四氫蒽醌類化合物結構及其生物活性研究進展

馮世秀，許 靜，陳 濤

深圳市中科院仙湖植物園 深圳市南亞熱帶植物多樣性重點實驗室，深圳 518004

蒽醌類化合物是一類廣泛存在于自然界中的重要次生代謝產物，是各種天然醌類化合物中數量最多的一類化合物，主要分布在茜草科、廖科、玄參科和百合科等植物中，具有止血、抗菌、抗病毒、抗腫瘤、抗衰老、抗誘變、保肝利膽、明目、促睡眠、降血脂、增加免疫功能等多種藥理作用。蒽醌類化合物均有芳香平面大共軛結構，具有很好的脂溶性和較差的水溶性[1]。四氫蒽醌是蒽醌類化合物的衍生物，是指蒽醌中A環上的雙鍵發生四氫加成之后形成的萘醌駢環己烯結構(見圖1)，其結果大大增加了蒽醌類化合物的手性結構，使其生物活性也相應增加，水溶性也得到改善提高。

據文獻報道，大多數的四氫蒽醌都是從植物內生菌中分離得到。植物內生菌是指生活史中一定階段生活在活體植物細胞或組織間隙內而不引起植物病害的微生物。植物體內存在內生菌是一種普遍現象，內生菌定植于植物組織內部，能夠適應這特殊的生態位，對植物產生有益的效應。一方面植物體為內生菌提供其生長必需的能量和營養；另一方面，內生菌又可通過自身的代謝產物或借助于信號傳導作用對植物體產生影響[2]。

圖1 四氫蒽醌化合物結構Fig.1 The structure of Tetrahydroanthraquinone

四氫蒽醌類化合物是一類重要的微生物次生代謝產物，在自然界中的含量比較低，但其結構特殊，具有強烈的細胞毒活性、抗菌活性、抗瘧原蟲活性等。本文將主要從四氫蒽醌類化合物及其衍生物的天然來源、化學結構和生物活性幾方面來進行綜述，為該類物質的后續研究提供依據。

1 從微生物中分離得到的四氫蒽醌類化合物

四氫蒽醌類化合物大多都是從植物內生菌及真菌中分離得到的，蒽醌和氫化蒽醌衍生物是真菌鏈格孢屬、鐮刀菌屬中常見的次生代謝產物。目前從植物內生菌及真菌中發現的四氫蒽醌類化合物主要有四氫蒽醌類化合物、四氫氧化蒽酚類化合物、四氫1,2-蒽醌類化合物、二聚四氫蒽醌類化合物等。

1.1 四氫蒽醌類化合物

四氫蒽醌類化合物是蒽醌類化合物A環上的不飽和雙鍵被四個氫氫化的一類化合物。目前從各種植物內生菌及其他菌種中分離得到17個四氫蒽醌類化合物，化合物名稱和結構見表1和圖2。其中altersolanol A(1)是一個重要的altersolanol型四氫蒽醌類化合物，具有強烈的抗腫瘤活性，它被Liu 等[3]、Huang等[4]、Debbab等[5]、Yagi等[6]、Wheeler等[7]和Chen等[8]多人從不同的內生菌中都分離得到該化合物。Altersolanol A(1)和altersolanol B(2)最早由Stoessl等[9]在1969年從Alternariasolani中分離的到，也由此發現了四氫蒽醌這種類型的天然結構。后來在1978年，Becker等[10]人再次從真菌Dactylarialutea中分離出化合物1和2，同時還分離出altersolanol C(3)(當時命名為dactylariol，后更名為altersolanol C)。自此之后，這些化合物被從不同的植物內生菌或其他菌種中分離得到，同時越來越多的四氫蒽醌化合物被分離得到。Yagi等[6]在1993年從患病的番茄(Lycopersiconesculentum)中分離的菌種Alternariasolani中分離得到同類化合物altersolanol D(4)、altersolanol E(5)和altersolanol F(6)；Chen等[8]從菌株Alternariasp.XZSBG-1中分離得到化合物altersolanol O(8)；Ondeyka等[11]人從一種Hypocreales菌中分離得到化合物altersolanol P(7)；Zhou等[12]從菌株Stemphyliumsp.33231中分離得到auxarthrol C(9)和2-O-aectylaltersolanol B(13)；Uzor等[13]從菌株Nigrosporaoryzae中分離得到化合物4-dehydroxyaltersolanol A(12)；Liu 等[3]從內生菌Stemphyliumglobuliferum中分離得到二羥基四氫蒽醌類化合物dihydroaltersolanol B(10)和dihydroaltersolanol C(11)；Khamthong等[14]從菌株TrichodermaaureoviridePSU-F95中分離得到化合物trichodermaquinone(14)和coniothranthraquinone 1(15)；Klaiklay等[15]從菌株Phomopsissp.PSU-MA214中分離得到化合物phomopsanthraquinone(16)；Xie等[25]從海洋植物內生菌fungus No.1403中分離得到化合物SZ-685C(17)。

1.2 四氫氧化蒽酚類化合物

四氫氧化蒽酚類化合物是四氫蒽醌類化合物9位或10位上的羰基被氫化成羥基的一類化合物。目前從各種植物內生菌及其他真菌中分離得到8個氧化蒽酚類化合物，化合物名稱和結構分別見表2和圖3。H?ller等[16]在2002年首次從一株未被鑒定的真菌NRRL 29097中分離得到altersolanol J(18)，并通過測定核磁數據的方法鑒定出其結構。Aly等[17]在2008年對化合物18及從Urospermumpicroides內生菌Ampelomycessp.中分離得到的化合物ampelanol(23)的細胞毒活性測試中發現化合物18和23都只表現為對小鼠淋巴瘤細胞L5178Y中等的細胞毒活性，比四氫蒽醌類化合物的活性弱，這與Debbab等[5]在對從唇萼薄荷(Menthapulegium)內生菌Stemphyliumglobuliferum中分離得到的化合物18、altersolanol K(19)、altersolanol L(20)的活性測定結果一致，都只表現為中等的細胞毒活性，說明對苯醌的骨架結構對于四氫蒽醌類化合物的細胞毒活性具有重要的作用。從內生菌及真菌中分離得到的四氫氧化蒽酚類化合物還有Klaiklay等[15]從Phomopsissp.PSU-MA214中分離得到的tetrahydroaltersolanol B(21)和tetrahydroaltersolanol C(22)、Zhou等[12]從Stemphyliumsp.33231中分離得到的2-O-aectylaltersolanol L(25)、Huang等[4]從Xylariasp. 2508中分離得到的Xylanthraquinone(24)。

表1 四氫蒽醌類化合物的名稱

續表1 (Continued Tab.1)

化合物編號Compound No.化合物名稱Compound name報道人Author年份Year文獻Literatrue9Auxarthrol CZhou20141210Dihydroaltersolanol BLiu2015311Dihydroaltersolanol CLiu20153124-Dehydroxyaltersolanol AUzor201513132-O-Aectylaltersolanol BZhou20141214TrichodermaquinoneKhamthong20121415Coniothranthraquinone 1Khamthong20121416PhomopsanthraquinoneKlaiklay20121517SZ-685CXie201025

圖2 四氫蒽醌類化合物的結構Fig.2 The structure of tetrahydroanthraquinone compounds

1.3 四氫1,4-蒽醌類化合物

天然蒽醌類化合物有1,2-蒽醌、1,4-蒽醌和9,10-蒽醌類化合物，由于9,10位氧化產物較為穩定，所以9,10-蒽醌類化合物較為常見，相應的也以四氫9,10-蒽醌類化合物較為常見。盡管如此，在之前的分離工作中還是分到了5個四氫1,4-蒽醌類化合物，分別為(1S,3R)-austrocortirubin(26)、(1S,3S)-austrocortirubin(27)、1-deoxyaustrocortirubin(28)、deoxybostrycin(29)和bostrycin(30)，結構和名稱見表3和圖4?；衔?6是最早由Elsworth等[18]在1999年從真菌Dermocybesplendida中分離得到的紅色四氫1,4-蒽醌類化合物，Choomuenwai等[19]測定了它對瘧原蟲Plasmodiumfalciparumline (3D7)的活性，結果顯示化合物26和從Cortinariussp.中同時分離出來的化合物27、28都表現出顯著的抗蟲作用。Huang等[4]于2014年從Xylariasp.2508分離出了化合物29和30，在對結核分枝桿菌蛋白磷酸酶B的抑制活性測試中發現化合物29和30的IC50值都大于100 μmoL/L，沒有表現出對結核分枝桿菌蛋白磷酸酶B有效的抑制活性。

表2 四氫氧化蒽酚類化合物的名稱

圖3 四氫氧化蒽酚類化合物的結構Fig.3 The structure of hydroxyphenanthrene compounds

1.4 二聚四氫蒽醌類化合物

二聚四氫蒽醌類化合物是指兩個四氫蒽醌類化合物的二聚體或一個四氫蒽醌類化合物和一個蒽醌類化合物形成的二聚體。目前從各種植物內生菌及其他真菌中共分離得到15個二聚四氫蒽醌類化合物，它們分別是alterporriol A、B、D、E、G、H、F、N、S、T、U、V、W(31-43)和aectylalterporriol D、E(44-45)，結構和名稱分別見表4和圖5。其中化合物31和32、33和34、35和36是構象異構體。它們每對的核磁數據都非常的相似，其中，化合物33和34在CD3OD和THF-d8中最大化學位移的差值只有0.04 ppm[20]。關于化合物33和34的立體結構，Kanamaru等[20]通過分析它們的光譜數據1H NMR、13C NMR、NOESY、CD譜等確定化合物33為aS，34為aR?；衔?3和34的1H NMR譜幾乎可以重疊,C-1的羥基信號還是表現出不同,且CD譜表現出相反的關系,說明化合物33和34是一對立體異構體。通過對化合物33和34的苯甲酰衍生物進行分析，發現苯甲?；绊懥嘶衔?3和34中環己烯C1-C4的構象變化，然后通過對其構象的分析，以及對化合物33CD譜的計算等確定化合物33為aS，而化合物34為aR[20]。而化合物31和32的立體結構是Zhou等[12]根據核磁數據和CD譜對照已經確定的化合物34的立體結構確定為aS和aR，而化合物35和36的立體結構Debbab等[5]從唇萼薄荷(Menthapulegium)內生菌Stemphyliumglobuliferum中分離出來時并未進行探討。其他化合物分別是由Zhou等[12]從Stemphyliumsp.33231中分離得到的化合物40、41、43，其中化合物41對B.cereus的最小抑制濃度為8.3 μM；由Chen等[8]從菌株Alternariasp.XZSBG-1中分離得到化合物38、39、42；由Kanamaru等[20]從真菌Pleosporaherbarum中分離得到的化合物37；Liu 等[3]從內生菌Stemphyliumglobuliferum中分離得到的化合物44和45，其中化合物45對小鼠淋巴瘤細胞 L5178Y的IC50值為10.4 μM，而化合物44對小鼠淋巴瘤細胞 L5178Y沒有細胞毒活性。

圖4 四氫1,4-蒽醌類化合物的結構Fig.4 The structure of tetrahydro-1,4-anthraquinone compounds

2 從植物中分離得到的四氫蒽醌類化合物

目前從植物中分離得到的四氫蒽醌類化合物有9個，分別是Feng等[21]在2011年從南山花Prismatomerisconnata中分離的2個化合物prisconnatanones A(46)和prisconnatanones B(47)以及Wang等[22]在2015年繼續從該植物中分離得到7個化合物prisconnatanones C-I(48-54)，它們的結構和名稱分別見表5和圖6。從微生物分離出的四氫蒽醌類化合物C環上多具有5-OH和7-OCH3的結構，變化較多的是A環的取代基；而從植物南山花中分離中出的四氫蒽醌類化合物以A環2-OH和3-CH3為基本結構，手性為2R,3R，B環則多有酚羥基和甲氧基取代，形成了多種衍生物。

3 四氫蒽醌類的生物活性

隨著人們對四氫蒽醌類化合物的研究，越來越多的四氫蒽醌類化合物被分離出來，對它的活性的研究也取得了一些進展，四氫蒽醌類化合物主要有細胞毒活性、抗菌活性、抗瘧原蟲活性等。其中以altersolanol A(1)活性的研究最為深入。

表3 四氫1,4-蒽醌類化合物的名稱

表4 二聚四氫蒽醌類化合物的名稱

表5 Prisconnatanones類化合物的名稱

圖5 二聚四氫蒽醌類化合物的結構Fig.5 The structure of polytetrahydroanthraquinone compounds

圖6 Prisconnatanones類化合物的結構Fig.6 The structure of prisconnatanones compounds

3.1 細胞毒活性

3.1.1 Altersolanol A的細胞毒活性

Altersolanol A(1)是一種激酶抑制劑，它可以通過裂解Caspase-3和Caspase-9來誘導腫瘤細胞凋亡，并且可以減少抗細胞凋亡蛋白的表達[23,24]。Mishra等[23]研究了1對包括膀胱癌、中樞神經系統癌、結腸癌、胃癌、肺癌、黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌、 前列腺癌、膠質母細胞瘤、腎癌和子宮癌細胞在內的34種人類腫瘤細胞的生物活性，結果它對這些腫瘤細胞都表現出細胞毒活性，其IC50值在0.001 μg/mL (0.003 μM)到0.412 μg/mL (1.23 μM)之間，其平均的IC50為0.005 μg/mL(0.015 μM)，其中有17種癌細胞的IC50值小于等于0.001 μg/mL。特別敏感的細胞系是膀胱癌、結腸癌、肺癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、黑色素瘤和膠質母細胞瘤。因此化合物1是一個有很大吸引力的抗癌先導化合物[23]。

Teiten等[24]研究報道化合物1對人類慢性白血病細胞K562和非小細胞肺癌細胞A549的IC50值分別為4.2和29.5 μM，細胞周期分析顯示用化合物1處理的K562細胞阻滯在G1階段，在4 μM處理48小時后K562細胞在G1階段累積達到65%，進一步分析發現化合物1能夠誘導caspase-3 和caspase-9蛋白的裂解，并可明顯減少抗凋亡蛋白Mcl-1,XIAP和Bcl-xL的表達。Altersolanol A還能夠抑制腫瘤壞死因子NF-κB的激活。同時發現化合物1可以影響A562細胞的增殖和轉移，化合物1影響細胞的增殖和入侵可能與激活的腫瘤壞死因子NF-κB信號通路被抑制有關，NF-κB信號通路可通過引起上皮細胞間質轉型程序來增強腫瘤細胞的轉移與繁殖。NF-κB在腫瘤細胞的遷移、擴散、入侵、轉移的基質金屬蛋白酶(MMPs)的調控中扮演著重要的角色。因此，化合物1是一個潛在的抗腫瘤化合物，它可通過抑制NF-κB的轉移活性來影響凋亡蛋白和抗凋亡蛋白的表達[24]。

3.1.2 細胞毒活性與化合物結構的關系

Debbab等[5]測試了多個四氫蒽醌類化合物在10 μg/mL的濃度下對小鼠淋巴癌細胞L5178Y生長的影響，結果顯示化合物1、18、19、20處理的生長率分別為1.5%、20.1%、41.4%和51.4%，其中化合物18、19、20為四氫氧化蒽酚類化合物，說明四氫蒽醌類化合物的細胞毒活性明顯強于四氫氧化蒽酚類化合物，即說明9,10-對苯醌結構對于四氫蒽醌類化合物的細胞毒活性具有重要的作用。Liu 等[3]用MTT法測試了多個四氫蒽醌類化合物對小鼠淋巴癌細胞L5178Y的活性，結果顯示化合物1～3對L5178Y細胞都表現出有效的細胞毒活性，并且相互之間差別不大，其IC50值分別為2.53、3.78、4.68 μM，說明A環上的羥基對altersolanol型化合物的細胞毒活性沒有貢獻[3]?；衔?1的IC50值為3.4 μM，而與其結構在1位少一個OH的化合物10卻沒有活性，說明1-OH對13,14-dihydroaltersolanol型結構活性具有重要的作用[3]。

Feng等[21]測試了四氫蒽醌類化合物46和47對人非小細胞肺癌細胞A549和LAC的細胞毒活性，結果顯示化合物46的IC50值分別為4.5和7.8 μM，而化合物47則沒有細胞毒活性。Wang等[22]測試了化合物48～54對人非小細胞肺癌細胞H1229、HTB179、 A549和H520的活性，結果顯示化合物48～50不表現細胞毒活性；化合物51～53顯示出較弱的細胞毒活性，其IC50值都 ≥ 8 μM；化合物54顯示出明顯的細胞毒活性，其對H1229、HTB179、 A549、H520的IC50值分別為3.0、2.7、3.0和3.9 μM。結果表明，四氫蒽醌C環的5-OH和8-OH對于細胞毒活性起關鍵作用，而C環酚羥基數目越多，細胞毒活性越強，隨著酚羥基數目的減少，細胞毒活性逐漸減弱。

具有aR手性結構的化合物45和34對小鼠淋巴瘤細胞 L5178Y的細胞毒活性的IC50值分別為10.4和6.9 μM，然而與它們為立體異構的aS型的化合物44和33卻沒有活性，說明四氫蒽醌二聚衍生物雙芳基的手性對這些化合物的活性起著重要的作用。而化合物45的活性較化合物34的略好，說明6-乙?；鶎λ臍漭祯垩苌锏幕钚詻]有顯著貢獻[3]。

3.1.3 其他化合物的細胞毒活性

此外，Uzor等[13]研究發現化合物12對小鼠淋巴癌細胞L5178Y的IC50為9.4 μM。Xie等[25]測試了化合物17對人乳腺癌細胞MCF-7和MDA-MB-435、前列腺腺癌細胞PC-3、神經膠質瘤細胞LN-444、肝癌細胞Hep-3B和Huh-7的活性，其IC50值分別為7.5、3.0、4.1、7.8、3.2和9.6 μM。Chen等[8]發現化合物3對人結腸癌細胞HCT-116和人宮頸癌細胞Hela的IC50值分別為3.03和8.09 μM。

3.2 抗菌活性

Yagi等[6]發現化合物1～3和5對銅綠假單胞菌PseudomonasaeruginosaIF0 3080、金黃色葡萄球菌StaphylococcusaureusIF0 I2732、藤黃微球菌IF0 3333的MIC值在12.5～25 μg/mL之間，而化合物4和6在100 μg/mL時都沒有表現出抑菌活性，說明C苯環上5-OH的結構對于altersolanol型化合物的抗菌活性是必須的。Khamthong等[14]發現化合物15對金黃色葡萄球菌StaphylococcusaureusATCC 25923 (SA)和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌StaphylococcusaureusSK1 (MRSA)都具有明顯的抗菌活性，其MIC值分別為16和8 μg/mL，而化合物14對SA沒有抗菌活性，對MRSA的MIC值為200 μg/mL，說明7-CH3和5-OH對四氫蒽醌類化合物的抗菌活性具有重要的作用。Liu 等[3]在對化合物10和11的抗菌活性測試中發現化合物11對金黃色葡萄球菌StaphylococcusaureusATCC 29213表現了一定的抗菌活性，其MIC值為49.7 μM，而化合物10卻沒有活性，說明1-OH在dihydroaltersolanol型化合物的抗菌活性方面起著一定的作用。

此外，Zhou等[12]發現化合物13對大腸桿菌、金黃色葡萄菌和枯草芽孢桿菌的MIC值都為3.9 μM。Ondeyka等[11]測試了化合物7對金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌、枯草芽孢桿菌、糞腸球菌、流感嗜血桿菌、白色念珠菌和大腸桿菌的抑菌活性，結果顯示化合物7除了對大腸桿菌的活性較弱外(MIC值為32 μM)，對其他菌株的MIC值都在1～8 μg/mL之間。

3.3 抗蟲活性

Choomuenwai等[19]測定了化合物26、27和28對瘧原蟲Plasmodiumfalciparumline (3D7)的活性，結果顯示三個化合物都表現出很好的活性，對3D7的IC50值分別為4.7、1.9和4.5 μM；對抗氯喹的瘧原蟲Plasmodiumfalciparumline(Dd2)的IC50值分別為11.1、2.2和5.2 μM。

4 結語

四氫蒽醌類化合物是蒽醌類化合物中一類重要的微生物代謝產物，在少數植物中也有分布，具有抗腫瘤、抗菌和抗蟲等重要的生物活性。本文共綜述了54個四氫蒽醌類化合物，其中45個來源于微生物，9個來源于植物南山花根中。其中從南山花根中分離到的9個四氫蒽醌類成分均屬于微量成分，因此也有可能是南山花根中內生菌的代謝產物，具體是南山花根的成分還是南山花根中內生菌的代謝產物有待進一步的研究。

四氫蒽醌類化合物是蒽醌類化合物中A環上的雙鍵發生四氫加成之后形成的萘醌駢環己烯結構，從而改變了原有蒽醌類化合物的平面結構，增加了化合物的手性結構，使得化合物與蛋白的靶向結合能力增強，進而提高了四氫蒽醌類化合物的生物活性，尤其是細胞毒活性。在四氫蒽醌類化合物的細胞毒活性研究中發現，四氫蒽醌類化合物的活性明顯強于四氫氧化蒽酚類化合物，即說明9,10-對苯醌結構對于四氫蒽醌類化合物的細胞毒活性具有重要的作用。而A環上的羥基對altersolanol型化合物的細胞毒活性沒有貢獻，因此A環上的羥基可以進行衍生化，為四氫蒽醌類化合物的結構修飾提供了方便；但是當13,14位的雙鍵被氫化后，1-OH羥基就對其細胞毒活性起著關鍵的作用。研究還發現四氫蒽醌C環的5-OH和8-OH對于細胞毒活性起關鍵作用，隨著C環酚羥基數目的減少，細胞毒活性逐漸減弱。因此可在C環上進行一些結構修飾，以提高四氫蒽醌類化合物的細胞毒活性。四氫蒽醌二聚衍生物有aR和aS型，而只有aR型表現出細胞毒活性，因此在研究這類藥物時要將2種手性異構體分開。

四氫蒽醌類化合物是一類非常有潛力的抗腫瘤藥物，其中化合物1對34種人類腫瘤細胞的IC50值在0.001 μg/mL到0.412 μg/mL之間，其平均的IC50為0.005 μg/mL[23]，具有非常好的細胞毒活性?；衔?早在1969年就由Stoessl等[9]發現，但是到目前為止還未成為臨床藥物，而且對其活性的研究也不夠深入，尤其是作用機制研究方面，文獻報道較少。推測可能是因化合物1對正常細胞也有毒殺作用，更有可能是因為四氫蒽醌類化合物的獲得量少，合成難度較大，從而沒有引起人們的重視。

四氫蒽醌類化合物是一類有很大吸引力的抗癌先導化合物，Choomuenwai等[19]在2012年的時候就以化合物27為先導化合物在C環進行結構修飾，得到有11個化合物，但其細胞毒活性并未得到顯著提高。目前對四氫蒽醌類化合物結構修飾的研究還遠遠不夠，根據之前測得的數據可以優先考慮在1,4,5和8-OH處進行結構修飾，對四氫蒽醌類化合物結構修飾是未來四氫蒽醌類化合物的一個重要的研究方向。通過結構修飾與改造，提高四氫蒽醌類化合物的抗腫瘤活性，改善水溶性，增強成藥性，有望篩選出高效的抗腫瘤藥物，將具有良好的市場前景和開發價值。

四氫蒽醌類化合物是一類比較少見的天然結構，以微生物次生代謝產物居多，少量來源于植物，具有細胞毒活性、抗菌活性和抗瘧原蟲等生物活性。本文主要從四氫蒽醌類化合物及其衍生物的結構和生物活性兩方面來對天然四氫蒽醌化合物進行綜述，其中altersolanol A是一個有很大吸引力的抗癌先導化合物。通過對四氫蒽醌類化合物的綜述，為四氫蒽醌類化合物的進一步研究和開發提供依據。