姜黃素衍生物的制備及其抗癌活性研究進展

王棚綜述，趙領審校

姜黃素衍生物的制備及其抗癌活性研究進展

王棚綜述，趙領審校

（瀘州醫學院藥學院藥劑學教研室，四川瀘州646000）

姜黃素具有抗癌、抗菌、抗病毒、清除自由基等生物活性[1-3]。尤其是其通過相關信號通路和調控蛋白表達[4-5]，能抑制癌細胞增殖，誘導腫瘤細胞凋亡等[6]多方面的作用得到了廣泛研究和關注。但水溶性差、生物利用度低、口服后胃腸道吸收差等缺陷，也限制了其臨床應用。本文簡要概述了姜黃素衍生物的結構修飾路線和方法，及其抗癌活性的研究進展；探討了其衍生物抗癌活性與化學結構之間的關系，為以后開發臨床使用價值大的姜黃素先導化合物或類似物提供依據。

1 姜黃素苯環結構的修飾

姜黃素及其衍生物的抗腫瘤活性機理主要與誘導癌細胞凋亡相關，可能的途徑主要有抑制血管生成、抗癌細胞鈣調蛋白作用、線粒體解偶聯作用以及誘導細胞周期停滯，調控抑癌基因及其蛋白的表達等[7-9]作用。對姜黃素苯環結構進行修飾，生產的衍生物取代基不同，呈現出不同的抗腫瘤活性。

1.1 取代基的修飾

Venkateswarlu等[10]通過對姜黃素苯環上酚羥基數量和分布進行設計，合成了20個多羥基姜黃素類似物，發現多羥基的類似物具有較強的抗氧化能力，其中少數具有降低Dahons淋巴腹水瘤細胞發生率的能力（化合物1～5）。在引入吸電子基團取代方面，Costi R等[11]通過設計，在姜黃素苯環結構上引入了溴和羧基，得到類似物6～7，發現其對癌細胞內P300組蛋白乙酰轉移酶的抑制作用增強，促進細胞凋亡，發揮較好的抗腫瘤作用。由此可見，姜黃素類似物苯環上酚羥基和甲氧基的數目和位置對其抗癌活性有一定的影響，苯環上適當位置增加吸電子基團可增強其對腫瘤細胞的抑制活性（見圖1）。

圖1 苯環取代基修飾

1.2 酚羥基成酯

近年來，越來越多的學者發現姜黃素苯環上酚羥基具有較高化學反應活性這一特點，利用拼合技術，將其同其它活性化合物拼籌結合，以達到提高姜黃素抗癌活性，改善其水溶液差，不易吸收，生物利用度低等缺陷。林錦璇等[12]從中醫經典方藥中的研究思路出發，利用拼合技術，使姜黃素分別和桂皮酸、川芎嗪酸兩種抗癌活性成分相結合，合成了姜黃素川芎嗪酸酯（化合物8）及姜黃素桂皮酸酯（化合物9）兩種姜黃素先導化合物，并研究了它們對4種腫瘤細胞株的增殖抑制活性及正常細胞的毒性，結果表明，合成的兩種先導化合物均具有較好的抑制癌細胞增殖活性，明顯優于前體合成原料姜黃素、川芎嗪酸以及桂皮酸，且對正常MDCK細胞未發現毒性反應。胡椒堿具有抗腫瘤，增強機體免疫力等藥理作用，有研究報道，將姜黃素和胡椒堿聯合用藥，能使姜黃素在人體內的生物利用度提高20倍，故Mishra等[13]將姜黃素和胡椒酸在DCC，DMAP的催化下合成了姜黃素胡椒酸酯（化合物10），結果發現，該先導化合物能增強細胞對其攝取過程，并減緩代謝，從而在細胞內形成較高的藥物濃度，同時，合成的姜黃素衍生物在低濃度時就顯示出明顯的促細胞凋亡活性，呈現出較強的抗癌活性。吳敏等[14]在堿性條件下將氟尿嘧啶和氯乙酸反應生成5-氟尿嘧啶-1-基乙酸，再和姜黃素反應得到了（5-氟尿嘧啶-1-乙酸）-4′-姜黃素酯（化合物11），實驗結果發現該先導化合物體外能明顯抑制HL60、K562、SGC7901、SW480等腫瘤細胞增殖，也能抑制H22荷瘤小鼠腫瘤生長（見圖2）。

圖2 酚羥基成酯

2 活潑亞甲基的修飾

姜黃素在堿性水溶液中，顏色變深，且極易降解，原因主要在于其β-二酮結構中的4位亞甲基由于羰基的吸電子作用，容易脫去質子，形成不穩定的碳負離子結構，容易受到水的親核進攻發生取代反應。故通過4位亞甲基的改造來提高姜黃素的活性，增強其穩定性已受到廣泛關注。Shi等[15]用親酯性的F原子取代亞甲基上的H原子，合成得到了化合物12，抗腫瘤活性實驗研究表明：該化合物能明顯抑制人前列腺癌LNCaP和PC-3細胞株，且抑制活性高于姜黃素。Bill等[16]則在4位亞甲基處引入環己基，得到類似物13，體外細胞實驗發現，該化合物能通過抑制磷酸化的信號轉導與轉錄激活因子-3，抑制黑色瘤細胞的增殖。Amolins等[17]通過研究姜黃素類似物構效關系表明，當4位亞甲基上的取代基為飽和取代基甲基時（化合物14），其抗癌活性降低，而用具有吸電子作用的酯鏈取代基取代時（化合物15～17），仍能很好地抑制MCF-7和SKBR3乳腺癌細胞。劉洋等[18]以姜黃素和香草醛為原料，在微波條件下，利用Knovenagel縮合反應，合成了4-（4-羥基-3-甲氧基苯亞甲基）姜黃素（化合物18），體外MTT實驗表明，化合物15能抑制人乳腺癌細胞SKBr3、人肝癌細胞HepG2、人急性髓系白血病細胞HL-60等多種癌細胞株，且抗細胞增殖作用明顯強于姜黃素，Western Blot實驗結果表明，它還能下調Hsp90的客戶蛋白表達水平，首次提出該化合物可能是Hsp90抑制劑。故，姜黃素的4位亞甲基具有較高的反應活潑性，在4位亞甲基上引入合適的基團，改變姜黃素長共軛系統的電子云分布，不僅能增強其穩定性，也可能提高其抗癌活性（見圖3）。

圖3 活潑亞甲基的修飾

3 β-二酮及其連接碳鏈的修飾改造

β-二酮結構存在烯醇式和酮式兩種互變構型，有研究表明[19]，姜黃素的抗癌活性主要依賴于其烯醇式構型，主要原因可能是酮式構型中，姜黃素的苯環和鏈接碳鏈不在同一個平面上，而烯醇式構型使苯環和鏈接碳鏈保持在同一平面，維持了分子的整體剛性結構。近年來，對β-二酮及其鏈接碳鏈的修飾大多體現在羰基縮合，碳鏈長度的改造，引入雜環結構以及生成單羰基化合物等，眾多的合成產物以及抗癌活性研究結果表明，增強姜黃素分子的剛性，維持其碳鏈和苯環在同一平面上，是保留或增強姜黃素生物活性及穩定性的關鍵。

3.1 羰基縮合

Labbozzetta等[20]通過酮基縮合在β-二酮羰基位引入了異噁唑或吡唑雜環，得到化合物19～20，體外實驗發現，其能很好地抑制人肝癌細胞HA 22 T/VGH，IC 50分別為12.8±1.5和2.47±0.6μmol/L，明顯優于姜黃素IC 50值（17.4±1.2 μmol/L）。腫瘤的產生與細胞周期調控機制的紊亂密切相關，Shim等[21]在化合物20的基礎上引入了對甲酸苯基，合成了化合物21，實驗表明，化合物21作為一種拮抗劑，在發現新的抗腫瘤靶點上具有重要價值，其可通過抑制結腸癌細胞的細胞周期循環，從而抑制結腸癌細胞的增殖。

腫瘤的生長與轉移和血管的生成密切相關，因此抗血管生成是目前抗腫瘤藥物發揮靶向治療效果的有效途徑。Yoysungnoen等[22]研究表明姜黃素具能顯著降低肝癌HepG2細胞組織中環氧合酶-2、血管內皮生長因子的過度表達，進而抑制腫瘤血管發生，產生抗腫瘤作用。Shim等[23]通過研究一系列N原子取代羰基氧的化合物中，發現化合物22～27具有較好地抑制內皮細胞血管生長，活性是姜黃素的5～30倍，可成為潛在的血管生成抑制劑，為進一步開發優良的抗癌衍生物提供依據（見圖4）。

圖4 β-二酮羰基縮合產物

3.2 單羰基化合物

對于將β-二酮結構改造為單酮結構，Karthikeyan等[24]采用新的方法，使環酮和芳醛在乙酸銨的作用下，合成了兩組C5鏈的單酮類似物（化合物28～35），體外毒性實驗表明，合成的8種化合物對結腸癌HCT-116、胰腺癌Panc-1及肺癌H 460等細胞株均有較好的抑制作用。Lin等[19]合成了單羰基衍生物（36～41），發現它們對前列腺癌LNCaP、PC-3細胞和乳腺癌MCF-7、MDA-MB-231細胞的抑制活性是明顯優于姜黃素，且發現單羰基衍生物中，4-OH對抗癌活性影響不大，可能是單羰基結構明顯增強了分子結構的剛性和穩定性，且存在著不同的抗癌機理（見圖5）。

圖5 單羰基類化合物

4 結語

姜黃素具有明顯的抗癌活性，且基本無毒副作用，但水溶性差，堿性環境下不穩定，生物利用度低，體內代謝迅速等缺點限制了其臨床應用。因此，對姜黃素的結構進行修飾改造，尋找高效低毒的姜黃素衍生物或類似物受到廣大研究人員的重視。

本文根據眾多學者對姜黃素的修飾改造路線，合成產物的抗癌活性與其結構特點總結出以下幾點：1）姜黃素苯環上的酚羥基是其保持抗氧化以及抗癌活性的重要基團，對苯環結構的修飾中，酚羥基的位置和數量，以及合適吸電子基團的引入與其抗癌活性密切相關，分析原因，很可能是，姜黃素的苯環和連接橋鏈的雙鍵處于一個長共軛系統，β-二酮結構上的氧原子具有強吸電子作用，故適當增強苯環的吸電子作用，能使共軛系統中的電子分布更均勻，進而增強其活性和穩定性。2）苯環上4位酚羥基雖是維持姜黃素活性的重要基團，但同時也是使其遇光不穩定，易氧化及遇堿顏色變深的缺陷基團，故將4位酚羥基和其它抗癌活性成分形成酯鍵，合成姜黃素先導化合物，不僅封閉了不穩定的酚羥基，且可根據拼合的抗癌活性成分性質，改變姜黃素的極性，從而增強其水溶性和口服吸收率，先導化合物的酯鍵在體內水解，釋放出多種抗癌活性成分，進而起到聯合用藥的效果，增強抗癌作用。3）β-二酮以及活潑亞甲基是姜黃素不穩定，遇水快速降解的關鍵，但同時也是維持其抗癌活性的決定性基團，若完全去除β-二酮結構，抗癌活性消失。根據眾多研究結果可以發現，若要增強姜黃素抗癌活性，對β-二酮結構的改造，關鍵在于維持或增強分子結構的整體剛性，如活潑亞甲基位引入合適的吸電子基團，β-二酮位用雜環取代等，分析原因很可能是，維持分子結構的剛性能提高穩定性，很好地維持分子內部空間形態，較長時間保留活性結合位點。

目前，對姜黃素的結構修飾和改造已取得了一些進展，但廣大研究者還需拓寬思路，根據化合物結構與其生物活性的關系，獲得啟發，開發出生物活性高，臨床使用價值大的新型藥物。

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（2015-03-11收稿）

R730.5

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2015.03.030

王棚（1989-），男，碩士生。E-mail：851151831@qq.com