中藥單體成分川芎嗪的藥用專利分析

曹寅秋，洪夢實

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160)

川芎嗪是從中藥川芎中分離得到的一種生物堿，其化學名稱為2,3,5,6-四甲基吡嗪，現代研究發現其具有抗血栓、抗炎、神經保護、抗腫瘤、鎮痛等藥理活性[1]，是廣受關注的中藥單體成分。本文對川芎嗪國內專利申請進行梳理，分析其專利申請總體情況，以期為川芎嗪的后續研究、開發提供思路。

1 研究方法

在中外專利數據庫(CNABS、CNTXT、VEN)以關鍵詞川芎嗪(包括中英文擴展)對已公開專利進行檢索，并在STN數據庫進行結構檢索，二者結果合并、去重，并人工剔除與藥用無關的專利。數據采集時間截至2020年5月。

2 專利分析

2.1 申請概況

檢索到全球涉及川芎嗪的藥用專利申請共計356件(部分專利涉及川芎嗪作為香味物質、飲片或藥物中質控物質等未實際涉及藥物用途應用，已排除)，如圖2所示：2002年以前申請量極少，2002年以后申請量大幅增加，其中來自中國的專利申請占據全部專利申請量的93%，體現川芎嗪作為中藥單體化合物、主要在我國受到關注和研究。來自其他國家和地區的專利申請數量寥寥，這些專利主要來自中國臺灣地區以及美國。

圖2 歷年川芎嗪藥用專利申請量

通過統計發現，涉及川芎嗪的專利申請的主題主要包括制藥用途、組合物、制劑和衍生物等四類，如圖3所示，其中組合物主題的專利申請量最多，常年持續保持較高占比，而衍生物主題的專利申請在2010年后，也就是近10年以來數量大幅增加，體現了研究重點傾向性的改變。而2017年以后的申請文件還存在尚未公開的情況，因此2017年之后顯現出申請量大幅下降的情況。

圖3 各主題歷年申請量占比

申請人方面，如圖4所示：橫坐標表示專利申請的主題，縱坐標表示申請人類型，可以看出，川芎嗪不同的主題專利申請在申請人分布上有較大區別。組合物專利申請整體數量最大，其中大部分來自企業，與企業以產品為主導的實際情況相符；科研單位和機關團體主要包括研究所、醫院等，最重視川芎新用途的拓展；衍生物的研究偏重于化學研究，且往往要配合藥理實驗驗證產物活性，需要申請人具備較強的科研實力，因此往往由高校和企業完成。

圖4 川芎嗪各類主題專利申請的申請人類型分布

同時，筆者發現，就全部川芎嗪藥用專利申請而言，同一申請人往往會選擇1-2個主題作為研究重點，例如僅關注衍生物，或同時關注組合物和制劑，但缺乏在各主題類型同時存在研究的申請人。并且組合物主題的專利申請人雖然數量多，但似乎并沒有一家企業集中、大批量提交專利申請。相反地，在衍生物主題方面，可以發現山東大學、北京理工大學、南京中醫藥大學等高校，廣州喜鵲醫藥有限公司、薪火炙藥(北京)科技有限公司、武漢朗來科技發展公司與武漢啟瑞藥業有限公司，以及思路迪(北京)醫藥科技有限公司等新興中小型藥企存在數量較高的專利申請，其中山東大學以10篇專利申請名列前茅。值得注意的是，上述企業申請人也就川芎嗪衍生物主題提交了多項PCT申請，積極拓展海外專利布局。

鑒于川芎嗪各主題專利申請的數量、申請人等方面差異較大，且衍生物主題的專利申請增長令人矚目，以下將對不同主題專利申請作進一步分析。

2.2 川芎嗪制藥用途、組合物、制劑專利情況

早在1977年，我國學者就從川芎中提取出川芎嗪單體并實現人工合成[2]，自此對川芎嗪的藥理活性展開廣泛研究。鑒于藥理活性多已見諸期刊、論文等文獻，以川芎嗪單體化合物制藥用途為主題的專利申請數量較少，涉及的活性也與其主要活性相差較遠，包括誘導骨髓間質細胞分化、治療陰莖勃起功能障礙、逆轉唑類藥物抗真菌多藥耐藥等相對分散的藥理活性。

從前面圖3可見，相對而言，涉及川芎嗪組合物的專利數量在全部川芎嗪主題的專利申請中占比最多，在這些專利申請中川芎嗪與種類繁多的組分相組合，包括中藥單體成分、中藥提取物、化藥以及混合物(同時包括化藥與中藥單體成分或中藥提取物)，體現了川芎嗪既作為已知指標性成分用于中藥物質基礎研究，也作為獨立且成熟的活性成分與化藥組成復方使用的研究現狀。

圖5顯示了川芎嗪與各類成分組合出現的比例情況，其中在與中藥單體成分的組合中，與酚酸類成分，包括丹參素、丹酚酸類、阿魏酸、白藜蘆醇等的組合較多，另外在與中藥提取物的組合中，與以丹酚酸、丹參素為主要活性成分的丹參提取物的組合也占據三分之一左右的比重。組合物涉及的用途則以心腦血管疾病為最常見的用途，圖6可直觀反映出上述情況，其它數量較多的用途還包括代謝病，其屬于心腦血管常見誘發疾病，以及抗炎、抗腫瘤、神經保護等與川芎嗪本身藥理活性相符的用途。

圖5 組合物主題專利中組分類型占比

圖6 組合物主題專利中涉及用途占比

圖7 制劑主題專利類型占比

最后，如前面圖3所示，以川芎嗪制備不同制劑形式的專利申請占比不大，這些專利申請涉及的劑型也較為分散，主要包括經皮給藥、注射給藥、緩控釋制劑和其它一般制劑形式，如圖7所示，可以看出，針對川芎嗪的制劑專利中緩控釋制劑占比較高，這與川芎嗪已作為藥物上市使用、一般性劑型多被使用公開有一定關系，也表明對其的制劑研究已進入應用相對復雜劑型的階段。另外，注射劑型占比較高，推測是由于川芎嗪主要藥理活性為心腦血管活性，相應疾病的用藥形式主要包括注射劑，且中藥注射劑的安全性廣受關注，因此申請人重視對注射劑型的改進。

2.3 川芎嗪衍生物專利情況

從前面圖3可以發現，在以川芎嗪為主題的專利申請中，川芎嗪衍生物主題的申請在近十年中占比大幅增加，已經趕上甚至有超過組合物主題占比的態勢。這與川芎嗪自身的代謝半衰期短的性質有重要關系，川芎嗪雖然具有多種藥理活性，但其側鏈中的甲基極易被氧化代謝，生成極性大、水溶性高的物質而排出，體內半衰期不足一小時[3]，實際生物利用度較低。因此，我國學者一直關注對川芎嗪的結構改造，以期獲得生物利用度提高、活性效果更高的衍生物。

既往研究[4-5]表明，川芎嗪的吡嗪環是發揮其藥理作用的關鍵基團，因而川芎嗪結構修飾的位置主要集中于側鏈基團，也即吡嗪環上的甲基。通過分析發現，在涉及川芎嗪衍生物的專利申請中，衍生物結構可劃分為四個大類型：側鏈直接修飾：即對甲基進行常規基團修飾或替換，如酯、醚、酰胺等；與已知天然產物或化學藥物成分的拼合物；成鹽/晶體/共晶：通常是因川芎嗪自身的堿性與另一種酸性物質通過酸堿反應成鹽、進而結晶或形成共晶；高分子/聚合物：與聚乙二醇、蛋白類材料通過共軛、接枝等方式形成的物質。

上述種類中，與已知成分的拼合物是基于藥物化學中的拼合原理而得，即將兩種具有生物活性的化合物通過共價鍵連接起來，進入體內分解成兩個有效成分，以期獲得二者作用聯合的理化效應，或減小兩種藥物各自具有的毒副作用。筆者發現，專利中涉及的川芎嗪拼合物又可具體劃分為兩個類別，即與其它天然小分子化合物拼合，以及與化學藥物拼合，這兩類拼合物雖然都依據拼合原理，但拼合的出發點卻有很大不同：與天然小分子化合物拼合，主要是包括與小分子酚酸、五環三萜的拼合，往往受到中藥基礎研究以及組方用藥的啟示，與圖5所示川芎嗪常與酚酸類中藥單體成分相組合的實際情況相符，這些物質與川芎嗪本來就分別屬于常見藥對及復方中的已知活性成分，它們的拼合是應用現代藥物研究思路和技術，對中藥藥效基礎、組方依據的一種探索性研究。而川芎嗪與化學藥物拼合，則完全是以現代藥物化學的研究思維，在化學藥物原有藥理活性基礎上利用川芎嗪已知的擴血管、抗腫瘤的已知活性，來增強化學藥原本的擴血管、抗腫瘤效果，或減輕、代償化學藥物的心血管副作用。圖8反映了各種類型衍生物的歷年申請量情況，氣泡大小代表申請數量的多少?？梢钥闯觯鹤钤绯霈F的衍生物類專利申請是川芎嗪鹽/晶體/共晶類物質，相對而言，成鹽反應也是各類衍生物中涉及的化學反應最簡單的，且歷年來仍有專利申請不斷出現，盡管數量不多，但該類物質的研究顯然還在持續進行。側鏈修飾類衍生物繼鹽/晶體/共晶類物質隨后出現，且歷年申請量最為平穩，說明川芎嗪側鏈修飾是長期以來的研究重點。拼合類衍生物出現較晚，但近十年以來發展較快，專利申請數量較多，尤其與天然成分拼合的衍生物在2010年、2016年左右出現了兩個申請量高峰，而與化學藥物拼合的專利申請雖然出現最晚、數量也較少，但卻在近幾年內集中出現、歷年數量平穩，表明其是近期最受關注的研究方向。

圖8 不同類型川芎嗪衍生物歷年專利申請量趨勢

對于藥物而言，結構改變的主要目的就是改進藥物活性或理化性質。川芎嗪衍生物專利申請在描述結構的同時也多提供了產物的藥理活性試驗，且往往包括與原料化合物特別是川芎嗪的效果對比，印證了活性/理化性質為結構改造之內在驅動力的普遍事實。如圖9所示，川芎嗪衍生物所涉及的藥理用途主要為心血管疾病治療、抗腫瘤以及神經保護，與川芎嗪已知活性相符，心血管活性是全部衍生物專利中研究最多的活性，自2000年以來有著持續、穩定的專利產出。而抗腫瘤、神經保護作用是近十年來川芎嗪衍生物中更受關注的活性，專利申請數量大幅增加。此外，基于川芎嗪本身代謝期過短的缺點，旨在改變理化性質的衍生物研究也在全部衍生物專利申請中占據重要比例，且其研究仍在不斷進行。最后，也有一些專利申請涉及了川芎嗪衍生物抗乙肝病毒、抗菌等活性，數量較小，研究起步較晚，提供了今后擴展川芎嗪外圍專利的一些思路。

圖9 涉及不同用途的川芎嗪衍生物申請量趨勢

同時，筆者也發現，川芎嗪結構修飾類型與活性類型之間，直接對應關系不甚明顯，除川芎嗪鹽/晶體主要涉及理化性質改善并相應提高產物相對于川芎嗪本身活性以外，其它各種類型的川芎嗪結構衍生物都同時涉及到心血管活性、抗腫瘤和神經保護等藥理作用。但具體到某一項活性中，衍生物結構與活性之間可呈現出一定的構效關系，結合上述主要活性進行舉例說明(以下涉及的專利號中，以“ZL”開頭為已授權專利，“CN”開頭為未授權專利)。

2.3.1 心腦血管疾病活性衍生物

具有心腦血管活性的川芎嗪衍生物多為拼合物，并且現有專利中已經將川芎嗪與利尿藥、抗血栓藥、降壓藥等多種類型的心腦血管病化學藥物相拼合，包括：與利尿藥阿米洛利藥效團胍基側鏈連接，同時胍基遠端 N原子上引入不同的烴基和芳香取代基，產物具有促進過氧化損傷 HUVECs的增殖活性，部分產物活性優于川芎嗪。與氯吡格雷、普拉格雷的拼合物：進入體內后代謝為川芎嗪和相應藥物有效代謝產物，能避開CYP2C19酶的代謝而直接以活性化合物形式發揮藥效，解決氯吡格雷抵抗問題。與阿齊沙坦的拼合物：產物能在體內迅速釋放出川芎嗪和阿齊沙坦，二者存在協同作用，體內降血壓作用強度明顯優于陽性藥物阿齊沙坦酯，降血壓作用持續時間與阿齊沙坦酯接近，對正常血壓心率無明顯影響，降壓同時具有肝腎保護作用。

除與化藥拼合的衍生物以外，川芎嗪與天然小分子酚酸類成分的多種拼合產物也被驗證具有心血管活性。肉桂酸具有確切的抗血小板聚集活性、抗氧化活性，且在體內能以相對較快的速度水解產生酚羥基，多篇專利申請如CN201010536030.6、ZL201210297075.1等公開了川芎嗪與肉桂酸的酚羥基通過醚鍵或酯鍵結合得到的衍生物，產物具有抗血小板聚集活性或HUVECs過氧化損傷保護作用，其中酯鍵連接的部分化合物的抗血小板聚集活性強于對照藥奧扎格雷，甚至接近對照藥氯吡格雷，同時不存在鈣通道阻滯劑的副作用。丹參素同時具有酚羥基和羧基，ZL201110086382.0、ZL201410275573.5分別公開了丹參素羧基與川芎嗪甲基成酯得到的多種衍生物，產物具有抑制細胞鈣離子內流、清除自由基等作用，并在心肌細胞保護、心肌缺血保護和減少心肌梗死面積等方面的作用上強于丹參素，有望用于治療心腦血管疾病。另外，丁苯酞來自于芹菜揮發油，為我國自主知識產權藥物，在治療腦梗塞方面具有顯著效果，川芎嗪與丁苯酞通過酯鍵或醚鍵相連可得到多個拼合物，通過酯鍵相連的化合物抗血小板凝集活性均強于母體川芎嗪和丁苯酞，通過醚鍵相連得到的化合物活性強于丁苯酞而稍弱于川芎嗪，且相對于脂溶性差的川芎嗪和水溶性差的丁苯酞，通過酯鍵連接的部分化合物溶解度得到顯著改善，半衰期顯著延長，生物利用度相應得到提高。

2.3.2 抗腫瘤活性

川芎嗪本身具有一定抗腫瘤活性，其多種衍生物也顯示出不同程度的抗腫瘤活性。其中川芎嗪與各種天然環萜類，特別是四環三萜/五環三萜類成分形成的衍生物申請量較多，且產物對多種腫瘤細胞呈現出作用效果，具有良好研究前景。CN201680053558.3公開了川芎嗪與去氧膽酸、膽酸、豬去氧膽酸、熊去氧膽酸、鵝去氧膽酸、石膽酸等多種四環三萜結合得到的衍生物，所得化合物針對乳腺癌、肝癌、結腸癌、宮頸癌細胞顯示抗增殖活性。ZL201110055101.5、ZL201410311738.X等專利中公開了川芎嗪與齊墩果酸、甘草次酸、熊果酸、白樺脂酸等多種五環三萜的拼合衍生物，產物具有抑多種制腫瘤細胞 (Bel-7402、HepG-2、HT-29、Hela、BGC-823)及肝星狀細胞 (HSC-6)增殖的活性，其中川芎嗪-齊墩果酸以酰胺鍵相連、且齊墩果酸上羥基進行修飾的衍生物，其活性優于陽性藥順鉑以及川芎嗪-齊墩果酸以酯鍵相連的衍生物。CN201711247242.0、CN201711247243.5、 CN201610059173.X等專利分別公開了不同的川芎嗪-氨基酸-五環三萜衍生物，在將川芎嗪與甘草次酸等五環三萜相拼合的基礎上，還在五環三萜上以氨基酸進行修飾，得到的化合物具有明顯抑制腫瘤細胞系(HepG-2、Hela、BGC-823、 A549)生長的活性。其中，化合物TNGA-X2抗宮頸癌活性優于原料藥 TNGA及陽性藥順鉑，其細胞毒活性明顯降低，具有良好的選擇性。

此外，川芎嗪也與多種其它天然成分或化學藥效團進行拼合得到具有抗腫瘤效果的產物：包括川芎嗪-去甲表鬼臼毒素拼合產物對KB口腔上皮癌細胞具有抑制效果。蓽茇酰胺-川芎嗪雜合物對腦膠質瘤、結腸癌、非小細胞肺癌、白血病等多種癌細胞具有抑制效果。紫杉醇-川芎嗪結合體可選擇性地靶向實體瘤細胞。CN201810959302.X公開了多種黃酮與川芎嗪拼合得到的衍生物具有抗肝癌作用。CN201910182420.9將川芎嗪兩側呈相對位置的兩個甲基分別與一葉萩堿相連，形成川芎嗪一葉萩堿二聚體，具有針對HL60、K5662、HOS-8603、SHG-44等癌細胞的抗腫瘤效果。CN201910860567.9將川芎嗪與NO供體偶氮鎓二醇鹽相連，形成的衍生物具有抗腫瘤活性，尤其對耐藥乳腺癌細胞具有更強的增殖抑制效果。

同時，也有部分側鏈修飾化合物呈現出抗腫瘤效果，如羥甲基川芎嗪具有抗黑色素瘤作用；川芎嗪酰腙類衍生物具有抗肺癌A549增殖抑制作用；川芎嗪的一個甲基改為酰胺，通過長度不同的碳鏈將兩個改造后川芎嗪的酰胺鍵連接起來得到的酰胺二聚體，對于Hela、HepG2、MCF-7、FaDu、A549、MCF 10A等多種腫瘤細胞具有抑制作用。

2.3.3 神經保護/腦損傷保護作用

川芎嗪側鏈修飾物如川芎嗪取代苯甲酸衍生物、苯甲酰胺衍生物、硝酮嗪衍生物、氘代硝酮嗪衍生物均具有神經保護作用，且能夠透過血腦屏障，有望用于治療創傷性腦損傷以及阿爾茨海默、帕金森等神經退行性疾病。其中，氘代硝酮嗪衍生物產物相對于硝酮嗪衍生物具有溶栓和神經元保護雙重作用，并且將C-H替換為C-D后，具有更加穩定的代謝，在維持血腦屏障透過功能的基礎上，能以更少劑量發揮治療效果。另外，川芎嗪與肉桂酸、香草酸等物質結合的拼合衍生物具有神經保護作用。

2.3.4 改善理化性質

該部分化合物很大部分為川芎嗪鹽類和晶體。川芎嗪含有堿性的吡嗪環，遇酸可形成較穩定的鹽，包括川芎嗪甲磺酸鹽、磷酸鹽結晶、富馬酸鹽等，上述鹽的特點在于穩定性都較川芎嗪有所提高，且均優于已有的川芎嗪鹽酸鹽和非晶體川芎嗪磷酸鹽。此外，也有專利申請致力于增加川芎嗪穩定性的同時改善川芎嗪特有的氣味，提高用藥時順應性，包括川芎嗪-安賽蜜鹽和川芎嗪-糖精鈉一水合物等。

可能是受川芎嗪與酚酸類單體成分組合使用的啟發，亦有多項專利均針對川芎嗪阿魏酸成鹽后的晶體展開研究，所得晶體保持了川芎嗪和阿魏酸抗血小板聚集、抗血栓的藥理活性，且生物利用度有所提高。另外，川芎嗪還可改善與之形成共晶的化合物的性質。CN201810230116.2公開了非布索坦川芎嗪共晶體，非布索坦與川芎嗪形成共晶后穩定性提高，不易生成水合物或者溶劑合物，生產過程中更加易于加工。CN201910378502.0公開了炔雌醇川芎嗪共晶體，川芎嗪的引入可解決炔雌醇溶解度差、不穩定問題，提高生物利用度。

3 討論

傳統中藥因為成分不明確、安全性等多方面原因，國際化之路道阻且長。多年以來，經過廣大中醫藥研究人員和國內醫藥企業潛心研究，多種中藥的物質基礎、藥理活性已經逐漸明確，但能被國際認可、在產業上獲得巨大成功和收益的中藥現代化藥物仍屬鳳毛麟角。

通過專利分析結果可以發現，川芎嗪作為中藥川芎的有效成分，在國內特別是在2002年以后得到了較為廣泛、深入且全面的研究和應用，具有良好的發展前景。并且，川芎嗪藥用專利的一大特點就是能夠以化學藥物的研發思路拓展得到各種活性衍生物，所獲得的數量繁多的衍生物及其具備的多種顯著活性不容小覷。與青蒿素、石杉堿甲等在國際上擁有廣泛知名度并已經被FDA批準使用的中藥單體化合物相比，川芎嗪的全球認知程度還較低，其研究和改進主要還集中于我國，這對國內科研機構和企業而言無疑是一個很好的機會：

首先，我們可以繼續從藥理靶點、代謝組學、吸收途徑等角度對川芎嗪單體的性質作更深入、充分的研究，既為后續研究提供堅實基礎，同時也便于進一步擴展第二藥用、制劑等外圍專利，擴展現有專利布局的廣度。

其次，我們可以繼續以中藥組方配伍為基礎，研究川芎嗪與其它中藥成分組合使用的效果，從而對傳統中藥配伍理論進行物質基礎驗證和符合現代醫藥化學理論的解釋，形成既以中醫藥理論為依據，也符合現代科研思路的特色研究方法，從而提供物質成分簡單清晰、藥理活性和不良反應明確的現代化專利藥品。從2020年新冠疫情我國應對策略中可以發現，中藥制劑具有已被證實的臨床療效、巨大的發展潛力和潛在市場，中醫理論是我們不可拋棄的研究思路和依據，前述的多種川芎嗪與其它單體成分的組合物、拼合產物的專利情況不失為一種有力的印證。

此外，我們也應當更加重視川芎嗪在化學修飾和拼合上的優勢，可將其視為一種具有確定活性的天然來源單體化合物，利用化藥常見的改造手段繼續擴大活性化合物數量，以求最終獲得具有理想療效的自主知識產權新藥。在一點上，部分國內新興藥企走在了前列，不僅國內范圍對新化合物予以充分專利保護，也已著手擴展海外專利布局，但與此同時，作為重要研究主體的大專院校盡管國內申請數量不低，卻似乎尚未意識到在全球范圍進行專利布局的重要性。而且，川芎嗪的衍生物研究即使在國內也偏于“小眾”，國內大中型藥企目前尚未進入該領域，新興藥企有可能憑借對川芎嗪衍生物的深入研究快速發現潛在前體藥物，在新藥研發上實現"彎道超車"。(第二作者對本文的貢獻等同于第一作者)