姜黃素類化合物的研究進展

劉宗易，彭明利

(重慶醫科大學感染性疾病分子生物學教育部重點實驗室，重慶醫科大學病毒性肝炎研究所,重慶醫科大學附屬第二醫院感染科，重慶 400010)

姜黃素是一種天然多酚化合物，具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗菌和抗腫瘤等多種生物活性[1-2]。但姜黃素不溶于水(在水中的溶解度僅為11 ng·mL-1，logP為3.85)，在堿性和光照環境下易發生降解[3-4]。此外，姜黃素在體內代謝快，在大鼠體內的半衰期小于30 min，口服后最大血藥濃度也僅為(1.35±0.23)μg·mL-1，生物利用度差，難以投入臨床應用[5-6]。相關學者一直在探索突破姜黃素應用窘境，嘗試通過優化劑型，制成乳劑、脂質體和聚合物膠束等改善藥物溶解性，但這些方法并不能從本質上改善藥物吸收困難的現狀。近年來，結構修飾為這一問題的解決提供了新方向，通過結構修飾優化姜黃素的分子結構、物化性質及藥理活性，將有助于提高姜黃素的生物利用度[7-8]。本文綜述了近5年有關姜黃素類化合物研究進展，試圖為姜黃素研發人員提供參考。

姜黃素的化學結構如圖1所示，由兩個芳香環和一個不飽和連接橋組成，包含多個可進行化學修飾的位點：①苯環羥基(-OH)和甲氧基(-OCH3)的取代與增減；②不飽和二酮結構中4號位活潑亞甲基的修飾；③橋鏈上不飽和二酮鍵的結構修飾；④連接橋碳鏈的延長、縮短與環化；⑤與金屬離子結合成絡合物；⑥與高分子化合物相偶聯制成納米制劑[9-10]。

圖1 姜黃素結構式

1 基于β二羰基的姜黃素類似物

研究表明姜黃素連接橋上4號位的活潑亞甲基的修飾可提高姜黃素在抗炎和抗腫瘤方面的生物活性。譬如姜黃素與芳香醛縮合可合成一系列連接橋4號位被芳香基團取代的姜黃素類似物(見圖2)。將3，4-二羥基苯甲醛和4-羥基-3-甲氧基苯甲醛與姜黃素縮合可分別得到化合物1和化合物2。通過測定化合物對1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的清除活性來評價化合物的抗氧化活性，結果顯示化合物1和2對DPPH(1 mmol·L-1)的清除率分別為92.5%±0.1%和59.1%±0.6%[11]。化合物1較化合物2抗氧化活性更高，與其引入了多個酚羥基從而增加了其抗氧化活性有關。將具有多個甲氧基的姜黃素類似物與芳香醛縮合得到化合物3。在核轉錄因子(NF-κB)易位實驗中，它可以抑制腫瘤壞死因子(TNF-α)對NF-κB的激活[半抑制濃度IC50為(1.0±0.5)mmol·L-1]。最新研究表明，化合物3是一種新型脫泛素酶抑制劑，對19S調節顆粒脫泛素酶具有不可逆抑制作用，導致NF-κB的抑制和促凋亡蛋白(p53)的重新激活，具有很大的抗癌藥物開發潛力[12-13]。通過Mannich 反應可得到化合物4和5。化合物4可抑制人肺癌細胞A549和人肺腺癌細胞H1975生長，IC50分別為0.56 μmol·L-1和0.26 μmol·L-1，而姜黃素的IC50為21.37 μmol·L-1(A549)和25.80 μmol·L-1(H1975)。化合物4也能夠抑制NF-κB的激活(IC50為2.80 μmol·L-1)，較姜黃素有很大提升(IC50為104.10 μmol·L-1)[14]。

圖2 化合物1～5的化學結構

以上構效關系分析發現：芳香環對維持生物活性起到了重要的作用；活性基團修飾姜黃素連接橋上4號位的活潑亞甲基可進一步改善其抗炎和抗腫瘤活性；芳香環上的酚羥基是重要的藥效基團，多個酚羥基取代時可有效地改善其抗氧化活性。

2 單羰基姜黃素類似物

姜黃素的二酮基結構易發生烯醇互變，化學性質不穩定，為了克服上述缺陷研發了多種單羰基姜黃素類似物(見圖3)。化合物6是3個碳原子的連接橋構成的姜黃素類似物，由2-羥基苯乙酮和苯甲酰氯在吡啶存在下經重排反應獲得，較姜黃素對乳腺癌細胞MCF-7具有更強的細胞毒性，IC50為(25.00±3.71)μmol·L-1，而姜黃素為(30.15±2.36)μmol·L-1[15]。相較3個碳連接，5個碳連接的姜黃素類似物具有更好的穩定性和良好的生物活性[16]。體外實驗發現化合物7較姜黃素具有更好的穩定性，可抑制人結腸癌細胞HCT116生長，IC50為3.3 μmol·L-1，姜黃素IC50則大于20 μmol·L-1，體內小鼠結腸癌模型證實化合物7可高效的抑制腫瘤生長[17]。此外，連接橋上成環也有助于姜黃素類似物活性的提升。含有環戊酮結構的化合物8對脂多糖(LPS)誘導的膿毒癥小鼠具有良好的保護作用。它還被用作先導化合物進而設計含有哌啶酮片段的對稱和不對稱烯丙基化姜黃素類似物——化合物9和10，其抗炎活性明顯優于姜黃素，可減少LPS誘導RAW264.7巨噬細胞釋放IL-6和TNF-α水平[18]。由于引入了哌嗪結構片段，可與強酸(如鹽酸)成鹽，增加了化合物9和10的水溶性[18]。化合物11在化合物8的基礎上引入二甲氨基甲基作為一種增強劑用于提高姜黃素類似物的水溶解性和生物活性，它對人胃癌細胞SGC-7901和人結腸癌細胞HCT-116抑制作用明顯，IC50分別為(6.5±1.7)μmol·L-1和(10.9±0.3)μmol·L-1[姜黃素的IC50分別為(29.0±2.6)μmol·L-1和(41.5±3.6)μmol·L-1][19]。

圖3 化合物6～11的化學結構

另外，將不同橋長單羰基姜黃素類似物的一個或兩個苯環用雜環化合物取代也是新藥研發的一個重要方向。用喹啉取代芳香環得到化合物12，它對多種人前列腺癌細胞PC-3、DU145和LNCaP均具有明顯抑制活性，IC50分別為(1.09±0.17)、(1.20±0.01)和(0.98±0.19)μmol·L-1，姜黃素IC50是姜黃素類似物的23、22和14倍[20]。化合物13、14和15是用兩種不同的雜環分子取代芳環得到的不對稱結構的姜黃素類似物(見圖4)。其中化合物13對PC-3、DU145和LNCaP的抑制效力分別是姜黃素的636、219和454倍。化合物14和15顯示出良好的生物利用度，10 mg·kg-1劑量口服給藥，它們的最大血藥濃度Cmax分別為(1 943.8±47.3)和(1 225.1±1.5)ng·mL-1，是姜黃素的3 410和2 150倍(同樣劑量姜黃素口服最大血藥濃度僅為0.57 ng·mL-1)[21-22]。

圖4 化合物12～15的化學結構

以上構效關系分析發現：單羰基姜黃素類似物可有效改善生物活性和生物利用度，可在姜黃素的芳香環上引入烯丙基以增加抗炎活性；在姜黃素類似物的連接橋上成環有助于提高其抗腫瘤活性；哌嗪結構或二甲氨基甲基的引入可提高姜黃素類似物的水溶性；雜環化合物取代姜黃素的芳香環也是合成單羰基姜黃素類似物的一個新方向，可供選擇的雜環化合物有：吡啶、喹啉、咪唑和噻唑等。

3 雜環橋姜黃素類似物

將姜黃素中不穩定的二酮基用五元或六元雜環取代是改善類似物生物活性的新方向，雜環的取代會改變姜黃素結構的剛性和平整度(見圖5)。化合物16和17是基于惡唑酮和咪唑酮構建的姜黃素類似物，研究表明它們可與化療藥物聯用降低抗腫瘤藥的耐藥率。譬如以高耐藥的大腸癌細胞株LS-174T為靶細胞，發現化合物16與化療藥物紫杉醇(PTX)聯用可將PTX的IC50從7.9 nmol·L-1降至3.8 nmol·L-1，化合物17與PTX聯用可使細胞耐藥率從45.7%降至2.5%[23]。化合物18是基于吡唑的姜黃素類似物，可由不同的苯肼與姜黃素在乙醇中環化得到。評估其對細胞的抗增殖能力發現化合物18可有效抑制人宮頸癌細胞HeLa、人乳腺癌細胞MCF-7和人髓性白血病細胞K562增殖[24]。化合物19也是一種吡唑類姜黃素類似物，采用LPS誘導小鼠RAW264.7巨噬細胞模型評價化合物抗炎活性，它的IC50為46.05 μmol·L-1，而姜黃素的IC50為52.51 μmol·L-1[13]。化合物20和21是用三唑環取代二酮基制得的姜黃素類似物，體外細胞毒性實驗表明，化合物20對人神經母細胞瘤細胞SH-SY5Y和人宮頸癌細胞HeLa的IC50分別為(1.7±0.2)和(1.5±0.3)μmol·L-1；化合物21對SH-SY5Y和HeLa的IC50分別為(17.8±7.2)和(36.4±7.2)μmol·L-1，化合物20較化合物21具有更好的抗腫瘤活性[25]。

圖5 化合物16～21的化學結構

以上構效關系分析發現：用雜環化合物取代姜黃素的二酮基可有效提高姜黃素的抗炎和抗腫瘤活性；在不同的雜環化合物取代中，用惡唑環和咪唑環取代可改善化療藥物的耐藥性；用吡唑環取代可提高姜黃素類似物的抗炎活性；用三唑環取代可提高姜黃素類似物的抗腫瘤活性，其中芳環上取代基的不同也會影響化合物的抗腫瘤活性。

4 鹵代姜黃素類似物

研究者嘗試將鹵素原子引入姜黃素用于改善并提高其生物效應，而鹵素原子的取代常發生在姜黃素的芳環或連接橋的4號位的活潑亞甲基。鹵化香蘭素與2,4-戊二酮、硼酸三丁酯、三丁胺和硼酸酐在乙酸乙酯中反應可以得到鹵化姜黃素類似物，例如化合物22和23(見圖6)。化合物22是一種二溴姜黃素類似物，具有抗氧化和細胞毒性特性。化合物23是用三氟甲氧基取代芳環得到的姜黃素類似物，研究證明它可結合阿爾茨海默病的Aβ蛋白[26]。另一種引入鹵素的方法就是在姜黃素連接橋的4號位引入鹵原子，研究證明在這一位置引入氟原子可改善姜黃素類似物的穩定性和溶解性[27]。

圖6 化合物22～25的化學結構

5 金屬離子姜黃素絡合物

姜黃素可以與金屬離子結合成絡合物從而穩定下來，這使金屬離子姜黃素絡合物具有很大的開發潛力。姜黃素與金屬離子絡合后所形成的化合物的溶解性和穩定性均優于姜黃素，在抗炎和抗腫瘤方面有很大的潛力[28]。姜黃素可與多種二價或三價的金屬離子例如Zn2+、Cu2+、Mn2+、Al3+和Fe3+等發生反應生成金屬螯合物。有文獻報道用鋅離子與姜黃素絡合制成金屬絡合物在細胞和器官中毒性低，穩定性好，在24、48和96 h后絡合物的分子結構和最大吸收波長沒有明顯變化[29]。此外，鋅離子姜黃素絡合物的離子特性可以增加其水溶性[29]。文獻報道了一種用bpy-9或1,10-菲啰啉通過ZnCl2制備鋅離子-姜黃素絡合物的合成方法(見圖7)，化合物26和27的IC50分別為11.79 μmol·L-1和6.84 μmol·L-1。該法合成路線簡單，反應條件溫和，具有一定的開發價值[29-30]。

圖7 兩種金屬離子姜黃素絡合物的合成路線

6 姜黃素-活性分子偶聯化合物

通過共價鍵將活性化合物與姜黃素偶聯制備新型化合物是開發新藥的有效策略，這種結合可能產生比母體更具活性的小分子藥物并改善母體的應用缺陷，比如高耐藥性、毒副作用大或生物利用度低等。磺胺類抗菌藥是一種常見的抗菌藥物，但長時間使用會產生耐藥性。將磺胺類化合物與姜黃素偶聯，將有望開發低耐藥性的新型抗菌藥物(化合物28和29，見圖8)[31]。褪黑素是具有多種生物活性的雜環化合物，可用于治療神經系統疾病，但長期使用副作用大。研究表明褪黑素-姜黃素化合物(化合物30)可在改善副作用的基礎上具有一定的神經保護作用[32]。蓽茇酰胺是一種具有抗菌、抗炎和抗腫瘤活性的生物堿。蓽茇酰胺的化學結構含有亞胺基團，將其引入姜黃素制備化合物31可消除姜黃素中活性亞甲基的不穩定性并提高溶解度，在改善其生物利用度的同時仍具有出色的抗炎活性[33]。

圖8 化合物28～31的化學結構

7 總結與展望

本文總結了近年來有關姜黃素結構修飾和改造的多種可行方法，但大多研究停留在體內外的生物活性檢測，缺乏藥代動力學、藥效學的深入研究，無法進一步評估其臨床價值。我們課題組正從優化姜黃素分子結構入手，嘗試使用小分子多臂聚乙二醇修飾姜黃素，在改善姜黃素生物利用度的同時提高載藥量。后續將深入開展藥代藥效學研究，推進新型姜黃素類化合物的轉化應用。