姜黄素衍生物的合成方法研究进展

仲 华,张卓尔,金永生

(第二军医大学药学院有机化学教研室，上海 200433)

姜黄素是广泛存在于姜科和天南星科植物根茎中具有二酮结构的色素，毒性很低，是东南亚地区居民常食用的调味剂咖喱中的一种主要色素成分，同时也是食品加工常用的着色剂。流行病学研究发现，常食用咖喱的地区人群结肠癌的发病率很低，引起了人们对姜黄素的研究兴趣。进一步研究发现，姜黄素具有抗肿瘤、抗炎和抗氧化活性[1-3]，其治疗糖尿病以及抗微生物的作用也有文献报道[4，5]。姜黄素广泛的药理活性及保健作用预示着良好的市场前景，但其结构不稳定且溶解度低，导致吸收困难、生物利用度低，限制了姜黄素的临床应用。长期以来，人们主要通过两种途径对姜黄素的溶解性和稳定性进行改造，一种是通过药剂学方法提高其生物利用度，改善药动学特性；另一种是通过化学方法对姜黄素的结构进行修饰，不仅从根本上改变了其药动学特性，并且能够改变其生物活性，得到一系列具有开发价值的新型先导化合物。有关化学合成方面，近年来针对解决姜黄素吸收、利用问题开展了大量的研究工作，大致可分为两类：第一类为研究并合成姜黄素的类似物，通过改变姜黄素化学结构以改善其稳定性、溶解度、选择性以及部分生物活性，从而达到提高生物利用度和改善药理活性的目的；另一类则保留了姜黄素原有结构，将其与金属离子或生物小分子等其他物质结合，从而使衍生物具有所结合物质的某些性质，从而达到改善溶解度、稳定性以及提高药效等目的。本文主要对上述两类姜黄素结构改造的方法进行总结概述。

1 合成姜黄素类似物

以姜黄素为先导化合物的结构改造、新药筛选等方面的研究工作开展得已经十分全面，研究内容包括姜黄素分子中苯环上的取代基、中间连接链长短、β-二酮中羰基的等电子体取代、杂环取代物、分子不对称性以及中间亚甲基的亲电取代等(见图1)。其中以对β-二酮的结构改造最为多见，这类研究大多基于构效关系分析，对姜黄素结构进行多方位的改造和修饰，以寻求药效更好的姜黄素类似物。除此之外，尚有少量研究将姜黄素改造成酸或酯，以改善其溶解度和稳定性。

图1 姜黄素的化学结构及其可修饰的部位

1.1 对β-二酮结构的改造 姜黄素的双羰基结构容易发生互变异构而转变成烯醇式结构，这是导致姜黄素结构不稳定以及生物利用度低的主要原因。因此，大部分关于姜黄素碳链上的结构改造是以双羰基的结构改造为基础，常见的改造方法是将双羰基结构改造成单羰基，从而破坏其共轭体系，增加稳定性，并在此基础上对碳链做进一步的结构改造。近年来，有关此种结构改造有大量的研究和文献报道[6-8]。

目前比较热门的改造思路是把姜黄素的双羰基结构改造成五元氮杂环，以达到改善其水溶性的目的[9]。在此基础上改变苯环上的取代基，或者在杂环或碳链上添加取代基，最终得到一系列结构新颖的姜黄素类似物。Caldarelli等[10]根据该思路进行了最基础的合成，得到了带有吡唑环的姜黄素类似物(见图2A)。他们仅通过改变两侧苯环上羟基和甲氧基的位置，获得了一系列结构非对称的姜黄素类似物，并测定其体外活性，发现苯环取代基排布与姜黄素一致的类似物活性最高，有望成为先导化合物。几乎在同一时间，Chakraborti等[11]不仅合成了带有吡唑环的姜黄素类似物，还合成了带有异唑环的化合物(见图2B)。由于结构相似，这两类化合物在生物活性方面表现极为一致。在非还原条件下，它们能够稳定存在于人体pH环境中，分子建模表明，它们的作用机制与姜黄素相同，即与微管蛋白的同一个结合位点结合，但表现出比姜黄素更强的自由基清除活性。在此基础上，吴孟强等[9]进一步在吡唑环上引入溴原子和烯丙基，创新性地利用丁二酰亚胺与吡唑环，以亲电取代的方式取代了吡唑环上的氢原子，合成了新的姜黄素衍生物(见图2C)，反应较快，产率达82.1%，但该化合物的活性未见报道。

对双羰基结构的改造，除了改造成五元氮杂环，比较自然的联想是还可以改造成六元氮杂环。事实上有关六元杂环的改造比五元杂环的改造开始得更早，研究得也比较全面，但近年来有关六元杂环的改造报道很少。Kálai等[12]将双羰基结构改造成哌啶酮结构，在氮原子和两侧的苯环上连接取代基，得到了一系列姜黄素类似物(见图2D)，并测试了这些化合物的抗肿瘤活性。结果表明，合成的这些化合物能够显著降低人肿瘤细胞株A2780、MCF-7和H9c2的活性，且绝大部分化合物毒性很低。Park等[13]对双羰基进行了更加复杂的结构改造，通过曼尼希(Mannich)缩聚反应将姜黄素改造成氮杂双环结构，即7-甲基-2,4 -二芳基-3-氮杂双环[3.3.1]壬烷-9-酮系列的3类结构类似的化合物，以硅胶负荷多聚磷酸(PPA·SiO2)为非均相质子酸催化剂，得到单一异构体。此类姜黄素类似物中有部分化合物具有药理活性，其中以7-甲基-2,4-双(3-甲氧基-4-羟苯基)-3-氮杂双环[3.3.1]壬烷-9-酮(见图2E)的抗氧化活性最为理想。体内实验证明其对小鼠腹腔RAW264.7巨噬细胞系的活性氧(reactive oxygen species,ROS)有较好的抑制作用，且在100 μmol/L时无毒性。

另外,对β-二酮结构进行改造还有许多其他思路。如Sundarananthavalli等[14]在乙醇存在的条件下，将姜黄素与2-氨基苯硫酚加热至70 ℃进行反应，得到1,7-双(4-羟基-3-甲氧苯基)-1,3,6-庚三烯-3-羟基-5-亚甲基-2-苯硫酚(见图2F)。研究表明，与喷他佐辛、双氯芬酸钠和雷尼替丁比较，该化合物具有良好的镇痛、抗炎、抗溃疡以及伤口愈合作用，同时对细菌生长有一定抑制作用。

图2 部分姜黄素衍生物的化学结构

1.2 保留β-二酮结构的改造 姜黄素分子具有独特的哑铃型结构，两个苯环位于分子两端，与中间的β-二酮结构形成大的共轭体系。其中双键位置具有较大的可变性，从而使得姜黄素分子构型有很大的变化空间，使其易与不同的蛋白质位点结合。苯环结构对姜黄素的活性有重要作用，对苯环结构的改造大部分只限于苯环上的取代基，而苯环结构则通常被保留下来[15]。Kim等[16]设计合成了6种含有不同苯环取代基的姜黄素类似物，并对苯环取代基与抗菌活性之间的构效关系进行研究。研究发现，姜黄素类似物的抗菌活性显著依赖于芳香族羟基基团，骨架上含有一个额外的芳香族羟基基团的羟基化姜黄素对6种病原菌均表现出抑制作用，甚至对耐氨苄西林的阴沟肠杆菌同样有效。

Khan等[17]设计合成了一系列用芳环或杂环芳香基团代替苯环的姜黄素类化合物，并用雌性Wistar大鼠进行体内抗炎实验。结果表明，用双-二甲氧基丁烯酸内酯-(抗坏血酸)、双-萘基以及双-呋喃基取代姜黄素的双-甲氧苯基得到的化合物均具有良好的抗关节炎效果，且对胃及全身毒性较小。其中含有呋喃环的姜黄素类似物(RK106)还具有体外阻断单核细胞系THP-1中TNF-α和IL-1β表达的作用。

另外，有文献报道，将以上两种结构改造方法交叉利用，也能达到很好的效果。例如，在将姜黄素的双羰基结构改造成单羰基的基础上，再对苯环的结构进一步改造。Woo等[18]利用醛醇缩合反应将(E)-4-(4-羟基-3-甲氧苯基)丁-3-烯-2-酮(见图2G)或(E)-4-(3-羟基-4-甲氧苯基)丁-3-烯-2-酮(见图2H)与苯并咪唑基-2-甲醛类物质进行缩合，对合成的姜黄素类似物(见图2I)进行细胞毒理活性测试表明，化合物14c对SH-SY5Y和Hep-G2肿瘤细胞有较强的抑制作用，而化合物15h则对MCF-7肿瘤细胞有较强的抑制作用。

1.3 改造成酸或酯 将目标化合物加工成羧酸或者酯，能够增大化合物的极性，增加其在水溶液中的溶解度及稳定性，这是一种经典的改善化合物理化性质的方法，但近两年有关姜黄素结构改造的研究报道中罕见此类文献。Ferrari等[19]将姜黄素苯环及碳链上引入简单的乙酰基，得到的产物对人卵巢癌细胞和结肠癌细胞有一定的毒性作用。研究人员根据酸度、亲脂性、动力学稳定性和自由基清除活性等理化性质，对此类化合物的构效关系进行了研究。结果，发现大部分酯类衍生物的IC50值都低于姜黄素，并且对结肠癌细胞有选择性抑制作用。研究还发现，将肿瘤细胞株暴露于此类化合物24 h后，细胞生长能力得到进一步抑制。酯类衍生物具有上述优良性质的原因，可能是由于其良好的亲油性促进了细胞对姜黄素的吸收。

2 与其他物质结合

2.1 形成配合物 将姜黄素改造成配合物的文献报道并不多见，Ali等[20]利用对羟基苯甲醛与4-羟基-3,5-二甲氧基苯甲醛进行克内文纳格尔(Knoevenagel)缩合反应，得到的产物再与氨基脲作用，生成含有姜黄素结构的配体。将这些配体与三价钌离子络合形成八面体复合物。此类复合物对宫颈癌细胞株(海拉细胞)表现出良好的抑制活性，对肝癌、乳腺癌和人结肠腺癌细胞株也有一定抗性。溶血实验表明，该类复合物的毒性低于抗癌药物来曲唑，有望成为治疗宫颈癌的新选择。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)等作为中心离子构建配位化合物。结果表明，化合物1与化合物2～4相比，具有更高程度的与DNA的交互作用，推测其原因可能是由于化合物1配体上存在芳香环。化合物1表现出显著的对环状质粒pUC18的氧化切割效应。光谱和电化学反应实验还证明，以Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)为中心离子的配合物呈平面方形，而以Mn(Ⅱ)为中心离子的配合体呈八面体形，前者的相互作用效果较好。

2.2 与其他活性物质结合 该方法的基本思路是，将其他具有抗肿瘤、抗氧化等药理活性的成分与姜黄素或其类似物进行结合，使所得到的新化合物能够同时具备两种化合物的特定活性，实现性质互补，以期达到加强作用效果和改善生物利用度的目的。白藜芦醇是具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎等药理活性的天然植物成分，Ruan等[22]将其衍生物与姜黄素结合，并测试所得产物的抗肿瘤细胞系增殖活性。在得到的所有化合物中，化合物C5(见图2J)对小鼠黑素瘤细胞的体外抗增殖活性最强，IC50值为0.71 μg/ml。此类化合物具有良好的抑制微管蛋白作用，从而抑制了肿瘤细胞的有丝分裂，发挥抗肿瘤作用。

3 总结和展望

姜黄素对许多常见疾病有一定的疗效，具有很高的药用价值，受到广泛关注。研究者通过对姜黄素进行结构改造提高其稳定性、溶解性、选择性以及对致病因子的抗性。如前所述，对姜黄素的结构改造方法大致有两种。第一种方法能有效提高姜黄素的稳定性及选择性，所得衍生物对特定肿瘤细胞的抑制作用明显增强，且毒性较低。第二种方法能大大提高细胞对姜黄素的吸收，提高其生物利用度，同时具有缓释特性，为姜黄素的临床药用研究提供了依据。姜黄素是一种极具研究价值的抗肿瘤、抗氧化活性成分，但要使其真正进入临床为医疗事业服务，还需要深入探索。最近，有研究报道了另一种与姜黄素同样具有PKCδ阻断剂作用的物质——楸毒素(rottlerin)。它也是一种天然植物中的多酚类物质，表现出抗炎、抗氧化活性，与姜黄素有相似的作用，同时又有其独特的性质。通过更加深入的研究，楸毒素与姜黄素一样有望成为治疗多种人类疾病的有力武器[23]。研究者不仅要关注对姜黄素的结构改造，更应该着眼于与姜黄素有类似活性的其他植物成分，拓宽研究思路，从中获得启发，为抗炎、抗氧化、抗肿瘤治疗开发出更加有效的药物。

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