異斯特維醇及其衍生物抗腫瘤活性研究進展

劉從軍，劉盼萍，柯 明

(鄭州工程技術學院 化工食品學院，河南 鄭州 450044)

異斯特維醇(isosteviol)是由天然產物甜菊苷在酸性條件下水解得到的四環二萜類化合物，分子結構如圖1所示。早期研究發現，該化合物具有降血壓、降血糖等藥理功效。近年來，隨著對其研究的深入，大量的異斯特維醇衍生物被設計和合成，一些新的性能也被開發，如：抗腫瘤活性、小分子催化性能、超分子自組裝性能等[1]。尤其是部分衍生物展現出比其自身更好的抗腫瘤功效，促使研究者更進一步設計新型異斯特維醇衍生物，以期在抗腫瘤新藥開發領域有更深層次的突破。基于此，本文綜述異斯特維醇及其衍生物在抗腫瘤活性方面的最新研究進展，以期為此類化合物的抗腫瘤新藥開發研究提供參考。

圖1 異斯特維醇結構

1 異斯特維醇抗腫瘤活性

2006年，Wong[2]首先報道了異斯特維醇通過改變活性氧的生成來抑制血管緊縮素-II誘導的細胞增殖，從而推論出異斯特維醇具有抗腫瘤細胞增生的能力。

2015年，Al-Dhabi[3]利用不同濃度的異斯特維醇作用于Vero和MCF7 細胞，結果顯示：異斯特維醇對兩株腫瘤細胞的抑制呈現出時間和劑量的依賴性，對Vero和MCF7 細胞的IC50值分別為2.18 μg/mL和2.50 μg/mL。

2016年，王小俠[4]考察異斯特維醇對骨肉瘤細胞U-2OS生長的影響，結果顯示：異斯特維醇對骨肉瘤細胞U-2OS的抑制呈現出時間和劑量依賴性。進一步機制研究發現：異斯特維醇通過促進活性氧的產生，降低細胞膜電位，破壞細胞膜完整性，上調Bax的表達和下調Bcl-2的表達而促進U-2OS細胞的凋亡。

2 異斯特維醇衍生物抗腫瘤活性

異斯特維醇自身的抗腫瘤活性吸引了研究者對其衍生物的進一步開發，以期獲得抗腫瘤性能更好的新型衍生物。在研究異斯特維醇抗腫瘤活性過程中，研究者通過微生物轉化、電化學法、化學合成法等對異斯特維醇的D環，19位羧基進行重點結構修飾，獲得了大量的、結構新穎的異斯特維醇衍生物，并評價了部分新型衍生物的抗腫瘤活性，一些作用機制也被進一步探索。

2.1 D環修飾的異斯特維醇衍生物抗腫瘤活性

2009年，Wu[5]首先以異斯特維醇為原料，重點對其D環進行結構修飾，經酯化、還原、羥醛縮合、康尼查羅、1,3-偶極環加成等反應，合成出單羥基(1)、雙羥基(2)、四氫異噁唑環(3)和吡唑環(4)駢異斯特維醇衍生物(圖 2)，評價了它們對B16-F10黑色素瘤細胞的抑制活性，結果顯示這些化合物均表現出較好的細胞毒活性，尤其是化合物3和4對B16-F10黑色素瘤的抑制濃度IC50值分別達到15 μM/mL和19 μM/mL。并提出在異斯特維醇分子骨架上引入羥基或雜環能提高其抗腫瘤活性。

圖2 D環修飾的羥基、雜環駢異斯特維醇衍生物1-4

在上述工作的基礎上，2012年，Zhang等人[6]繼續在異斯特維醇D環上引入羥基，合成出新型雙羥基(5，6)、氨基醇(7，8)駢異斯特維醇衍生物(圖3)，評價了它們對EC9706，Eca109，PC-3和HCT-116四株腫瘤細胞的抑制活性，結果顯示：含有多羥基的異斯特維醇衍生物對四組癌細胞表現出中等的抗腫瘤效果，而含有氨基醇亞結構單元的衍生物8表現出突出的抑制活性(IC50=4.01，5.02，15.31和12.25 μM/mL)，并詳細分析了羥基、氨基醇駢異斯特維醇衍生物結構與活性間的構效關系。

圖3 D環修飾的羥基、氨基醇駢異斯特維醇衍生物5-8

基于D環修飾的氨基醇駢異斯特維醇衍生物具有較好的抗腫瘤功效，2016年，Liu[7]對異斯特維醇D環繼續結構修飾，合成了與化合物8結構類似的化合物9和10，同時，對氨基醇亞結構單元又進一步改造，將一系列硫脲結構引入到氨基上(圖4)，評價了它們對HCT-116，HGC-27和JEKO-1三組腫瘤細胞的抑制活性，結果顯示：含有硫脲結構片段的異斯特維醇衍生物表現出比前體化合物10更好的抗腫瘤效果，尤其是化合物11對HCT-116細胞的抑制活性IC50值達1.450 μM/mL。

圖4 D環修飾的氨基醇、硫脲駢異斯特維醇衍生物9-11

2013年，Zhu[8]重點將活性雜環亞結構單元引入到異斯特維醇的D環區域，首先通過異斯特維醇酯化、Tollens反應，氧化、開環、縮合、環合等反應，將吡唑啉、吡唑和異噁唑環引入到異斯特維醇D環上，隨后又將不同取代的苯環(12，13)、苯基硫脲(14)亞結構單元引入到雜環結構上(圖5)，合成出100多個新型衍生物，測試了衍生物對四株腫瘤細胞SGC7901，A549，Raji和Hela的抑制活性。結果發現這些化合物對Raji細胞具有顯著的抑制效果，尤其是2,4-二氯苯基吡唑取代的異斯特維醇衍生物對Raji細胞的IC50達到1.09 μM/mL。

圖5 D環修飾的吡唑啉、吡唑和異噁唑駢異斯特維醇衍生物12-14

2014-2016年，Khaybullin[9]和Liu[10]等人分別對異斯特維醇D環羰基和羥甲基進行結構修飾引入疊氮基；隨后，利用“Huisgen click”反應將1,2,3-三氮唑結構單元引入到異斯特維醇的D環區域，合成了20余個1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物，評價了16位羰基修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物對MDA-231，A-549，ASPC-1，PC-3，HCT-116和HeLa腫瘤細胞的抑制活性，其中化合物15(圖6)對HeLa細胞的抑制效果最好，IC50值達(29.62±1.52) μM/mL。15羥甲基修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物抑制HCT-116和JEKO-1細胞的作用結果顯示：化合物16(圖6)對HCT-116細胞的抑制效果最好，IC50值達(2.987±0.098)μM/mL。

圖6 D環修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生物15,16

D環區域引入α，β-環外不飽和酮、酯等亞結構單元也被證實能夠提高其抗腫瘤活性。自2011年以來，Li研究小組[11]相繼在異斯特維醇D環上引入α，β-環外不飽和酮、酯等結構單元合成出10多個α，β-環外不飽和酮、酯駢異斯特維醇衍生物(圖7)，其中抗腫瘤活性較好的化合物18對MDA-MB-231和MGC-803細胞的抑制濃度IC50值分別為1.58和2.22 μM/mL；化合物19在對PC-3，HCT-116，MDA-MB-231，K-562，HepG-2和MGC-803腫瘤細胞的活性評價中，選擇性地抑制MGC-803細胞的生長(IC50= 11.23 μM/mL)。

圖7 D環修飾的α，β-環外不飽和酮、酯駢異斯特維醇衍生物17-19

Liu[12]發現在異斯特維醇D環區域引入氮氧化物結構片段也能提高其抗腫瘤活性。該小組通過多步反應，合成出了系列新型D環修飾的氮氧化物駢異斯特維醇衍生物，評價了其對HepG-2，B16-F10，HCT-116，Huh-7和SW6-20細胞的抑制活性，結果顯示，化合物20和21(圖8)對B16-F10細胞生長具有較好的抑制作用。從進一步的構效關系研究中發現，化合物分子中的NO釋放量與化合物的抗腫瘤效果呈現正比關系，說明氮氧化物亞結構在其抗腫瘤過程中扮演著極其重要的作用。

圖8 D環修飾的氮氧化物駢異斯特維醇衍生物20,21

D環開環也能夠提高異斯特維醇的抗腫瘤活性。2013年，Das[13]從毛茛科草本植物白頭翁(Pulsatilla nigricans)中提取得到異斯特維醇D環開環產物22(圖9)，其抑制HeLa細胞的IC50值為 50.8 μg/mL。進一步機制研究結果顯示，化合物22促使HeLa細胞細胞核固縮和核小體間DNA斷裂，從而導致癌細胞的凋亡。

圖9 D環開環的異斯特維醇衍生物22-24

2016年，劉燕[14]以異斯特維醇為原料，經酯化、肟化、開環、氧化、選擇性還原、脫氫等反應，合成得到10余個異斯特維醇D環開環的衍生物，并評價其對HepG2，HCT116，Huh7，SW620四株腫瘤細胞的抑制活性，結果顯示：化合物23(圖9)對四株腫瘤細胞具有較好的抑制活性，IC50值均低于10 μM/L，化合物24(圖9)選擇性抑制HCT116細胞，其IC50值達3.57 μM/L。

2.2 19位羧基修飾的異斯特維醇衍生物抗腫瘤活性

異斯特維醇19位羧基處于A，B環組成的凹型區域，同時，20位甲基和D環的空間效應給19位羧基也帶了一定的影響，致使19位羧基表現出一些特殊的性能，如19位羧基反應活性相對較低，與醇形成酯后結構比較穩定性，在強酸、強堿下均不宜水解等。這些因素導致早期的異斯特維醇結構修飾主要發生在其D環區域。然而，隨著對異斯特維醇研究的深入，發現19位羧基的修飾在異斯特維醇生物活性中也扮演著非常重要的作用。

2013年，Ukiya[15]通過多步反應將19位羧基還原成羥基，與取代的羧酸反應合成了一系列19位羧基修飾的酯類化合物。對HL60，A549，AZ521和SK-BR-3腫瘤細胞研究結果顯示：化合物25(圖10)對四株腫瘤細胞抑制作用較為顯著，IC50分別為(6.6±2.1)，(5.7±1.6)，(4.2±0.6)，(25.2±0.5)μM/mL。2017年，Malki研究小組[16]利用相似的合成方法得到了系列酯類化合物，其中化合物26(圖10)對肝癌細胞的抑制活性最優，作用機制研究發現，該化合物導致癌細胞凋亡的主要階段發生在細胞分裂的G1期。2019年，郭永泰[17]保留19位處的羰基，將羧基酰氯化后與醇反應生成相應的酯，評價對Colo-16和A549的細胞毒活性，結果顯示，化合物27(圖10)對Colo-16細胞的活性最好，IC50為(53.03±0.0343)μM/L。

圖10 19位羧基修飾的異斯特維醇酯衍生物25-27

2019年，Strobykina[18]重點對異斯特維醇19位羧基進行結構修飾引入酯基，隨后進一步在酯基上引入磷/膦酸酯亞結構單元，通過調節磷原子與19位碳間的脂肪鏈長度，相繼合成了2個系列19位羧基修飾的磷/膦酸酯駢異斯特維醇酯衍生物(圖11)。抗腫瘤活性結果顯示：抗腫瘤效果較好的化合物28對M-HeLa，MCF-7和WI-38細胞的IC50分別為(14.2±1.1)，(37±3.1)和(37±3.2)μM/L；化合物29對M-Hela，MCF7和Chang liver細胞的IC50均為60 μM/L。

圖11 19位羧基修飾的磷/膦酸酯駢異斯特維醇酯衍生物28,29

此外，該小組[19]利用相同的方法，合成了2個系列19位羧基修飾的糖駢異斯特維醇酯衍生物(圖12)。抗腫瘤活性結果顯示：化合物30對MCF-7，Hep G2，Panc-1，PC-3，Wi-38和Chang liver細胞具有中等的抑制能力，而化合物30和31對M-Hela細胞效果較為顯著,IC50分別為(10.0±0.7)μM/L和(13.0±1.0)μM/L，均優于陽性對照他莫昔芬(28.0±2.5)μM/L。

圖12 19位羧基修飾的糖駢異斯特維醇酯衍生物30,31

通過對19位羧基修飾，引入雜環亞結構單元，有利于提高異斯特維醇的抗腫瘤活性。2017年，Liu[20]通過19位羧基酰氯化、親核取代、親核加成、環合反應合成出23個19位羧基修飾的噁二唑駢異斯特維醇衍生物，抗腫瘤活性結果顯示，化合物32(圖13)對HCT-116和JEKO-1活性較好，IC50分別為(5.00±0.6)μM/mL和(3.73±0.3) μM/mL。進一步定量構效關系研究發現，噁二唑環對抑制HCT-116細胞活性具有積極的正貢獻。

圖13 19位羧基修飾的雜環駢異斯特維醇酯衍生物32-34

2016～2018年，Liu[10]和Luan等人[21]分別對異斯特維醇19位羧基修飾，將炔基引入到19位羧基上，然后通過“Huisgen click”反應分別合成出系列19位羧基修飾的1,2,3-三氮唑駢異斯特維醇衍生。腫瘤活性結果顯示：化合物33(圖13)對HCT-116細胞活性最佳，IC50=(19.310±0.818)μM/mL，而化合物34(圖13)對HCT-116，BEL-7402和HepG2細胞均具有較好的抑制活性。

3 結論與展望

綜上所述，異斯特維醇具有抗腫瘤作用，尤其是利用化學合成方法，對異斯特維醇D環和19位羧基進行結構修飾，引入羥基、氨基醇、硫脲、α，β-環外不飽和酮、磷/膦酸酯、糖基以及雜環等活性結構單元，得到的新型異斯特維醇衍生物表現出更為顯著的抗腫瘤功效。此外，盡管目前合成了大量的衍生物，并進行了抗腫瘤活性試驗，但結構修飾主要集中在異斯特維醇的D環和19位羧基處，A，B和C環區域改造涉及相對較少；抗腫瘤活性研究主要是體外細胞毒活性評價，相應化合物的臨床試驗研究依然缺乏。因此，在豐富異斯特維醇衍生物結構類型的基礎上，后期重點開展構效關系、抗腫瘤作用機制以及臨床試驗研究，從而開發出高效低毒的異斯特維醇抗腫瘤新藥。