仲 華,張卓爾,金永生

(第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院有機(jī)化學(xué)教研室，上海 200433)

姜黃素是廣泛存在于姜科和天南星科植物根莖中具有二酮結(jié)構(gòu)的色素，毒性很低，是東南亞地區(qū)居民常食用的調(diào)味劑咖喱中的一種主要色素成分，同時(shí)也是食品加工常用的著色劑。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，常食用咖喱的地區(qū)人群結(jié)腸癌的發(fā)病率很低，引起了人們對姜黃素的研究興趣。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素具有抗腫瘤、抗炎和抗氧化活性[1-3]，其治療糖尿病以及抗微生物的作用也有文獻(xiàn)報(bào)道[4，5]。姜黃素廣泛的藥理活性及保健作用預(yù)示著良好的市場前景，但其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且溶解度低，導(dǎo)致吸收困難、生物利用度低，限制了姜黃素的臨床應(yīng)用。長期以來，人們主要通過兩種途徑對姜黃素的溶解性和穩(wěn)定性進(jìn)行改造，一種是通過藥劑學(xué)方法提高其生物利用度，改善藥動(dòng)學(xué)特性；另一種是通過化學(xué)方法對姜黃素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，不僅從根本上改變了其藥動(dòng)學(xué)特性，并且能夠改變其生物活性，得到一系列具有開發(fā)價(jià)值的新型先導(dǎo)化合物。有關(guān)化學(xué)合成方面，近年來針對解決姜黃素吸收、利用問題開展了大量的研究工作，大致可分為兩類：第一類為研究并合成姜黃素的類似物，通過改變姜黃素化學(xué)結(jié)構(gòu)以改善其穩(wěn)定性、溶解度、選擇性以及部分生物活性，從而達(dá)到提高生物利用度和改善藥理活性的目的；另一類則保留了姜黃素原有結(jié)構(gòu)，將其與金屬離子或生物小分子等其他物質(zhì)結(jié)合，從而使衍生物具有所結(jié)合物質(zhì)的某些性質(zhì)，從而達(dá)到改善溶解度、穩(wěn)定性以及提高藥效等目的。本文主要對上述兩類姜黃素結(jié)構(gòu)改造的方法進(jìn)行總結(jié)概述。

1 合成姜黃素類似物

以姜黃素為先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)改造、新藥篩選等方面的研究工作開展得已經(jīng)十分全面，研究內(nèi)容包括姜黃素分子中苯環(huán)上的取代基、中間連接鏈長短、β-二酮中羰基的等電子體取代、雜環(huán)取代物、分子不對稱性以及中間亞甲基的親電取代等(見圖1)。其中以對β-二酮的結(jié)構(gòu)改造最為多見，這類研究大多基于構(gòu)效關(guān)系分析，對姜黃素結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方位的改造和修飾，以尋求藥效更好的姜黃素類似物。除此之外，尚有少量研究將姜黃素改造成酸或酯，以改善其溶解度和穩(wěn)定性。

圖1 姜黃素的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其可修飾的部位

1.1 對β-二酮結(jié)構(gòu)的改造 姜黃素的雙羰基結(jié)構(gòu)容易發(fā)生互變異構(gòu)而轉(zhuǎn)變成烯醇式結(jié)構(gòu)，這是導(dǎo)致姜黃素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及生物利用度低的主要原因。因此，大部分關(guān)于姜黃素碳鏈上的結(jié)構(gòu)改造是以雙羰基的結(jié)構(gòu)改造為基礎(chǔ)，常見的改造方法是將雙羰基結(jié)構(gòu)改造成單羰基，從而破壞其共軛體系，增加穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上對碳鏈做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改造。近年來，有關(guān)此種結(jié)構(gòu)改造有大量的研究和文獻(xiàn)報(bào)道[6-8]。

目前比較熱門的改造思路是把姜黃素的雙羰基結(jié)構(gòu)改造成五元氮雜環(huán)，以達(dá)到改善其水溶性的目的[9]。在此基礎(chǔ)上改變苯環(huán)上的取代基，或者在雜環(huán)或碳鏈上添加取代基，最終得到一系列結(jié)構(gòu)新穎的姜黃素類似物。Caldarelli等[10]根據(jù)該思路進(jìn)行了最基礎(chǔ)的合成，得到了帶有吡唑環(huán)的姜黃素類似物(見圖2A)。他們僅通過改變兩側(cè)苯環(huán)上羥基和甲氧基的位置，獲得了一系列結(jié)構(gòu)非對稱的姜黃素類似物，并測定其體外活性，發(fā)現(xiàn)苯環(huán)取代基排布與姜黃素一致的類似物活性最高，有望成為先導(dǎo)化合物。幾乎在同一時(shí)間，Chakraborti等[11]不僅合成了帶有吡唑環(huán)的姜黃素類似物，還合成了帶有異唑環(huán)的化合物(見圖2B)。由于結(jié)構(gòu)相似，這兩類化合物在生物活性方面表現(xiàn)極為一致。在非還原條件下，它們能夠穩(wěn)定存在于人體pH環(huán)境中，分子建模表明，它們的作用機(jī)制與姜黃素相同，即與微管蛋白的同一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，但表現(xiàn)出比姜黃素更強(qiáng)的自由基清除活性。在此基礎(chǔ)上，吳孟強(qiáng)等[9]進(jìn)一步在吡唑環(huán)上引入溴原子和烯丙基，創(chuàng)新性地利用丁二酰亞胺與吡唑環(huán)，以親電取代的方式取代了吡唑環(huán)上的氫原子，合成了新的姜黃素衍生物(見圖2C)，反應(yīng)較快，產(chǎn)率達(dá)82.1%，但該化合物的活性未見報(bào)道。

對雙羰基結(jié)構(gòu)的改造，除了改造成五元氮雜環(huán)，比較自然的聯(lián)想是還可以改造成六元氮雜環(huán)。事實(shí)上有關(guān)六元雜環(huán)的改造比五元雜環(huán)的改造開始得更早，研究得也比較全面，但近年來有關(guān)六元雜環(huán)的改造報(bào)道很少。Kálai等[12]將雙羰基結(jié)構(gòu)改造成哌啶酮結(jié)構(gòu)，在氮原子和兩側(cè)的苯環(huán)上連接取代基，得到了一系列姜黃素類似物(見圖2D)，并測試了這些化合物的抗腫瘤活性。結(jié)果表明，合成的這些化合物能夠顯著降低人腫瘤細(xì)胞株A2780、MCF-7和H9c2的活性，且絕大部分化合物毒性很低。Park等[13]對雙羰基進(jìn)行了更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)改造，通過曼尼希(Mannich)縮聚反應(yīng)將姜黃素改造成氮雜雙環(huán)結(jié)構(gòu)，即7-甲基-2,4 -二芳基-3-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-9-酮系列的3類結(jié)構(gòu)類似的化合物，以硅膠負(fù)荷多聚磷酸(PPA·SiO2)為非均相質(zhì)子酸催化劑，得到單一異構(gòu)體。此類姜黃素類似物中有部分化合物具有藥理活性，其中以7-甲基-2,4-雙(3-甲氧基-4-羥苯基)-3-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-9-酮(見圖2E)的抗氧化活性最為理想。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明其對小鼠腹腔RAW264.7巨噬細(xì)胞系的活性氧(reactive oxygen species,ROS)有較好的抑制作用，且在100 μmol/L時(shí)無毒性。

另外,對β-二酮結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造還有許多其他思路。如Sundarananthavalli等[14]在乙醇存在的條件下，將姜黃素與2-氨基苯硫酚加熱至70 ℃進(jìn)行反應(yīng)，得到1,7-雙(4-羥基-3-甲氧苯基)-1,3,6-庚三烯-3-羥基-5-亞甲基-2-苯硫酚(見圖2F)。研究表明，與噴他佐辛、雙氯芬酸鈉和雷尼替丁比較，該化合物具有良好的鎮(zhèn)痛、抗炎、抗?jié)円约皞谟献饔茫瑫r(shí)對細(xì)菌生長有一定抑制作用。

圖2 部分姜黃素衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.2 保留β-二酮結(jié)構(gòu)的改造 姜黃素分子具有獨(dú)特的啞鈴型結(jié)構(gòu)，兩個(gè)苯環(huán)位于分子兩端，與中間的β-二酮結(jié)構(gòu)形成大的共軛體系。其中雙鍵位置具有較大的可變性，從而使得姜黃素分子構(gòu)型有很大的變化空間，使其易與不同的蛋白質(zhì)位點(diǎn)結(jié)合。苯環(huán)結(jié)構(gòu)對姜黃素的活性有重要作用，對苯環(huán)結(jié)構(gòu)的改造大部分只限于苯環(huán)上的取代基，而苯環(huán)結(jié)構(gòu)則通常被保留下來[15]。Kim等[16]設(shè)計(jì)合成了6種含有不同苯環(huán)取代基的姜黃素類似物，并對苯環(huán)取代基與抗菌活性之間的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素類似物的抗菌活性顯著依賴于芳香族羥基基團(tuán)，骨架上含有一個(gè)額外的芳香族羥基基團(tuán)的羥基化姜黃素對6種病原菌均表現(xiàn)出抑制作用，甚至對耐氨芐西林的陰溝腸桿菌同樣有效。

Khan等[17]設(shè)計(jì)合成了一系列用芳環(huán)或雜環(huán)芳香基團(tuán)代替苯環(huán)的姜黃素類化合物，并用雌性Wistar大鼠進(jìn)行體內(nèi)抗炎實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，用雙-二甲氧基丁烯酸內(nèi)酯-(抗壞血酸)、雙-萘基以及雙-呋喃基取代姜黃素的雙-甲氧苯基得到的化合物均具有良好的抗關(guān)節(jié)炎效果，且對胃及全身毒性較小。其中含有呋喃環(huán)的姜黃素類似物(RK106)還具有體外阻斷單核細(xì)胞系THP-1中TNF-α和IL-1β表達(dá)的作用。

另外，有文獻(xiàn)報(bào)道，將以上兩種結(jié)構(gòu)改造方法交叉利用，也能達(dá)到很好的效果。例如，在將姜黃素的雙羰基結(jié)構(gòu)改造成單羰基的基礎(chǔ)上，再對苯環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改造。Woo等[18]利用醛醇縮合反應(yīng)將(E)-4-(4-羥基-3-甲氧苯基)丁-3-烯-2-酮(見圖2G)或(E)-4-(3-羥基-4-甲氧苯基)丁-3-烯-2-酮(見圖2H)與苯并咪唑基-2-甲醛類物質(zhì)進(jìn)行縮合，對合成的姜黃素類似物(見圖2I)進(jìn)行細(xì)胞毒理活性測試表明，化合物14c對SH-SY5Y和Hep-G2腫瘤細(xì)胞有較強(qiáng)的抑制作用，而化合物15h則對MCF-7腫瘤細(xì)胞有較強(qiáng)的抑制作用。

1.3 改造成酸或酯 將目標(biāo)化合物加工成羧酸或者酯，能夠增大化合物的極性，增加其在水溶液中的溶解度及穩(wěn)定性，這是一種經(jīng)典的改善化合物理化性質(zhì)的方法，但近兩年有關(guān)姜黃素結(jié)構(gòu)改造的研究報(bào)道中罕見此類文獻(xiàn)。Ferrari等[19]將姜黃素苯環(huán)及碳鏈上引入簡單的乙?；?，得到的產(chǎn)物對人卵巢癌細(xì)胞和結(jié)腸癌細(xì)胞有一定的毒性作用。研究人員根據(jù)酸度、親脂性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和自由基清除活性等理化性質(zhì)，對此類化合物的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大部分酯類衍生物的IC50值都低于姜黃素，并且對結(jié)腸癌細(xì)胞有選擇性抑制作用。研究還發(fā)現(xiàn)，將腫瘤細(xì)胞株暴露于此類化合物24 h后，細(xì)胞生長能力得到進(jìn)一步抑制。酯類衍生物具有上述優(yōu)良性質(zhì)的原因，可能是由于其良好的親油性促進(jìn)了細(xì)胞對姜黃素的吸收。

2 與其他物質(zhì)結(jié)合

2.1 形成配合物 將姜黃素改造成配合物的文獻(xiàn)報(bào)道并不多見，Ali等[20]利用對羥基苯甲醛與4-羥基-3,5-二甲氧基苯甲醛進(jìn)行克內(nèi)文納格爾(Knoevenagel)縮合反應(yīng)，得到的產(chǎn)物再與氨基脲作用，生成含有姜黃素結(jié)構(gòu)的配體。將這些配體與三價(jià)釕離子絡(luò)合形成八面體復(fù)合物。此類復(fù)合物對宮頸癌細(xì)胞株(海拉細(xì)胞)表現(xiàn)出良好的抑制活性，對肝癌、乳腺癌和人結(jié)腸腺癌細(xì)胞株也有一定抗性。溶血實(shí)驗(yàn)表明，該類復(fù)合物的毒性低于抗癌藥物來曲唑，有望成為治療宮頸癌的新選擇。另外，Jegathalaprathaban等[21]利用Cu(Ⅱ)(化合物1)、Co(Ⅱ)(化合物2)、Ni(Ⅱ)(化合物3)、Mn(Ⅱ)(化合物4)等作為中心離子構(gòu)建配位化合物。結(jié)果表明，化合物1與化合物2～4相比，具有更高程度的與DNA的交互作用，推測其原因可能是由于化合物1配體上存在芳香環(huán)?；衔?表現(xiàn)出顯著的對環(huán)狀質(zhì)粒pUC18的氧化切割效應(yīng)。光譜和電化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)還證明，以Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)為中心離子的配合物呈平面方形，而以Mn(Ⅱ)為中心離子的配合體呈八面體形，前者的相互作用效果較好。

2.2 與其他活性物質(zhì)結(jié)合 該方法的基本思路是，將其他具有抗腫瘤、抗氧化等藥理活性的成分與姜黃素或其類似物進(jìn)行結(jié)合，使所得到的新化合物能夠同時(shí)具備兩種化合物的特定活性，實(shí)現(xiàn)性質(zhì)互補(bǔ)，以期達(dá)到加強(qiáng)作用效果和改善生物利用度的目的。白藜蘆醇是具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎等藥理活性的天然植物成分，Ruan等[22]將其衍生物與姜黃素結(jié)合，并測試所得產(chǎn)物的抗腫瘤細(xì)胞系增殖活性。在得到的所有化合物中，化合物C5(見圖2J)對小鼠黑素瘤細(xì)胞的體外抗增殖活性最強(qiáng)，IC50值為0.71 μg/ml。此類化合物具有良好的抑制微管蛋白作用，從而抑制了腫瘤細(xì)胞的有絲分裂，發(fā)揮抗腫瘤作用。

3 總結(jié)和展望

姜黃素對許多常見疾病有一定的療效，具有很高的藥用價(jià)值，受到廣泛關(guān)注。研究者通過對姜黃素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造提高其穩(wěn)定性、溶解性、選擇性以及對致病因子的抗性。如前所述，對姜黃素的結(jié)構(gòu)改造方法大致有兩種。第一種方法能有效提高姜黃素的穩(wěn)定性及選擇性，所得衍生物對特定腫瘤細(xì)胞的抑制作用明顯增強(qiáng)，且毒性較低。第二種方法能大大提高細(xì)胞對姜黃素的吸收，提高其生物利用度，同時(shí)具有緩釋特性，為姜黃素的臨床藥用研究提供了依據(jù)。姜黃素是一種極具研究價(jià)值的抗腫瘤、抗氧化活性成分，但要使其真正進(jìn)入臨床為醫(yī)療事業(yè)服務(wù)，還需要深入探索。最近，有研究報(bào)道了另一種與姜黃素同樣具有PKCδ阻斷劑作用的物質(zhì)——楸毒素(rottlerin)。它也是一種天然植物中的多酚類物質(zhì)，表現(xiàn)出抗炎、抗氧化活性，與姜黃素有相似的作用，同時(shí)又有其獨(dú)特的性質(zhì)。通過更加深入的研究，楸毒素與姜黃素一樣有望成為治療多種人類疾病的有力武器[23]。研究者不僅要關(guān)注對姜黃素的結(jié)構(gòu)改造，更應(yīng)該著眼于與姜黃素有類似活性的其他植物成分，拓寬研究思路，從中獲得啟發(fā)，為抗炎、抗氧化、抗腫瘤治療開發(fā)出更加有效的藥物。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Han Jing,Pan XueYang,Xu Yan,etal.Curcumin induces autophagy to protect vascular endothelial cell survival from oxidative stress damage[J].Autophagy,2012,8(5):812-825.

[2]Venkata M,Sripathy R,Anjana D,etal.In silico,invitroandinvivoassessment of safety and anti-inflammatory activity of curcumin[J].Am J Infect Dis,2012,8(1):26-33.

[3]Saha S,Adhikary A,Bhattacharyya P,etal.Death by design:where curcumin sensitizes drug-resistant tumours[J].Anticancer Res,2012,32(7):2567-2584.

[4]Soetikno V,Sari F R,Sukumaran V,etal.Curcumin decreases renal triglyceride accumulation through AMPK-SREBP signaling pathway in streptozotocin-induced type 1 diabetic rats[J].J Nutr Biochem,2013,24(5):796-802.

[5]Bhawana,Basniwal R K,Buttar H S,etal.Curcumin nanoparticles:preparation,characterization,and antimicrobial study[J].J Agric Food Chem,2011,59(5):2056-2061.

[6]Lin Han,Hu GuoXin,Guo JingJing,etal.Mono-carbonyl curcumin analogues as 11β-hydroxysteroid dehydrogenase 1 inhibitors[J].Bioorg Med Chem Lett,2013,23(15):4362-4366.

[7]Wei XingChuan,Du ZhiYun,Zheng Xi,etal.Synthesis and evaluation of curcumin-related compounds for anticancer activity[J].Eur J Med Chem,2012,53:235-245.

[8]Shang YaJing,Jin XiaoLing,Shang XianLing,etal.Antioxidant capacity of curcumin-directed analogues:structure-activity relationship and influence of microenvironment[J].Food Chem,2010,119(4):1435-1442.

[9]吳孟強(qiáng),邵 宇,邵志宇.姜黃素衍生物的合成研究[J].廣州化工,2013,41(6):67-69.

Wu MengQiang,Shao Yu,Shao ZhiYu.The synthesis of curcumin derivatives[J].Guangzhou Chem Ind,2013,41(6):67-69.In Chinese with English abstract.

[10]Caldarelli A,Penucchini E,Caprioglio D,etal.Synthesis and tubulin-binding properties of non-symmetrical click C5-curcuminoids[J].Bioorg Med Chem,2013,21(17):5510-5517.

[11]Chakraborti S,Dhar G,Dwivedi V,etal.Stable and potent analogues derived from the modification of the dicarbonyl moiety of curcumin[J].Biochemistry,2013,52(42):7449-7460.

[12]Kálai T,Kuppusamy M L,Balog M,etal.Synthesis of N-substituted 3,5-bis(arylidene)-4-piperidones with high antitumor and antioxidant activity[J].J Med Chem,2011,54(15):5414-5421.

[13]Park D H,Venkatesan J,Kim S K,etal.Design,synthesis,stereochemistry and antioxidant properties of various 7-alkylated 2,4-diaryl-3-azabicyclo[3.3.1]nonan-9-ones[J].Bioorg Med Chem Lett,2012,22(18):6004-6009.

[14]Sundarananthavalli S,Kulandaisamy A,Kotteeswaran P,etal.Synthesis,characterisation and biological evaluation of 1,7-bis-(4-hydroxy-3-methoxy phenyl)-1,3,6-heptatriene-3-hydroxy,5-imino-2-thiophenol[J].Int J PharmTech Res,2012,4(3):1254-1260.

[15]仇 旭.新型姜黃素類似物設(shè)計(jì)合成及抗腫瘤活性研究[D].廣州:中山大學(xué),2010.

Qiu Xu.Design,synthesis and anti-cancer activities of new curcumin analogues[D].Guangzhou:Zhongshan University,2010.In Chinese with English abstract.

[16]Kim M K,Park J C,Chong Y.Aromatic hydroxyl group plays a critical role in antibacterial activity of the curcumin analogues[J].Nat Prod Commun,2012,7(1):57-58.

[17]Khan M A,El-Khatib R,Rainsford K D,etal.Synthesis and anti-inflammatory properties of some aromatic and heterocyclic aromatic curcuminoids[J].Bioorg Chem,2012,40(1):30-38.

[18]Woo H B,Eom Y W,Park K S,etal.Synthesis of substituted benzimidazolyl curcumin mimics and their anticancer activity[J].Bioorg Med Chem Lett,2012,22(2):933-936.

[19]Ferrari E,Pignedoli F,Imbriano C,etal.Newly synthesized curcumin derivatives:crosstalk between chemico-physical properties and biological activity[J].J Med Chem,2011,54(23):8066-8077.

[20]Ali I,Saleem K,Wesselinova D,etal.Synthesis,DNA binding,hemolytic,and anti-cancer assays of curcumin Ⅰ-based ligands and their ruthenium(Ⅲ) complexes[J].Med Chem Res,2013,22(3):1386-1398.

[21]Jegathalaprathaban R,Ammavasi G,Gurusamy R,etal.Synthesis,spectra and DNA interactions of certain mononuclear transition metal(Ⅱ) complexes of macrocyclic tetraaza diacetyl curcumin ligand[J].J Mol Struct,2012,1010:169-178.

[22]Ruan BanFeng,Lu Xiang,Li TingTing,etal.Synthesis,biological evaluation and molecular docking studies of resveratrol derivatives possessing curcumin moiety as potent antitubulin agents[J].Bioorg Med Chem,2012,20(2):1113-1121.

[23]Maioli E,Torricelli C,Valacchi G.Rottlerin and curcumin:a comparative analysis[J].Ann N Y Acad Sci,2012,1259:65-76.