姜黄素类化合物的研究进展

刘宗易，彭明利

(重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室，重庆医科大学病毒性肝炎研究所,重庆医科大学附属第二医院感染科，重庆 400010)

姜黄素是一种天然多酚化合物，具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗菌和抗肿瘤等多种生物活性[1-2]。但姜黄素不溶于水(在水中的溶解度仅为11 ng·mL-1，logP为3.85)，在碱性和光照环境下易发生降解[3-4]。此外，姜黄素在体内代谢快，在大鼠体内的半衰期小于30 min，口服后最大血药浓度也仅为(1.35±0.23)μg·mL-1，生物利用度差，难以投入临床应用[5-6]。相关学者一直在探索突破姜黄素应用窘境，尝试通过优化剂型，制成乳剂、脂质体和聚合物胶束等改善药物溶解性，但这些方法并不能从本质上改善药物吸收困难的现状。近年来，结构修饰为这一问题的解决提供了新方向，通过结构修饰优化姜黄素的分子结构、物化性质及药理活性，将有助于提高姜黄素的生物利用度[7-8]。本文综述了近5年有关姜黄素类化合物研究进展，试图为姜黄素研发人员提供参考。

姜黄素的化学结构如图1所示，由两个芳香环和一个不饱和连接桥组成，包含多个可进行化学修饰的位点：①苯环羟基(-OH)和甲氧基(-OCH3)的取代与增减；
②不饱和二酮结构中4号位活泼亚甲基的修饰；
③桥链上不饱和二酮键的结构修饰；
④连接桥碳链的延长、缩短与环化；
⑤与金属离子结合成络合物；
⑥与高分子化合物相偶联制成纳米制剂[9-10]。

图1 姜黄素结构式

研究表明姜黄素连接桥上4号位的活泼亚甲基的修饰可提高姜黄素在抗炎和抗肿瘤方面的生物活性。譬如姜黄素与芳香醛缩合可合成一系列连接桥4号位被芳香基团取代的姜黄素类似物(见图2)。将3，4-二羟基苯甲醛和4-羟基-3-甲氧基苯甲醛与姜黄素缩合可分别得到化合物1和化合物2。通过测定化合物对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的清除活性来评价化合物的抗氧化活性，结果显示化合物1和2对DPPH(1 mmol·L-1)的清除率分别为92.5%±0.1%和59.1%±0.6%[11]。化合物1较化合物2抗氧化活性更高，与其引入了多个酚羟基从而增加了其抗氧化活性有关。将具有多个甲氧基的姜黄素类似物与芳香醛缩合得到化合物3。在核转录因子(NF-κB)易位实验中，它可以抑制肿瘤坏死因子(TNF-α)对NF-κB的激活[半抑制浓度IC50为(1.0±0.5)mmol·L-1]。最新研究表明，化合物3是一种新型脱泛素酶抑制剂，对19S调节颗粒脱泛素酶具有不可逆抑制作用，导致NF-κB的抑制和促凋亡蛋白(p53)的重新激活，具有很大的抗癌药物开发潜力[12-13]。通过Mannich 反应可得到化合物4和5。化合物4可抑制人肺癌细胞A549和人肺腺癌细胞H1975生长，IC50分别为0.56 μmol·L-1和0.26 μmol·L-1，而姜黄素的IC50为21.37 μmol·L-1(A549)和25.80 μmol·L-1(H1975)。化合物4也能够抑制NF-κB的激活(IC50为2.80 μmol·L-1)，较姜黄素有很大提升(IC50为104.10 μmol·L-1)[14]。

图2 化合物1～5的化学结构

以上构效关系分析发现：芳香环对维持生物活性起到了重要的作用；
活性基团修饰姜黄素连接桥上4号位的活泼亚甲基可进一步改善其抗炎和抗肿瘤活性；
芳香环上的酚羟基是重要的药效基团，多个酚羟基取代时可有效地改善其抗氧化活性。

姜黄素的二酮基结构易发生烯醇互变，化学性质不稳定，为了克服上述缺陷研发了多种单羰基姜黄素类似物(见图3)。化合物6是3个碳原子的连接桥构成的姜黄素类似物，由2-羟基苯乙酮和苯甲酰氯在吡啶存在下经重排反应获得，较姜黄素对乳腺癌细胞MCF-7具有更强的细胞毒性，IC50为(25.00±3.71)μmol·L-1，而姜黄素为(30.15±2.36)μmol·L-1[15]。相较3个碳连接，5个碳连接的姜黄素类似物具有更好的稳定性和良好的生物活性[16]。体外实验发现化合物7较姜黄素具有更好的稳定性，可抑制人结肠癌细胞HCT116生长，IC50为3.3 μmol·L-1，姜黄素IC50则大于20 μmol·L-1，体内小鼠结肠癌模型证实化合物7可高效的抑制肿瘤生长[17]。此外，连接桥上成环也有助于姜黄素类似物活性的提升。含有环戊酮结构的化合物8对脂多糖(LPS)诱导的脓毒症小鼠具有良好的保护作用。它还被用作先导化合物进而设计含有哌啶酮片段的对称和不对称烯丙基化姜黄素类似物——化合物9和10，其抗炎活性明显优于姜黄素，可减少LPS诱导RAW264.7巨噬细胞释放IL-6和TNF-α水平[18]。由于引入了哌嗪结构片段，可与强酸(如盐酸)成盐，增加了化合物9和10的水溶性[18]。化合物11在化合物8的基础上引入二甲氨基甲基作为一种增强剂用于提高姜黄素类似物的水溶解性和生物活性，它对人胃癌细胞SGC-7901和人结肠癌细胞HCT-116抑制作用明显，IC50分别为(6.5±1.7)μmol·L-1和(10.9±0.3)μmol·L-1[姜黄素的IC50分别为(29.0±2.6)μmol·L-1和(41.5±3.6)μmol·L-1][19]。

图3 化合物6～11的化学结构

另外，将不同桥长单羰基姜黄素类似物的一个或两个苯环用杂环化合物取代也是新药研发的一个重要方向。用喹啉取代芳香环得到化合物12，它对多种人前列腺癌细胞PC-3、DU145和LNCaP均具有明显抑制活性，IC50分别为(1.09±0.17)、(1.20±0.01)和(0.98±0.19)μmol·L-1，姜黄素IC50是姜黄素类似物的23、22和14倍[20]。化合物13、14和15是用两种不同的杂环分子取代芳环得到的不对称结构的姜黄素类似物(见图4)。其中化合物13对PC-3、DU145和LNCaP的抑制效力分别是姜黄素的636、219和454倍。化合物14和15显示出良好的生物利用度，10 mg·kg-1剂量口服给药，它们的最大血药浓度Cmax分别为(1 943.8±47.3)和(1 225.1±1.5)ng·mL-1，是姜黄素的3 410和2 150倍(同样剂量姜黄素口服最大血药浓度仅为0.57 ng·mL-1)[21-22]。

图4 化合物12～15的化学结构

以上构效关系分析发现：单羰基姜黄素类似物可有效改善生物活性和生物利用度，可在姜黄素的芳香环上引入烯丙基以增加抗炎活性；
在姜黄素类似物的连接桥上成环有助于提高其抗肿瘤活性；
哌嗪结构或二甲氨基甲基的引入可提高姜黄素类似物的水溶性；
杂环化合物取代姜黄素的芳香环也是合成单羰基姜黄素类似物的一个新方向，可供选择的杂环化合物有：吡啶、喹啉、咪唑和噻唑等。

将姜黄素中不稳定的二酮基用五元或六元杂环取代是改善类似物生物活性的新方向，杂环的取代会改变姜黄素结构的刚性和平整度(见图5)。化合物16和17是基于恶唑酮和咪唑酮构建的姜黄素类似物，研究表明它们可与化疗药物联用降低抗肿瘤药的耐药率。譬如以高耐药的大肠癌细胞株LS-174T为靶细胞，发现化合物16与化疗药物紫杉醇(PTX)联用可将PTX的IC50从7.9 nmol·L-1降至3.8 nmol·L-1，化合物17与PTX联用可使细胞耐药率从45.7%降至2.5%[23]。化合物18是基于吡唑的姜黄素类似物，可由不同的苯肼与姜黄素在乙醇中环化得到。评估其对细胞的抗增殖能力发现化合物18可有效抑制人宫颈癌细胞HeLa、人乳腺癌细胞MCF-7和人髓性白血病细胞K562增殖[24]。化合物19也是一种吡唑类姜黄素类似物，采用LPS诱导小鼠RAW264.7巨噬细胞模型评价化合物抗炎活性，它的IC50为46.05 μmol·L-1，而姜黄素的IC50为52.51 μmol·L-1[13]。化合物20和21是用三唑环取代二酮基制得的姜黄素类似物，体外细胞毒性实验表明，化合物20对人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y和人宫颈癌细胞HeLa的IC50分别为(1.7±0.2)和(1.5±0.3)μmol·L-1；
化合物21对SH-SY5Y和HeLa的IC50分别为(17.8±7.2)和(36.4±7.2)μmol·L-1，化合物20较化合物21具有更好的抗肿瘤活性[25]。

图5 化合物16～21的化学结构

以上构效关系分析发现：用杂环化合物取代姜黄素的二酮基可有效提高姜黄素的抗炎和抗肿瘤活性；
在不同的杂环化合物取代中，用恶唑环和咪唑环取代可改善化疗药物的耐药性；
用吡唑环取代可提高姜黄素类似物的抗炎活性；
用三唑环取代可提高姜黄素类似物的抗肿瘤活性，其中芳环上取代基的不同也会影响化合物的抗肿瘤活性。

研究者尝试将卤素原子引入姜黄素用于改善并提高其生物效应，而卤素原子的取代常发生在姜黄素的芳环或连接桥的4号位的活泼亚甲基。卤化香兰素与2,4-戊二酮、硼酸三丁酯、三丁胺和硼酸酐在乙酸乙酯中反应可以得到卤化姜黄素类似物，例如化合物22和23(见图6)。化合物22是一种二溴姜黄素类似物，具有抗氧化和细胞毒性特性。化合物23是用三氟甲氧基取代芳环得到的姜黄素类似物，研究证明它可结合阿尔茨海默病的Aβ蛋白[26]。另一种引入卤素的方法就是在姜黄素连接桥的4号位引入卤原子，研究证明在这一位置引入氟原子可改善姜黄素类似物的稳定性和溶解性[27]。

图6 化合物22～25的化学结构

姜黄素可以与金属离子结合成络合物从而稳定下来，这使金属离子姜黄素络合物具有很大的开发潜力。姜黄素与金属离子络合后所形成的化合物的溶解性和稳定性均优于姜黄素，在抗炎和抗肿瘤方面有很大的潜力[28]。姜黄素可与多种二价或三价的金属离子例如Zn2+、Cu2+、Mn2+、Al3+和Fe3+等发生反应生成金属螯合物。有文献报道用锌离子与姜黄素络合制成金属络合物在细胞和器官中毒性低，稳定性好，在24、48和96 h后络合物的分子结构和最大吸收波长没有明显变化[29]。此外，锌离子姜黄素络合物的离子特性可以增加其水溶性[29]。文献报道了一种用bpy-9或1,10-菲啰啉通过ZnCl2制备锌离子-姜黄素络合物的合成方法(见图7)，化合物26和27的IC50分别为11.79 μmol·L-1和6.84 μmol·L-1。该法合成路线简单，反应条件温和，具有一定的开发价值[29-30]。

图7 两种金属离子姜黄素络合物的合成路线

通过共价键将活性化合物与姜黄素偶联制备新型化合物是开发新药的有效策略，这种结合可能产生比母体更具活性的小分子药物并改善母体的应用缺陷，比如高耐药性、毒副作用大或生物利用度低等。磺胺类抗菌药是一种常见的抗菌药物，但长时间使用会产生耐药性。将磺胺类化合物与姜黄素偶联，将有望开发低耐药性的新型抗菌药物(化合物28和29，见图8)[31]。褪黑素是具有多种生物活性的杂环化合物，可用于治疗神经系统疾病，但长期使用副作用大。研究表明褪黑素-姜黄素化合物(化合物30)可在改善副作用的基础上具有一定的神经保护作用[32]。荜茇酰胺是一种具有抗菌、抗炎和抗肿瘤活性的生物碱。荜茇酰胺的化学结构含有亚胺基团，将其引入姜黄素制备化合物31可消除姜黄素中活性亚甲基的不稳定性并提高溶解度，在改善其生物利用度的同时仍具有出色的抗炎活性[33]。

图8 化合物28～31的化学结构

本文总结了近年来有关姜黄素结构修饰和改造的多种可行方法，但大多研究停留在体内外的生物活性检测，缺乏药代动力学、药效学的深入研究，无法进一步评估其临床价值。我们课题组正从优化姜黄素分子结构入手，尝试使用小分子多臂聚乙二醇修饰姜黄素，在改善姜黄素生物利用度的同时提高载药量。后续将深入开展药代药效学研究，推进新型姜黄素类化合物的转化应用。