萘醌化合物18a、18b（圖4），采用MTT法測試了其對三種肺癌細胞的細胞毒性，研究發現化合物對A549具有最強的毒性（IC50分別為2.59、7.54 μM），且對正常細胞低毒?；衔?8a、18b可以通過ROS介導的絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）、Akt和STAT3信號通路的激活，誘導A549細胞的細胞周期停滯和凋亡，具有很高的研究潛力。

Duchowicz團隊[34]合成了萘醌并呋喃、萘醌并吡喃的衍生物，其中萘醌并呋喃系列的化合物19a、19b、19c、19d、19e（圖4）對乳腺癌細胞HBL-100、宮頸癌細胞HeLa、肺癌細胞SW1573、結腸癌細胞WiDr均有較強的抑制作用（GI50值不超過3 μM），活性最好的19b、19d甚至達到納摩爾級，有很大的參考價值，而萘醌并吡喃的活性較差一些。

2018年，Acu?a等[35]以2-羥基-1,4-萘醌為原料，合成了一系列1,4-萘醌并雜環的衍生物，包括萘醌并呋喃、萘醌并吡咯、萘醌并噻唑、萘醌并噻吩，并在人結直腸癌細胞HT-29中對比細胞毒性，結果表明萘醌并噻吩系列化合物20a、20b（圖4）具有最強活性，IC50分別為1.73、3.07 μM，且20a擁有與陽性藥阿霉素（IC50=1.07 μM）相當的活性。除此之外，萘醌并呋喃系列化合物21a（IC50＝2.67 μM，圖4）、21b（IC50=4.16 μM，圖4）也有較強的活性。其余系列則具有中等或中等偏下的活性。同年，Liu等[36]合成了一系列新型1,4-萘醌并咪唑衍生物，得到的化合物22（圖4）對A549肺癌細胞的IC50為9.3 μM，但其他化合物只有較弱的抗癌活性。

表3 1,4-萘醌并雜環衍生物活性總結

文中總結了近幾年與1,4-萘醌醌環相并的簡單雜環衍生物的抗腫瘤活性，通過表3不難發現三元和五元雜環的活性比六元雜環相對更好，而五元雜環中，噻吩和呋喃環具有更優越的活性。

2.4 其他衍生物的抗癌活性

2017年Huang等[37]嘗試對1,4-萘醌醌環上的羰基進行修飾，合成了十八個6-取代1,4-萘醌肟衍生物，并在四個癌細胞系（人結直腸癌細胞HCT-15、胃癌細胞MGC-803、肝癌細胞Bel7402、乳腺癌細胞MCF-7）和正常細胞（HSF）中進行了細胞毒性篩選，研究結果顯示該系列化合物對正常細胞毒性較低，且對HCT-15具有更高的敏感性，其中化合物23a、23b、23c（圖4）對HCT-15的IC50分別為2.52、1.64、2.27 μM，強于陽性對照阿霉素（IC50＝2.74 μM）、5-氟尿嘧啶（IC50＝8.24 μM），具有較高的研究價值。

同年[38]該團隊繼續萘醌肟系列，以類似的方法合成了一系列6-取代的5,8-二甲氧基-1,4-萘醌肟衍生物，其中化合物24a、24b、24c、25a、25b（圖4）具有與陽性藥5-氟尿嘧啶相當的抗癌活性；而2018年[39]該團隊的第三系列化合物中26（圖4）脫穎而出，抗癌活性遠高于5-氟尿嘧啶，對白血病細胞K562、人結直腸癌細胞HCT-15、HCT-116的IC50分別為1.25、1.63、2.47 μM。對K562的效果最為突出，約是陽性藥的12倍。這一系列的研究為6-取代的萘醌肟系列化合物提供了較好的研究參考。這種將醌環上的羰基進行修飾的方法也為1,4-萘醌新型衍生物的設計提供了更廣闊的參考空間。

圖4 1,4-萘醌并雜環衍生物和其他衍生物的結構

3 總結與展望

本文對近幾年合成源1,4-萘醌類衍生物的抗腫瘤活性作了簡單概述，通過對這些化合物的結構以及活性分析發現：1,4-萘醌系列的衍生物大都具有廣譜性，尤其對乳腺癌、肺癌、宮頸癌、結直腸癌、白血病等具有更優越的選擇性。2-位氨基取代最為常見且具有較強的抑癌活性（主要是仲胺、叔胺），但似乎硫取代比氨基具有更強的細胞毒性，而含有N、S同時存在的基團，比如磺?；蛳盗谢鶊F、磺酰胺基等均具有不錯的活性，值得進一步的研究。苯環上5-、8-吸電子基取代較多見，5，8-二甲氧基的取代活性也較為出色。目前萘醌并雜環的合成方法研究也越來越多，從活性數據上看，萘醌并呋喃環、噻吩環的活性更加理想，而其他更多雜環的活性報道卻并不多見，有待進一步的研究。6-取代萘醌肟具有高活性的同時對正常細胞毒性很小，具有良好的選擇性，這在1,4-萘醌抗癌藥物的研究當中具有非凡的借鑒意義。盡管目前已發現一些高活性的1,4-萘醌衍生物，但因其對癌細胞和正常細胞間的選擇性差或代謝毒性、穩定性等原因而影響其后期成藥。該類化合物的構效關系、作用機理、體內實驗等也是進一步的研究重點。研究出高效、低毒的1,4-萘醌衍生物仍然是醫藥行業的努力方向，相信在不久的將來，1,4-萘醌衍生物也將迎來更好的發展。