董雅瓊，張悅 ，楊曉達(dá) *

（1.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院化學(xué)生物學(xué)系暨天然藥物和仿生藥物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191;2.北京大學(xué)國(guó)家中醫(yī)藥管理局中藥配伍減毒重點(diǎn)研究室，北京 100191）

釩是重要的生命必需元素之一，在元素周期表中處于ⅤB族，屬于過(guò)渡金屬。釩的價(jià)層電子結(jié)構(gòu)為3d34s2，具有+3、+4和+5多種化合價(jià)態(tài)，其中一些典型釩化合物結(jié)構(gòu)如圖1所示。在一些海洋生物中，釩可作為鹵素氧化酶的活性中心，并以+3價(jià)的離子（V3+）存儲(chǔ)于細(xì)胞中[1]。而在高等動(dòng)物體內(nèi)，釩通常以結(jié)合ATP的形式存在，但生理意義尚不明確。在細(xì)胞和生理介質(zhì)中，釩主要以+4價(jià)的VO2+氧釩離子（vanadyl）配合物以及+5價(jià)的釩酸根（vanadate）或多聚釩酸根的形式存在。

根據(jù)離子的相似性作用原理[2]，釩化合物具有廣泛和多樣的生物活性，可干預(yù)體內(nèi)鈣、鐵和磷酸鹽代謝過(guò)程和細(xì)胞氧化還原調(diào)節(jié)。因此，釩化合物具有多種藥理活性，如降糖[3]、減肥[4]、心臟保護(hù)[5]、神經(jīng)保護(hù)[6]和促傷口/骨愈合[7]等。目前對(duì)釩化合物類(lèi)藥物的研究主要集中于其抗糖尿病和抗腫瘤活性，特別是前者，得到了廣泛的關(guān)注[8-9]。

1 釩化合物的抗糖尿病作用和分子機(jī)制

早在1899年，釩酸鹽飲水就被用來(lái)治療糖尿病患者[10]。20世紀(jì)80年代，釩化合物的類(lèi)胰島素樣作用得到確認(rèn)，因此成為抗糖尿病候選化合物而受到研究者廣泛關(guān)注[11-12]。20世紀(jì)90年代，研究人員將聯(lián)麥氧釩[bis(maltolato)oxovanadium，BMOV][13]及其乙基衍生物——乙基麥芽酚氧釩[bis(ethylmaltolato)oxovanadium，BEOV，研發(fā)代號(hào)：AKP-020]作為新型胰島素增強(qiáng)劑（結(jié)構(gòu)式如圖1），開(kāi)展了其臨床治療2型糖尿病的工作[3,14]。遺憾的是，AKP-020最終因商業(yè)和潛在安全性因素于2009年終止于Ⅱ期臨床研究。

不過(guò)，在過(guò)去20年中，釩制劑作為食物補(bǔ)充劑以及2型糖尿病和并發(fā)癥的替代藥物而得到廣泛應(yīng)用[15]。多項(xiàng)體內(nèi)外研究不斷證實(shí)了釩化合物的降血糖作用[3]。釩化合物降糖制劑的優(yōu)點(diǎn)包括：可口服、對(duì)1型和2型糖尿病均有效、降糖作用持久，且對(duì)防治糖尿病代謝綜合征有益。實(shí)際上，釩化合物在降糖的同時(shí)，也發(fā)揮了胰島β細(xì)胞保護(hù)[16-17]、心臟保護(hù)[5]、抗抑郁和神經(jīng)保護(hù)[6]、改善脂代謝[18]、改善細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)[19]和改善傷口愈合[7]等綜合抗糖尿病療效。

圖1 典型抗糖尿病釩化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Figure1 Structures of typical anti-diabetic vanadium compounds

在BEOV 的臨床試驗(yàn)期間，其配合物的藥動(dòng)學(xué)（pharmacokinetics，PK）特性獲得了很好的闡明[14]。總結(jié)目前的研究發(fā)現(xiàn)，釩化合物吸收后，根據(jù)其配合物的穩(wěn)定性，會(huì)與生物介質(zhì)發(fā)生配體交換。在細(xì)胞中，主要以大量的+4價(jià)離子及其配合物（90%～95%）及少量的+5價(jià)配合物（5%～10%）的形式存在[20-21]。氧釩配合物通常形成一水合配合物，幾何結(jié)構(gòu)在方錐體和八面體結(jié)構(gòu)之間達(dá)到平衡[22-24]。在血清中，釩配合物及其水合形式可結(jié)合多種血清蛋白，如轉(zhuǎn)鐵蛋白、白蛋白和免疫球蛋白[25-26]，主要以釩-配體-人血清白蛋白（VIVOL-HSA）三元配合物的形式存在[25]。白蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白均能促進(jìn)體內(nèi)釩的轉(zhuǎn)運(yùn)，但白蛋白可能是更重要的藥物載體[27]。釩配合物一般具有中等至良好的生物膜滲透性[表觀滲透系數(shù)（Papp）＞ 10-6cm · s-1][28-29]。BMOV 的絕對(duì)口服生物利用度為21%～35%[24,30-31]，與生物膜滲透性最好的雙乙酰丙酮氧釩[bis(acetylacetonato)oxovanadium，VO(acac)2]（結(jié)構(gòu)式如圖1）的生物利用度相當(dāng)，這可能與釩配合物的藥動(dòng)學(xué)曲線上似乎存在的一個(gè)表觀“存儲(chǔ)池”有關(guān)。

釩化合物的有效降糖劑量介于0.05～0.6mmol ·kg-1· d-1，但當(dāng)劑量超過(guò)0.2mmol · kg-1· d-1時(shí)，大多數(shù)釩化合物會(huì)導(dǎo)致食欲抑制，Malabu 等[32]發(fā)現(xiàn)，該作用抑制于下丘腦食欲中樞，而非胰島素樣作用，可能是釩化合物發(fā)揮減肥作用的原因。研究表明：釩化合物可在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)多種糖尿病致病基因[33]的表達(dá)，包括糖代謝、脂代謝、氧化應(yīng)激、肌肉結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)分解和生物合成等代謝功能基因組。釩化合物的作用主要表現(xiàn)為胰島素增強(qiáng)和組織/細(xì)胞保護(hù)，其作用的主要分子途徑包括促胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、降低胰島素抵抗、改善糖脂代謝（機(jī)制總結(jié)如圖2所示）、胰島素β細(xì)胞保護(hù)和神經(jīng)保護(hù)作用。

圖2 釩化合物的胰島素增強(qiáng)作用的機(jī)制Figure2 Insulin enhancement mechanism of vanadium compounds

1.1 促胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

胰島素由胰腺β 細(xì)胞分泌（見(jiàn)圖2），到達(dá)目標(biāo)組織后，胰島素首先與胰島素受體（insulin receptor，IR）結(jié)合，IR 是跨膜糖蛋白受體的α 亞單位，形成受體-配體復(fù)合物。然后激活β亞單位上的酪氨酸激酶并觸發(fā)對(duì)接蛋白的激活，即胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）[34]。隨后，IRS激活磷脂酰肌醇3激酶（PI3K），從而導(dǎo)致蛋白激酶B（AKT/PKB）的激活，進(jìn)而激活葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（GLUT4）。此外，PI3K-AKT/PKB信號(hào)可能刺激重要的代謝功能，如脂類(lèi)、蛋白質(zhì)和糖原的合成?？偟膩?lái)說(shuō)，胰島素信號(hào)促進(jìn)細(xì)胞中葡萄糖的利用。

釩化合物可能與胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的幾個(gè)靶點(diǎn)相互作用，其中一個(gè)公認(rèn)的靶點(diǎn)是蛋白酪氨酸磷酸酶1B（PTP1B），它是一種通過(guò)脫磷酸化作用對(duì)IR 和IRS的活性進(jìn)行負(fù)調(diào)節(jié)的因子。研究表明：與野生型小鼠相比，持續(xù)高脂飲食的PTP1B基因敲除小鼠對(duì)肥胖的抵抗力和胰島素敏感性增加[35]，因此PTP1B被認(rèn)為是治療2型糖尿病的一個(gè)有希望的潛在治療靶點(diǎn)。

釩酸鹽是多種磷酸酶的非特異競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)抑制劑[36-37]。釩化合物抑制PTP1B的機(jī)制是與酶活性中心結(jié)合。其結(jié)合模式是釩酸根呈三角雙錐構(gòu)型，赤道氧原子與PTP1B的p環(huán)結(jié)合，頂部位置分別與半胱氨酸殘基Cys215的硫原子和底物肽的酪氨酸氧相結(jié)合；研究發(fā)現(xiàn)，基本上釩化合物-磷酸酶復(fù)合物中，只有釩酸鹽保留在特征結(jié)構(gòu)中[37]。這表明，當(dāng)釩配合物與磷酸酶作用時(shí)，無(wú)論其原始結(jié)構(gòu)如何，配體的主要作用是將釩酸根傳遞到酶[36]。即使+4價(jià)釩配合物BMOV 等，在與PTP1B相互作用時(shí)，其與酶活性中心結(jié)合的氧釩離子實(shí)際上都發(fā)生了形態(tài)變化，轉(zhuǎn)化為釩酸根。此外，大多數(shù)釩配合物具有與釩酸鹽類(lèi)似的抑制活性，其抑制常數(shù)（Ki）范圍差別在1000 倍以內(nèi)[36]。不過(guò)，釩配合物似乎在蛋白酪氨酸磷酸酶的同工酶[T 細(xì)胞蛋白酪氨酸磷酸酶（T-cell protein tyrosine phosphatase，TCPTP），巨核細(xì)胞蛋白酪氨酸磷酸酶2（megakaryocyte protein tyrosine phosphatase2，PTPMEG2），含C-Src 同源序列的酪氨酸磷酸酶SHP-1、SHP-2]中，對(duì)PTP1B的特異性略高[38]。只是由于總體親和力水平還是不夠高（lgKi為5～7），當(dāng)釩化合物濃度在20μmol · L-1或以上時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)活性氧（ROS）水平升高[39-44]，導(dǎo)致活性中心的Cys氧化失活，從而使其作用復(fù)雜化。為此，Crans[37]觀察到底物肽DADEYL 存在下，釩酸鹽抑制劑的親和力遠(yuǎn)高于所有其他釩化合物，據(jù)此提出通過(guò)利用有機(jī)配體和磷酸酶之間的額外相互作用，可以顯著提高釩配合物的抑制效力和作用特異性。這一策略有望成為釩配合物磷酸酶抑制劑設(shè)計(jì)的通用策略。

PTP1B的抑制曾被認(rèn)為是釩化合物胰島素增強(qiáng)效應(yīng)的主要原因。然而，PTP1B基因敲除大鼠的表型與用釩化合物[37]治療的糖尿病大鼠表型并不相同。因此，抑制PTP1B只是釩化合物的作用機(jī)制之一，尤其是高濃度下的快速降糖作用。

1.2 降低胰島素抵抗

胰島素抵抗與肥胖和2型糖尿病密切相關(guān)，2型糖尿病最初可能表現(xiàn)為高胰島素血癥，但隨后表現(xiàn)為胰島素不足和胰島素抵抗[45]。研究表明：胰島素抵抗是炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）應(yīng)激、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙和自噬失調(diào)等復(fù)雜相互作用的結(jié)果；其中，應(yīng)激激活的c-Jun N 末端激酶（JNK）已越來(lái)越被認(rèn)為是胰島素抵抗的中樞介質(zhì)[46-47]。JNK 是3種主要的絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）之一，可能是應(yīng)激與代謝性疾病之間的關(guān)鍵聯(lián)系蛋白。JNK 被磷酸化激活后，導(dǎo)致IRS-1在一些絲氨酸殘基如Ser307的磷酸化增加，從而抑制下游PI3K-AKT/PKB信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程（見(jiàn)圖2）；抑制JNK 活性能改善胰島素抵抗和葡萄糖耐受性[46-47]。筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物在體內(nèi)和體外均可抑制肝臟、脂肪和肌肉組織中的JNK 活化[48-50]。Niu 等[50]發(fā)現(xiàn)，VOdmada（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）可有效改善B6·BKS(D)-Leprdb/JNju (db/db)胰島素抵抗小鼠的高胰島素血癥，同時(shí)提高其葡萄糖耐受性并使血糖水平正?；?。釩配合物抑制JNK 的分子機(jī)制可能與調(diào)節(jié)未折疊蛋白反應(yīng)（unfoldedproteinresponse，UPR）和過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）有關(guān)。

釩配合物也能抑制二肽基肽酶-4（DPP-4），分子模擬表明，釩配合物可以很好地嵌入DPP-4激酶域的活性位點(diǎn)裂縫中[51]。DPP-4是一種負(fù)責(zé)腸促胰島素[胰高血糖素樣肽-1（glucagon-likepeptide 1，GLP-1）和葡萄糖依賴(lài)性促胰島素多肽（gastric inhibitory peptide，GIP）]降解的抗原酶；DPP-4抑制劑可延長(zhǎng)體內(nèi)腸促胰島素效應(yīng)，導(dǎo)致胰島素分泌增加，胃排空減少，胰高血糖素降低，從而降低血糖水平[52-53]。DPP-4目前是降糖藥（如西他列?。┖湍承┥锘钚运幬锶琰S連素的靶點(diǎn)。

1.3 改善糖脂代謝

研究表明：釩化合物可作為一般轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑，并使多種糖尿病致病基因的蛋白表達(dá)正?；?，其中包括許多葡萄糖/脂類(lèi)代謝酶，如肝葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2、激素敏感脂肪酶、肌肉己糖激酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、丙酮酸激酶[54-56]。釩化合物作為降糖藥，不僅可以降低血液循環(huán)中葡萄糖水平，而且可以改善脂質(zhì)代謝，例如降低血脂水平（即三酰甘油和膽固醇[3,54,57]），糾正低脂血癥[57]，降低游離脂肪酸（FFA）水平[4]。

釩化合物降血糖和降血脂雙重作用的分子機(jī)制尚未完全闡明。然而，PPARγ 最近被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵的作用靶點(diǎn)[48-49,58]。PPARγ 調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化、脂/葡萄糖代謝和炎癥過(guò)程[59-60]，可通過(guò)2種途徑激活：胰島素等激素[61-62]和PPARγ 配體激動(dòng)劑[如噻唑烷二酮類(lèi)（thiazolidinedione，TZD）[63-65]。

激活PPARγ 可改善2型糖尿病患者全身（脂肪、骨骼肌和肝臟）胰島素敏感性[63-65]。不過(guò)，脂肪組織被認(rèn)為是TZD介導(dǎo)胰島素敏感性作用的主要靶組織。在脂肪組織中，PPARγ 活化促進(jìn)脂肪生成，從而降低血液循環(huán)中FFA 的水平。在成熟脂肪細(xì)胞中，PPARγ 活化誘導(dǎo)許多參與胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因的表達(dá)并增加了脂聯(lián)素的產(chǎn)生。脂聯(lián)素是一種眾所周知的胰島素增敏激素，可激活A(yù)MP激活蛋白激酶（AMPK）信號(hào)且同時(shí)減少引起胰島素抵抗的TNF-α 和抵抗素的產(chǎn)生。此外，PPARγ 還可以降低許多組織，特別是心血管內(nèi)皮的炎癥反應(yīng)。因此，PPARγ 在糖尿病和其他代謝性疾?。ㄈ缪惓?、脂肪變性等）的藥物發(fā)現(xiàn)中一直是有吸引力的靶標(biāo)。

釩化合物可在納摩爾至微摩爾濃度調(diào)控PPARγ的表達(dá)和磷酸化修飾[50,66]。例如，在db/db小鼠中，其可上調(diào)脂肪、骨骼肌和胰腺組織[48,50,58]中的PPARγ 水平和下游基因如脂聯(lián)素[49,58]的表達(dá)，進(jìn)而在脂肪和骨骼肌中激活A(yù)MPK 和PPARα 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、促進(jìn)能量平衡和糖脂代謝[49,58]（見(jiàn)圖2）。然而，在肝組織[50]和3T3-L1前脂肪細(xì)胞[4]中，釩配合物則降低PPARγ 水平。其中的生物學(xué)意義有待進(jìn)一步闡明，推測(cè)可能與抑制脂肪在肝臟沉積有關(guān)。但是在肝臟中，釩化合物仍然能增加AKT/PKB活化和抑制JNK 磷酸化[50]，顯示其降低了肝組織的胰島素抵抗等活性。

釩化合物激活PPARγ 有2種可能途徑。其一，氧釩離子能以高親和力（lgKi=13～15）與相對(duì)分子質(zhì)量為60000的熱休克蛋白Hsp60結(jié)合，誘導(dǎo)PPARγ-Hsp60蛋白相互作用[48-49]。釩誘導(dǎo)的PPARγ-Hsp60 相互作用可以阻止TNF-α 誘導(dǎo)的PPARγ 降解，從而提高PPARγ 的蛋白質(zhì)水平；并且，釩化合物可增強(qiáng)胰島素或其他PPARγ 配體誘導(dǎo)的PPARγ 磷酸化，而不改變磷酸化模式[48]。其二，釩化合物可抑制Wnt3a[67]，后者能抑制PPARγ 及其靶基因表達(dá)[68]。釩抑制Wnt3a 的原因尚不清楚。不過(guò)，Wnt3a 和UPR[69]之間相互關(guān)聯(lián)，推測(cè)氧釩離子可能通過(guò)調(diào)節(jié)UPR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制Wnt3a（見(jiàn)圖3）。由于釩化合物誘導(dǎo)PPARγ 的上調(diào)和活化作用與TZD藥物明顯不同，因此釩化合物不會(huì)產(chǎn)生TZD藥物副作用[64,70]，這是釩化合物較PPARγ 配體激動(dòng)劑的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

1.4 胰島β細(xì)胞保護(hù)

釩化合物對(duì)1型糖尿病[如鏈脲佐菌素（streptozocin，STZ）誘導(dǎo)的糖尿病]具有有效和長(zhǎng)期的降血糖作用。研究發(fā)現(xiàn)，治療后的動(dòng)物都部分恢復(fù)了胰腺功能[71]。研究表明：釩化合物治療維持STZ 誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的胰島β細(xì)胞結(jié)構(gòu)[72]，并促進(jìn)了β細(xì)胞的增殖和再生[73]。釩化合物預(yù)防胰島萎縮的效果優(yōu)于胰島素[16-17]，而與葡萄糖毒性的緩解關(guān)系不大[17]。因此釩化合物具有β細(xì)胞保護(hù)的作用，這是與普通降糖藥物相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

釩化合物對(duì)胰腺β 細(xì)胞的保護(hù)作用有2種途徑（見(jiàn)圖3）：1）BMOV 和其他釩配合物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物均與胰島淀粉樣多肽（islet amyloid polypeptide，IAPP）表現(xiàn)出高親和力，并抑制IAPP 的病理聚集[74]；2）氧釩離子調(diào)節(jié)細(xì)胞UPR，這是β細(xì)胞保護(hù)的主要機(jī)制[75]。

UPR 是細(xì)胞響應(yīng)ER 應(yīng)激等損傷的一類(lèi)防御途徑[76]。ER 是蛋白質(zhì)折疊和加工、脂質(zhì)合成和鈣儲(chǔ)存的細(xì)胞器。在應(yīng)激條件下，例如錯(cuò)誤折疊蛋白超載或Ca2+耗竭，各種ER 受體從分子伴侶免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白/相對(duì)分子質(zhì)量為78000（BIP/Grp78）的葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白上解離，啟動(dòng)下游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在輕度或暫時(shí)性的ER 應(yīng)激中，蛋白激酶RNA 樣ER 激酶Perk 途徑被激活，導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯減少和細(xì)胞增殖停滯，從而防止了進(jìn)一步的蛋白質(zhì)超載；同時(shí)，肌醇酶1-X 盒連接蛋白1（IRE1-XBP1）和（或）轉(zhuǎn)錄因子6（ATF6）等信號(hào)激活，從而上調(diào)多種蛋白質(zhì)伴侶（包括BIP/Grp78）的表達(dá)，用于結(jié)合、修復(fù)和清除錯(cuò)誤折疊蛋白。如果ER 應(yīng)激過(guò)于強(qiáng)烈或持續(xù)過(guò)長(zhǎng)（如肥胖狀態(tài)），延長(zhǎng)的IRE1將激活JNK 信號(hào)通路，從而導(dǎo)致胰島素耐受。此外，轉(zhuǎn)錄因子4（ATF4）被激活，導(dǎo)致CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白1（CHOP1）活化。CHOP1 會(huì)引起抗凋亡線粒體蛋白Bcl-2 的下調(diào)，導(dǎo)致線粒體途徑的細(xì)胞凋亡（見(jiàn)圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，ER 應(yīng)激在胰腺細(xì)胞變性和胰島素抵抗發(fā)展中起著重要作用；通過(guò)血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑替米沙坦[77]抑制ER 應(yīng)激，可使STZ 誘導(dǎo)糖尿病的發(fā)生率降低一半以上。

筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物VO(acac)2在納摩爾至微摩爾濃度范圍內(nèi)本身不會(huì)影響UPR，但可以促進(jìn)FFA 誘導(dǎo)的BIP/Grp78的表達(dá)，且降低應(yīng)激下的促凋亡蛋白CHOP水平；同時(shí)，釩配合物恢復(fù)了FFA 干擾的細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)[75]，從而顯著降低了FFA 誘導(dǎo)的β細(xì)胞損傷。此外，釩配合物促進(jìn)FFA誘導(dǎo)的Perk 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，也導(dǎo)致胰島素合成減少。上述結(jié)果一方面有助于保持ER 穩(wěn)態(tài)、減輕ER 應(yīng)激狀態(tài)下的β細(xì)胞負(fù)擔(dān)，同時(shí)確保已合成胰島素的折疊和分泌，并減少作為1型糖尿病“自身抗原”來(lái)源的錯(cuò)誤折疊胰島素[78]。另一方面，Perk 通路的增強(qiáng)可抑制Wnt 活性，從而上調(diào)PPARγ水平[69]。

圖3 釩化合物對(duì)未折疊蛋白響應(yīng)的調(diào)控作用Figure 3 Regulation of vanadium compounds on the response of unfolded proteins

1.5 神經(jīng)保護(hù)作用

阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）已被證實(shí)與糖尿病密切相關(guān)[79-80]。2型糖尿病患者發(fā)生AD的風(fēng)險(xiǎn)比正常人群高約2倍。研究發(fā)現(xiàn)，AD和糖尿病存在許多共同的病理現(xiàn)象，相互促進(jìn)彼此的病理進(jìn)程[81-82]。超過(guò)80%的AD患者都存在明顯的胰島素抵抗，且血糖水平不正常。AD的重要病理因子β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）可導(dǎo)致線粒體功能和動(dòng)態(tài)損傷，激活JNK 和CDK5，從而抑制胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；反之，胰島素抵抗則導(dǎo)致細(xì)胞PI3K-AKT/PKB信號(hào)下降，導(dǎo)致糖原合成酶激酶GSK-3β 活性升高，從而引起Tau 過(guò)度磷酸化；而Tau 過(guò)度磷酸化誘導(dǎo)神經(jīng)纖維纏結(jié)（NFT），這是導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的直接原因。此外，Aβ可與胰島素競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合胰島素降解酶（IDE），相互抑制對(duì)方的分解。因此，一些研究人員將AD稱(chēng)為3型糖尿病[80]。

筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物可顯著改善因高血糖而受損的空間學(xué)習(xí)和記憶[83]。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)APP/PS1 模型小鼠經(jīng)口給予亞降糖劑量（0.1 mmol · kg-1· d-1）的VO(acac)2，明顯改善了小鼠的認(rèn)知表型，并減少了小鼠的神經(jīng)元的缺失[84]。有趣的是，釩配合物的作用不受Aβ沉積的影響，也不減少APP/PS1小鼠腦組織Aβ斑塊數(shù)量。不過(guò)，釩配合物顯著減少了水溶性Aβ寡聚體，支持了水溶性Aβ寡聚體才是真正毒性Aβ物種的觀點(diǎn)。機(jī)制研究表明（見(jiàn)圖4）：釩配合物是通過(guò)激活PPARγ-AMPK 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路增強(qiáng)細(xì)胞糖代謝和能量生產(chǎn)，從而提高細(xì)胞活力，并進(jìn)一步抑制GSK-3β活化、延緩進(jìn)一步的Tau 病理發(fā)生。此外，釩配合物上調(diào)了線粒體伴侶蛋白Grp75的表達(dá)水平。Grp75增加不僅可抑制ROS產(chǎn)生，且可以抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的p53核轉(zhuǎn)位，進(jìn)而抑制AD病理相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡?？固悄虿♀C配合物的抗AD作用及其應(yīng)用是未來(lái)值得深入研究的新課題。

圖4 釩化合物抗阿爾茨海默病作用機(jī)制Figure 4 Anti-Alzheimer’s disease mechanism of vanadium compounds

2 釩配合物的抗腫瘤作用及機(jī)制

很早發(fā)現(xiàn)，釩化合物具有顯著的腫瘤預(yù)防作用，雖然這可能是由于上述調(diào)節(jié)機(jī)體能力代謝和抗炎、抗氧化等而發(fā)揮的作用，但研究亦發(fā)現(xiàn)釩化合物可減少DNA 的烷基化[85]，從而降低DNA 突變的發(fā)生，這可能是釩化合物發(fā)揮腫瘤預(yù)防作用的機(jī)制之一。近10年來(lái)，釩化合物的抗腫瘤作用受到了研究者的關(guān)注。釩化合物能夠抑制多種腫瘤的增殖和誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，也能通過(guò)多種作用方式限制腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[86-87]。其具有多樣化的抗腫瘤機(jī)制，主要包括：1）直接與DNA 骨架的磷酸基團(tuán)結(jié)合，誘導(dǎo)DNA 損傷，但其結(jié)合方式不同于順鉑[88]；2）促進(jìn)活性氧（ROS）的生成，通過(guò)氧化應(yīng)激相關(guān)信號(hào)途徑導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[88-90]；3）通過(guò)增強(qiáng)c-fos相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)或抑制某些關(guān)鍵磷酸酶，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯[90-91]；4）調(diào)節(jié)癌細(xì)胞能量代謝，抑制Warburg 效應(yīng)[92]；5）誘導(dǎo)癌細(xì)胞自噬[93]；6）誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞失巢凋亡[90,94]；7）通過(guò)與miRNA 結(jié)合，抑制腫瘤生長(zhǎng)[95]等。

值得一提的是，釩化合物的抗腫瘤作用相比鉑族藥物來(lái)說(shuō)一般作用較弱，但釩化合物誘導(dǎo)某些腫瘤細(xì)胞凋亡的能力明顯大大高于正常細(xì)胞，并且對(duì)兩者的作用模式也不同[42]。例如對(duì)HepG2肝癌細(xì)胞，VO(acac)2可通過(guò)誘導(dǎo)持續(xù)的ERK 磷酸化激活而降低磷酸化Rb蛋白水平，從而使HepG2細(xì)胞生長(zhǎng)阻滯于G1/S期，進(jìn)而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡；而相同濃度的VO(acac)2并不影響正常L-02肝細(xì)胞的增殖。高濃度的VO(acac)2在正常肝細(xì)胞中通過(guò)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞毒性，抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（NAC）處理可抑制這種毒性；但NAC處理不能抑制VO(acac)2對(duì)腫瘤細(xì)胞的毒性[42,96]。筆者課題組推測(cè)細(xì)胞周期調(diào)節(jié)機(jī)制的不同可能與抑制某些關(guān)鍵磷酸酶、導(dǎo)致蛋白質(zhì)磷酸化修飾的差異有關(guān)[97]。細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因細(xì)胞類(lèi)型和生長(zhǎng)周期的不同而不同，因此增殖（腫瘤）細(xì)胞和非增殖（組織）細(xì)胞對(duì)釩配合物處理的反應(yīng)存在差異。再如，釩配合物可對(duì)2 種細(xì)胞類(lèi)型的干擾素的應(yīng)答分別進(jìn)行調(diào)節(jié)[98]，從而使腫瘤細(xì)胞（而非正常組織）對(duì)干擾素和溶瘤病毒感染更為敏感[99]。因此，有望建立基于釩配合物預(yù)處理的新型抗癌生物療法。

在各種腫瘤細(xì)胞中，神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系可能對(duì)釩化合物治療最為敏感。最近筆者課題組發(fā)現(xiàn)，釩配合物對(duì)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系的毒性（IC50為5～30μmol · L-1）與順鉑相當(dāng)（IC50為0.6～40μmol · L-1），是對(duì)正常原代神經(jīng)元細(xì)胞毒性（IC50約為250 μmol·L-1）的15倍。進(jìn)一步的對(duì)比研究表明[97]，釩配合物通過(guò)濃度依賴(lài)的2條途徑抑制神經(jīng)母細(xì)胞瘤生長(zhǎng)：一是誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白cyclin D過(guò)表達(dá)，通過(guò)cyclin D介導(dǎo)的未知途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；二是在高濃度時(shí)（＞50μmol·L-1）抑制多種細(xì)胞周期相關(guān)的磷酸酶（鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶和Cdc25C）的活性，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯和最后的細(xì)胞凋亡。這2條途徑均為非p53依賴(lài)的，因此，釩配合物的凋亡誘導(dǎo)模式對(duì)發(fā)現(xiàn)新的抗癌藥物、克服因p53突變引起的化療耐藥性很有意義。

值得一提的是，神經(jīng)母細(xì)胞瘤是繼白血病和腦癌之后兒童中第三常見(jiàn)的癌癥[100]。在兒童癌癥死亡病例中，約15%與神經(jīng)母細(xì)胞瘤有關(guān)[101]。目前該癌癥使用順鉑藥物（順鉑、卡鉑）與其他藥物（如阿霉素）聯(lián)合化療。然而，順鉑藥物對(duì)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和正常神經(jīng)細(xì)胞表現(xiàn)出相當(dāng)接近的細(xì)胞毒性[96]。事實(shí)上，周?chē)窠?jīng)毒性一直是順鉑藥物[102]的主要?jiǎng)┝肯拗菩愿弊饔肹103-104]。因此，釩化合物在神經(jīng)母細(xì)胞瘤等中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的治療中具有較大的潛力。

3 釩配合物藥物設(shè)計(jì)和藥物發(fā)現(xiàn)

對(duì)釩化合物的生物學(xué)效應(yīng)和分子機(jī)制的研究表明，釩化合物是繼順鉑之后具有巨大開(kāi)發(fā)潛力的金屬藥物。顯然，釩化合物在動(dòng)物體內(nèi)外試驗(yàn)中均表現(xiàn)出有效的降血糖作用，并在治療代謝綜合征方面取得了成功，使其成為有前途的抗糖尿病藥物。雖然人們對(duì)釩金屬毒性的憂慮一時(shí)難以消除，但以往的研究表明，釩的毒性雖然復(fù)雜，但主要與金屬引起的氧化應(yīng)激有關(guān)[105]，因此是可預(yù)計(jì)和可控制的。

筆者課題組對(duì)抗糖尿病釩化合物的理性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)曾有較全面的綜述[106]。未來(lái)的重點(diǎn)依然是如何控制金屬離子的體內(nèi)物種變化。物種變化問(wèn)題對(duì)于所有金屬藥物都是一個(gè)重要的問(wèn)題和挑戰(zhàn)[107]。在生物體內(nèi)，過(guò)渡金屬配合物都會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物種變化，例如水化、水解、配體交換、氧化還原反應(yīng)和與蛋白質(zhì)分子的非共價(jià)結(jié)合（之后常發(fā)生與蛋白質(zhì)分子的配體交換）等。這些變化將導(dǎo)致藥物失效或產(chǎn)生毒性，并且會(huì)導(dǎo)致配合物的體內(nèi)活性與體外篩選結(jié)果嚴(yán)重不一致。

對(duì)于抗糖尿病釩配合物，如前所述，配體的作用是將活性氧釩離子或釩酸根傳遞到其靶酶/蛋白質(zhì)[108-109]，其中重要的靶蛋白為熱休克蛋白家族（如Hsp60、Grp78和Grp75等）和蛋白磷酸酶PTP1B。釩酸根及目前已知的氧釩配合物與PTP1B的結(jié)合作用（lgKi為6～8）[36]，與其對(duì)生物介質(zhì)中各種分子的非特異性結(jié)合作用（通常為lgKi為4～7）相當(dāng)。因此，如何設(shè)計(jì)與PTP1B更穩(wěn)定和更特異性結(jié)合的釩配合物是未來(lái)設(shè)計(jì)抗糖尿病釩化合物的一個(gè)重要工作。而氧釩離子具有與Hsp60結(jié)合的高親和性（lgKi為13～15）[106]，從熱休克蛋白家族的結(jié)構(gòu)相似性推測(cè)，釩化合物與其他熱休克蛋白家族靶蛋白的結(jié)合也應(yīng)在此范圍，因此，穩(wěn)定常數(shù)（lgKs）在8～12范圍內(nèi)的氧釩配合物既可以避免非特異性結(jié)合，又能高效地向靶蛋白遞送氧釩離子?？偨Y(jié)以往研究的經(jīng)驗(yàn)，筆者課題組提出釩配合物理性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)為：1）氧化數(shù)為+4或+5的釩配合物，尤其是+4價(jià)的釩配合物，更適合于制備安全的抗糖尿病藥物；2）配合物的穩(wěn)定性高（lgKs為7～13），這樣可以有效和特異地釋放釩離子；3）配合物與白蛋白結(jié)合并保持結(jié)構(gòu)完整，將使釩配合物在體內(nèi)的分布具有良好的特性；4）具有抗炎和抗氧化活性的結(jié)構(gòu)的引入，將有利于平衡治療性能和副作用。筆者課題組最近制備的氨基三乙酸衍生物氧釩配合物VOhpada[58]和VOdmada 系列化合物，其lgKi約為11。與其他釩配合物相比，這些化合物的治療指數(shù)均顯著提高。

釩化合物的另一個(gè)潛在應(yīng)用是抗腫瘤作用。抗腫瘤釩化合物的設(shè)計(jì)與抗糖尿病釩配合物的設(shè)計(jì)在許多方面相似，比如對(duì)特定磷酸酶的抑制劑設(shè)計(jì)，如何提高抑制劑與靶酶的親和力及結(jié)合的特異性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。特別是，目前機(jī)制研究雖然闡明了其作用的分子途徑，但尚未明確其中的靶分子。因此，通過(guò)理性設(shè)計(jì)抗腫瘤釩配合物目前還存在巨大的困難，期待今后在釩配合物抗腫瘤藥理分子機(jī)制領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。

從目前已知的釩化合物藥理作用的分子機(jī)制來(lái)看，釩化合物還有許多潛在的應(yīng)用空間有待深入探索。例如抗糖尿病釩配合物的抗AD應(yīng)用，進(jìn)一步探索設(shè)計(jì)新型抗AD釩配合物。近來(lái)，筆者課題組意識(shí)到，從金屬離子的相似性作用規(guī)律出發(fā)[2]，探索金屬離子調(diào)節(jié)體內(nèi)應(yīng)激響應(yīng)是未來(lái)發(fā)現(xiàn)高效低毒金屬藥物的重要策略[105,110]。目前的研究表明，釩配合物與熱休克蛋白家族具有較特異的相互作用，針對(duì)熱休克蛋白家族研究釩化合物的生物活性及藥理作用是未來(lái)釩配合物藥物研究大有可為的領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

過(guò)去20年，研究者對(duì)釩化合物生物活性及其分子機(jī)制獲得了較為深入的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了釩化合物特別是抗糖尿病釩配合物的藥理機(jī)制研究和理性分子設(shè)計(jì)。釩配合物具有良好的藥動(dòng)學(xué)特性，在生理介質(zhì)中，可以通過(guò)復(fù)雜的物種變化與各種細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)進(jìn)行相互作用。研究表明，釩化合物可以通過(guò)改善葡萄糖和脂質(zhì)代謝，促進(jìn)胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)揮降血糖以及胰島素保護(hù)作用。除了抗糖尿病藥物，釩配合物在抗腫瘤和抗AD藥物上也具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。相關(guān)研究也將是具有巨大發(fā)展前景的研究領(lǐng)域。