多金屬氧酸鹽類α-葡萄糖苷酶抑制劑的研究進展

王瑞芳，帥蝶，孫樂常，謝遠紅

(集美大學海洋食品與生物工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

糖尿病是21世紀威脅全球人類健康的主要疾病之一，也是世界范圍內最嚴重的慢性病之一。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和代謝系統造成嚴重損害，常引起眼睛、腎臟、腦血管和神經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體小腸絨毛粘膜細胞刷狀緣中，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]，已被認為是2型糖尿病的主要治療藥物。開發新型的α-葡萄糖苷酶抑制劑替代傳統抗糖尿病藥物也成為國內外學者的研究熱點。

多金屬氧酸鹽(polyoxometalates,POMs)是一類具有高水溶性和高結構選擇性的金屬-氧化物簇陰離子，在材料[6]、納米材料[7]、電化學[8]、醫學[9]、催化[10]、超分子材料[11]等領域得到了廣泛的研究。又由于其結構多樣性、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]等領域顯示出良好的醫學應用前景，近年來已成為無機藥物的研究熱點。

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

1 抑制劑對α-葡萄糖苷酶的抑制機理

抑制劑與α-葡萄糖苷酶的作用機理研究有利于后期研究和開發新藥物，多種光譜技術已用于活性成分對酶抑制機理的研究。紫外分光光譜可用于研究活性成分對酶的抑制動力學和抑制類型，活性成分與酶結合會使酶發生熒光猝滅，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合前后的構象變化。應用計算機技術分子對接模擬配體和酶之間結合位點和作用力，研究分子間的親和力和結合模式[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-葡萄糖苷酶的結合改變酶的二級結構來抑制酶的活性[3]，同時抑制劑在疏水作用和氫鍵驅動下，與酶周圍的氨基酸殘基相互作用，干擾酶的構象動力學[18]。在疏水力的驅動下，α-葡萄糖苷酶內源熒光靜態猝滅，從而導致蛋白質多肽鏈部分延伸，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合，與氨基酸殘基相互作用，阻礙底物和催化反應產物的釋放，最終抑制α-葡萄糖苷酶的催化活性[19]。某些物質能誘導α-葡萄糖苷酶的剛性結構和環結構發生變化，從而引起與α-葡萄糖苷酶活性密切相關的酶結構變化[20]。同時，這些物質還可抑制葡萄糖與酶底物的結合，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動，引起酶的構象變化，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，占據酶的催化中心，最終抑制酶的活性[21]?？傊?，抑制劑對α-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。

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傳統藥物，如：1970年發現米格列醇對α-葡萄糖苷酶有強烈的抑制作用；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，可從天然物質中提取α-葡萄糖苷酶抑制劑，也可利用微生物發酵來合成。隨著研究的深入，國內外學者也通過化學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、醌類和有機酸類等。除此之外，還可以從微生物次級代謝產物中提取純化出具有降血糖的單體活性成分。

基于國內外學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地藻多糖[22]、蛹蟲草子實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構的化合物，如具有2,6-環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?；S烷酮(4)、2種環烯醚萜類化合物(5和6)、17種已知的次生代謝產物，衍生物4對α-葡萄糖苷酶作用最強，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]對山茱萸進行了系統的植物化學研究，以尋找抗糖尿病的成分，分離出10種未報道的環烯醚萜苷、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-葡萄糖苷酶也表現出抑制作用。將西番蓮用二苯乙烯進行提取，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HepG2細胞攝取葡萄糖，并誘導葡萄糖代謝，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]對美人蕉根莖進行了研究，結果表明，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于陽性對照阿卡波糖。與鏈脲佐菌素誘導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 化學合成的α-葡萄糖苷酶抑制劑

由于α-葡萄糖苷酶抑制劑結構復雜，單獨合成難度較大，故大多是在天然產物的結構基礎上加以修飾改良的?；瘜W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、大環化合物等一系列有機合成物。臨床應用的阿卡波糖、伏格列波糖和米格列醇都是葡萄糖的結構類似物，Adib等[39]設計合成的咔唑-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 微生物發酵提取的α-葡萄糖苷酶抑制劑

目前，已獲得臨床應用的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物。1977 年，阿卡波糖從游動放線菌 SE50 的代謝產物中被提取發現[42]；1982年，米格列醇從Streptomyceslavendulae發酵液中被提取發現[43]。Lee等[44]從鏈霉菌的代謝產物中分離出的染料木素，王欣榮等[45]在淡紫鏈霉菌發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、純度低且結構相對復雜等問題；微生物的不穩定性及可重復性不高，發酵過程關鍵控制點難以掌握，很難進入到工業化生產階段；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-葡萄糖苷酶進行了分子對接研究，結果證實，2種不同系列的POMs均對α-葡萄糖苷酶表現出顯著的抑制效果(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準阿卡波糖的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合到α-葡萄糖苷酶的活性位點。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的氨基酸分子結合，如圖3所示。PMO12準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合，還與活性區周圍的氨基酸殘基(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競爭性結合，同時，很多極性氨基酸殘基也參與了POMs與α-葡萄糖苷酶的強結合。

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。研究發現，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。對接結果表明，氫鍵和范德華力是配體化合物與酶蛋白結合的關鍵力。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合的關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，發現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，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)。極性氨基酸會增強多酸與α-葡萄糖苷酶的相互穩定性，活性位點周圍的疏水氨基酸是配體化合物進入活性囊的關鍵。

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在開發和研究α-葡萄糖苷酶新型抑制劑方面展現出廣闊的應用前景。

4 結論

目前，在臨床上應用的α-葡萄糖苷酶抑制劑大多來自微生物代謝產物或天然產物，通過化學合成來獲得活性更強的抑制劑已成為發現高效α-葡萄糖苷酶抑制劑的一種趨勢，而POMs在開發有臨床價值的α-葡萄糖苷酶抑制劑方面具有相當大的潛力。但POMs對α-葡萄糖苷酶的作用機理復雜，分子對接僅了解構建的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理尚不清楚，這也對POMs在開發有臨床價值的α-葡萄糖苷酶抑制劑方面的后續研究提供了以下方向：

1)進一步合成POMs，并采用定點突變和比較模擬的方法確定α-葡萄糖苷酶的活性位點和底物結合方式，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大研究范圍。

2)研究抗衡陽離子與結晶水等因素對多酸構效關系的影響，并進一步擴展對人體的α-葡萄糖苷酶和同源模型酶的研究。

3)解析α-葡萄糖苷酶-多酸復合物的X射線晶體結構，比較和評估建模數據的準確性，對酶-多酸復合物的X射線晶體結構和結構-活性關系進行的分析，能在結構層面上更好地理解多酸與酶的相互作用。

4)開展動物實驗、毒理學研究，了解多酸的藥物作用機理，深入研究毒副作用，助力醫學上研究低毒、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化學的生物醫學應用提供新思路。