中药单体成分川芎嗪的药用专利分析

曹寅秋，洪梦实

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160)

川芎嗪是从中药川芎中分离得到的一种生物碱，其化学名称为2,3,5,6-四甲基吡嗪，现代研究发现其具有抗血栓、抗炎、神经保护、抗肿瘤、镇痛等药理活性[1]，是广受关注的中药单体成分。本文对川芎嗪国内专利申请进行梳理，分析其专利申请总体情况，以期为川芎嗪的后续研究、开发提供思路。

1 研究方法

在中外专利数据库(CNABS、CNTXT、VEN)以关键词川芎嗪(包括中英文扩展)对已公开专利进行检索，并在STN数据库进行结构检索，二者结果合并、去重，并人工剔除与药用无关的专利。数据采集时间截至2020年5月。

2 专利分析

2.1 申请概况

检索到全球涉及川芎嗪的药用专利申请共计356件(部分专利涉及川芎嗪作为香味物质、饮片或药物中质控物质等未实际涉及药物用途应用，已排除)，如图2所示：2002年以前申请量极少，2002年以后申请量大幅增加，其中来自中国的专利申请占据全部专利申请量的93%，体现川芎嗪作为中药单体化合物、主要在我国受到关注和研究。来自其他国家和地区的专利申请数量寥寥，这些专利主要来自中国台湾地区以及美国。

图2 历年川芎嗪药用专利申请量

通过统计发现，涉及川芎嗪的专利申请的主题主要包括制药用途、组合物、制剂和衍生物等四类，如图3所示，其中组合物主题的专利申请量最多，常年持续保持较高占比，而衍生物主题的专利申请在2010年后，也就是近10年以来数量大幅增加，体现了研究重点倾向性的改变。而2017年以后的申请文件还存在尚未公开的情况，因此2017年之后显现出申请量大幅下降的情况。

图3 各主题历年申请量占比

申请人方面，如图4所示：横坐标表示专利申请的主题，纵坐标表示申请人类型，可以看出，川芎嗪不同的主题专利申请在申请人分布上有较大区别。组合物专利申请整体数量最大，其中大部分来自企业，与企业以产品为主导的实际情况相符；科研单位和机关团体主要包括研究所、医院等，最重视川芎新用途的拓展；衍生物的研究偏重于化学研究，且往往要配合药理实验验证产物活性，需要申请人具备较强的科研实力，因此往往由高校和企业完成。

图4 川芎嗪各类主题专利申请的申请人类型分布

同时，笔者发现，就全部川芎嗪药用专利申请而言，同一申请人往往会选择1-2个主题作为研究重点，例如仅关注衍生物，或同时关注组合物和制剂，但缺乏在各主题类型同时存在研究的申请人。并且组合物主题的专利申请人虽然数量多，但似乎并没有一家企业集中、大批量提交专利申请。相反地，在衍生物主题方面，可以发现山东大学、北京理工大学、南京中医药大学等高校，广州喜鹊医药有限公司、薪火炙药(北京)科技有限公司、武汉朗来科技发展公司与武汉启瑞药业有限公司，以及思路迪(北京)医药科技有限公司等新兴中小型药企存在数量较高的专利申请，其中山东大学以10篇专利申请名列前茅。值得注意的是，上述企业申请人也就川芎嗪衍生物主题提交了多项PCT申请，积极拓展海外专利布局。

鉴于川芎嗪各主题专利申请的数量、申请人等方面差异较大，且衍生物主题的专利申请增长令人瞩目，以下将对不同主题专利申请作进一步分析。

2.2 川芎嗪制药用途、组合物、制剂专利情况

早在1977年，我国学者就从川芎中提取出川芎嗪单体并实现人工合成[2]，自此对川芎嗪的药理活性展开广泛研究。鉴于药理活性多已见诸期刊、论文等文献，以川芎嗪单体化合物制药用途为主题的专利申请数量较少，涉及的活性也与其主要活性相差较远，包括诱导骨髓间质细胞分化、治疗阴茎勃起功能障碍、逆转唑类药物抗真菌多药耐药等相对分散的药理活性。

从前面图3可见，相对而言，涉及川芎嗪组合物的专利数量在全部川芎嗪主题的专利申请中占比最多，在这些专利申请中川芎嗪与种类繁多的组分相组合，包括中药单体成分、中药提取物、化药以及混合物(同时包括化药与中药单体成分或中药提取物)，体现了川芎嗪既作为已知指标性成分用于中药物质基础研究，也作为独立且成熟的活性成分与化药组成复方使用的研究现状。

图5显示了川芎嗪与各类成分组合出现的比例情况，其中在与中药单体成分的组合中，与酚酸类成分，包括丹参素、丹酚酸类、阿魏酸、白藜芦醇等的组合较多，另外在与中药提取物的组合中，与以丹酚酸、丹参素为主要活性成分的丹参提取物的组合也占据三分之一左右的比重。组合物涉及的用途则以心脑血管疾病为最常见的用途，图6可直观反映出上述情况，其它数量较多的用途还包括代谢病，其属于心脑血管常见诱发疾病，以及抗炎、抗肿瘤、神经保护等与川芎嗪本身药理活性相符的用途。

图5 组合物主题专利中组分类型占比

图6 组合物主题专利中涉及用途占比

图7 制剂主题专利类型占比

最后，如前面图3所示，以川芎嗪制备不同制剂形式的专利申请占比不大，这些专利申请涉及的剂型也较为分散，主要包括经皮给药、注射给药、缓控释制剂和其它一般制剂形式，如图7所示，可以看出，针对川芎嗪的制剂专利中缓控释制剂占比较高，这与川芎嗪已作为药物上市使用、一般性剂型多被使用公开有一定关系，也表明对其的制剂研究已进入应用相对复杂剂型的阶段。另外，注射剂型占比较高，推测是由于川芎嗪主要药理活性为心脑血管活性，相应疾病的用药形式主要包括注射剂，且中药注射剂的安全性广受关注，因此申请人重视对注射剂型的改进。

2.3 川芎嗪衍生物专利情况

从前面图3可以发现，在以川芎嗪为主题的专利申请中，川芎嗪衍生物主题的申请在近十年中占比大幅增加，已经赶上甚至有超过组合物主题占比的态势。这与川芎嗪自身的代谢半衰期短的性质有重要关系，川芎嗪虽然具有多种药理活性，但其侧链中的甲基极易被氧化代谢，生成极性大、水溶性高的物质而排出，体内半衰期不足一小时[3]，实际生物利用度较低。因此，我国学者一直关注对川芎嗪的结构改造，以期获得生物利用度提高、活性效果更高的衍生物。

既往研究[4-5]表明，川芎嗪的吡嗪环是发挥其药理作用的关键基团，因而川芎嗪结构修饰的位置主要集中于侧链基团，也即吡嗪环上的甲基。通过分析发现，在涉及川芎嗪衍生物的专利申请中，衍生物结构可划分为四个大类型：侧链直接修饰：即对甲基进行常规基团修饰或替换，如酯、醚、酰胺等；与已知天然产物或化学药物成分的拼合物；成盐/晶体/共晶：通常是因川芎嗪自身的碱性与另一种酸性物质通过酸碱反应成盐、进而结晶或形成共晶；高分子/聚合物：与聚乙二醇、蛋白类材料通过共轭、接枝等方式形成的物质。

上述种类中，与已知成分的拼合物是基于药物化学中的拼合原理而得，即将两种具有生物活性的化合物通过共价键连接起来，进入体内分解成两个有效成分，以期获得二者作用联合的理化效应，或减小两种药物各自具有的毒副作用。笔者发现，专利中涉及的川芎嗪拼合物又可具体划分为两个类别，即与其它天然小分子化合物拼合，以及与化学药物拼合，这两类拼合物虽然都依据拼合原理，但拼合的出发点却有很大不同：与天然小分子化合物拼合，主要是包括与小分子酚酸、五环三萜的拼合，往往受到中药基础研究以及组方用药的启示，与图5所示川芎嗪常与酚酸类中药单体成分相组合的实际情况相符，这些物质与川芎嗪本来就分别属于常见药对及复方中的已知活性成分，它们的拼合是应用现代药物研究思路和技术，对中药药效基础、组方依据的一种探索性研究。而川芎嗪与化学药物拼合，则完全是以现代药物化学的研究思维，在化学药物原有药理活性基础上利用川芎嗪已知的扩血管、抗肿瘤的已知活性，来增强化学药原本的扩血管、抗肿瘤效果，或减轻、代偿化学药物的心血管副作用。图8反映了各种类型衍生物的历年申请量情况，气泡大小代表申请数量的多少。可以看出：最早出现的衍生物类专利申请是川芎嗪盐/晶体/共晶类物质，相对而言，成盐反应也是各类衍生物中涉及的化学反应最简单的，且历年来仍有专利申请不断出现，尽管数量不多，但该类物质的研究显然还在持续进行。侧链修饰类衍生物继盐/晶体/共晶类物质随后出现，且历年申请量最为平稳，说明川芎嗪侧链修饰是长期以来的研究重点。拼合类衍生物出现较晚，但近十年以来发展较快，专利申请数量较多，尤其与天然成分拼合的衍生物在2010年、2016年左右出现了两个申请量高峰，而与化学药物拼合的专利申请虽然出现最晚、数量也较少，但却在近几年内集中出现、历年数量平稳，表明其是近期最受关注的研究方向。

图8 不同类型川芎嗪衍生物历年专利申请量趋势

对于药物而言，结构改变的主要目的就是改进药物活性或理化性质。川芎嗪衍生物专利申请在描述结构的同时也多提供了产物的药理活性试验，且往往包括与原料化合物特别是川芎嗪的效果对比，印证了活性/理化性质为结构改造之内在驱动力的普遍事实。如图9所示，川芎嗪衍生物所涉及的药理用途主要为心血管疾病治疗、抗肿瘤以及神经保护，与川芎嗪已知活性相符，心血管活性是全部衍生物专利中研究最多的活性，自2000年以来有着持续、稳定的专利产出。而抗肿瘤、神经保护作用是近十年来川芎嗪衍生物中更受关注的活性，专利申请数量大幅增加。此外，基于川芎嗪本身代谢期过短的缺点，旨在改变理化性质的衍生物研究也在全部衍生物专利申请中占据重要比例，且其研究仍在不断进行。最后，也有一些专利申请涉及了川芎嗪衍生物抗乙肝病毒、抗菌等活性，数量较小，研究起步较晚，提供了今后扩展川芎嗪外围专利的一些思路。

图9 涉及不同用途的川芎嗪衍生物申请量趋势

同时，笔者也发现，川芎嗪结构修饰类型与活性类型之间，直接对应关系不甚明显，除川芎嗪盐/晶体主要涉及理化性质改善并相应提高产物相对于川芎嗪本身活性以外，其它各种类型的川芎嗪结构衍生物都同时涉及到心血管活性、抗肿瘤和神经保护等药理作用。但具体到某一项活性中，衍生物结构与活性之间可呈现出一定的构效关系，结合上述主要活性进行举例说明(以下涉及的专利号中，以“ZL”开头为已授权专利，“CN”开头为未授权专利)。

2.3.1 心脑血管疾病活性衍生物

具有心脑血管活性的川芎嗪衍生物多为拼合物，并且现有专利中已经将川芎嗪与利尿药、抗血栓药、降压药等多种类型的心脑血管病化学药物相拼合，包括：与利尿药阿米洛利药效团胍基侧链连接，同时胍基远端 N原子上引入不同的烃基和芳香取代基，产物具有促进过氧化损伤 HUVECs的增殖活性，部分产物活性优于川芎嗪。与氯吡格雷、普拉格雷的拼合物：进入体内后代谢为川芎嗪和相应药物有效代谢产物，能避开CYP2C19酶的代谢而直接以活性化合物形式发挥药效，解决氯吡格雷抵抗问题。与阿齐沙坦的拼合物：产物能在体内迅速释放出川芎嗪和阿齐沙坦，二者存在协同作用，体内降血压作用强度明显优于阳性药物阿齐沙坦酯，降血压作用持续时间与阿齐沙坦酯接近，对正常血压心率无明显影响，降压同时具有肝肾保护作用。

除与化药拼合的衍生物以外，川芎嗪与天然小分子酚酸类成分的多种拼合产物也被验证具有心血管活性。肉桂酸具有确切的抗血小板聚集活性、抗氧化活性，且在体内能以相对较快的速度水解产生酚羟基，多篇专利申请如CN201010536030.6、ZL201210297075.1等公开了川芎嗪与肉桂酸的酚羟基通过醚键或酯键结合得到的衍生物，产物具有抗血小板聚集活性或HUVECs过氧化损伤保护作用，其中酯键连接的部分化合物的抗血小板聚集活性强于对照药奥扎格雷，甚至接近对照药氯吡格雷，同时不存在钙通道阻滞剂的副作用。丹参素同时具有酚羟基和羧基，ZL201110086382.0、ZL201410275573.5分别公开了丹参素羧基与川芎嗪甲基成酯得到的多种衍生物，产物具有抑制细胞钙离子内流、清除自由基等作用，并在心肌细胞保护、心肌缺血保护和减少心肌梗死面积等方面的作用上强于丹参素，有望用于治疗心脑血管疾病。另外，丁苯酞来自于芹菜挥发油，为我国自主知识产权药物，在治疗脑梗塞方面具有显著效果，川芎嗪与丁苯酞通过酯键或醚键相连可得到多个拼合物，通过酯键相连的化合物抗血小板凝集活性均强于母体川芎嗪和丁苯酞，通过醚键相连得到的化合物活性强于丁苯酞而稍弱于川芎嗪，且相对于脂溶性差的川芎嗪和水溶性差的丁苯酞，通过酯键连接的部分化合物溶解度得到显著改善，半衰期显著延长，生物利用度相应得到提高。

2.3.2 抗肿瘤活性

川芎嗪本身具有一定抗肿瘤活性，其多种衍生物也显示出不同程度的抗肿瘤活性。其中川芎嗪与各种天然环萜类，特别是四环三萜/五环三萜类成分形成的衍生物申请量较多，且产物对多种肿瘤细胞呈现出作用效果，具有良好研究前景。CN201680053558.3公开了川芎嗪与去氧胆酸、胆酸、猪去氧胆酸、熊去氧胆酸、鹅去氧胆酸、石胆酸等多种四环三萜结合得到的衍生物，所得化合物针对乳腺癌、肝癌、结肠癌、宫颈癌细胞显示抗增殖活性。ZL201110055101.5、ZL201410311738.X等专利中公开了川芎嗪与齐墩果酸、甘草次酸、熊果酸、白桦脂酸等多种五环三萜的拼合衍生物，产物具有抑多种制肿瘤细胞 (Bel-7402、HepG-2、HT-29、Hela、BGC-823)及肝星状细胞 (HSC-6)增殖的活性，其中川芎嗪-齐墩果酸以酰胺键相连、且齐墩果酸上羟基进行修饰的衍生物，其活性优于阳性药顺铂以及川芎嗪-齐墩果酸以酯键相连的衍生物。CN201711247242.0、CN201711247243.5、 CN201610059173.X等专利分别公开了不同的川芎嗪-氨基酸-五环三萜衍生物，在将川芎嗪与甘草次酸等五环三萜相拼合的基础上，还在五环三萜上以氨基酸进行修饰，得到的化合物具有明显抑制肿瘤细胞系(HepG-2、Hela、BGC-823、 A549)生长的活性。其中，化合物TNGA-X2抗宫颈癌活性优于原料药 TNGA及阳性药顺铂，其细胞毒活性明显降低，具有良好的选择性。

此外，川芎嗪也与多种其它天然成分或化学药效团进行拼合得到具有抗肿瘤效果的产物：包括川芎嗪-去甲表鬼臼毒素拼合产物对KB口腔上皮癌细胞具有抑制效果。荜茇酰胺-川芎嗪杂合物对脑胶质瘤、结肠癌、非小细胞肺癌、白血病等多种癌细胞具有抑制效果。紫杉醇-川芎嗪结合体可选择性地靶向实体瘤细胞。CN201810959302.X公开了多种黄酮与川芎嗪拼合得到的衍生物具有抗肝癌作用。CN201910182420.9将川芎嗪两侧呈相对位置的两个甲基分别与一叶萩碱相连，形成川芎嗪一叶萩碱二聚体，具有针对HL60、K5662、HOS-8603、SHG-44等癌细胞的抗肿瘤效果。CN201910860567.9将川芎嗪与NO供体偶氮鎓二醇盐相连，形成的衍生物具有抗肿瘤活性，尤其对耐药乳腺癌细胞具有更强的增殖抑制效果。

同时，也有部分侧链修饰化合物呈现出抗肿瘤效果，如羟甲基川芎嗪具有抗黑色素瘤作用；川芎嗪酰腙类衍生物具有抗肺癌A549增殖抑制作用；川芎嗪的一个甲基改为酰胺，通过长度不同的碳链将两个改造后川芎嗪的酰胺键连接起来得到的酰胺二聚体，对于Hela、HepG2、MCF-7、FaDu、A549、MCF 10A等多种肿瘤细胞具有抑制作用。

2.3.3 神经保护/脑损伤保护作用

川芎嗪侧链修饰物如川芎嗪取代苯甲酸衍生物、苯甲酰胺衍生物、硝酮嗪衍生物、氘代硝酮嗪衍生物均具有神经保护作用，且能够透过血脑屏障，有望用于治疗创伤性脑损伤以及阿尔茨海默、帕金森等神经退行性疾病。其中，氘代硝酮嗪衍生物产物相对于硝酮嗪衍生物具有溶栓和神经元保护双重作用，并且将C-H替换为C-D后，具有更加稳定的代谢，在维持血脑屏障透过功能的基础上，能以更少剂量发挥治疗效果。另外，川芎嗪与肉桂酸、香草酸等物质结合的拼合衍生物具有神经保护作用。

2.3.4 改善理化性质

该部分化合物很大部分为川芎嗪盐类和晶体。川芎嗪含有碱性的吡嗪环，遇酸可形成较稳定的盐，包括川芎嗪甲磺酸盐、磷酸盐结晶、富马酸盐等，上述盐的特点在于稳定性都较川芎嗪有所提高，且均优于已有的川芎嗪盐酸盐和非晶体川芎嗪磷酸盐。此外，也有专利申请致力于增加川芎嗪稳定性的同时改善川芎嗪特有的气味，提高用药时顺应性，包括川芎嗪-安赛蜜盐和川芎嗪-糖精钠一水合物等。

可能是受川芎嗪与酚酸类单体成分组合使用的启发，亦有多项专利均针对川芎嗪阿魏酸成盐后的晶体展开研究，所得晶体保持了川芎嗪和阿魏酸抗血小板聚集、抗血栓的药理活性，且生物利用度有所提高。另外，川芎嗪还可改善与之形成共晶的化合物的性质。CN201810230116.2公开了非布索坦川芎嗪共晶体，非布索坦与川芎嗪形成共晶后稳定性提高，不易生成水合物或者溶剂合物，生产过程中更加易于加工。CN201910378502.0公开了炔雌醇川芎嗪共晶体，川芎嗪的引入可解决炔雌醇溶解度差、不稳定问题，提高生物利用度。

3 讨论

传统中药因为成分不明确、安全性等多方面原因，国际化之路道阻且长。多年以来，经过广大中医药研究人员和国内医药企业潜心研究，多种中药的物质基础、药理活性已经逐渐明确，但能被国际认可、在产业上获得巨大成功和收益的中药现代化药物仍属凤毛麟角。

通过专利分析结果可以发现，川芎嗪作为中药川芎的有效成分，在国内特别是在2002年以后得到了较为广泛、深入且全面的研究和应用，具有良好的发展前景。并且，川芎嗪药用专利的一大特点就是能够以化学药物的研发思路拓展得到各种活性衍生物，所获得的数量繁多的衍生物及其具备的多种显著活性不容小觑。与青蒿素、石杉碱甲等在国际上拥有广泛知名度并已经被FDA批准使用的中药单体化合物相比，川芎嗪的全球认知程度还较低，其研究和改进主要还集中于我国，这对国内科研机构和企业而言无疑是一个很好的机会：

首先，我们可以继续从药理靶点、代谢组学、吸收途径等角度对川芎嗪单体的性质作更深入、充分的研究，既为后续研究提供坚实基础，同时也便于进一步扩展第二药用、制剂等外围专利，扩展现有专利布局的广度。

其次，我们可以继续以中药组方配伍为基础，研究川芎嗪与其它中药成分组合使用的效果，从而对传统中药配伍理论进行物质基础验证和符合现代医药化学理论的解释，形成既以中医药理论为依据，也符合现代科研思路的特色研究方法，从而提供物质成分简单清晰、药理活性和不良反应明确的现代化专利药品。从2020年新冠疫情我国应对策略中可以发现，中药制剂具有已被证实的临床疗效、巨大的发展潜力和潜在市场，中医理论是我们不可抛弃的研究思路和依据，前述的多种川芎嗪与其它单体成分的组合物、拼合产物的专利情况不失为一种有力的印证。

此外，我们也应当更加重视川芎嗪在化学修饰和拼合上的优势，可将其视为一种具有确定活性的天然来源单体化合物，利用化药常见的改造手段继续扩大活性化合物数量，以求最终获得具有理想疗效的自主知识产权新药。在一点上，部分国内新兴药企走在了前列，不仅国内范围对新化合物予以充分专利保护，也已着手扩展海外专利布局，但与此同时，作为重要研究主体的大专院校尽管国内申请数量不低，却似乎尚未意识到在全球范围进行专利布局的重要性。而且，川芎嗪的衍生物研究即使在国内也偏于“小众”，国内大中型药企目前尚未进入该领域，新兴药企有可能凭借对川芎嗪衍生物的深入研究快速发现潜在前体药物，在新药研发上实现"弯道超车"。(第二作者对本文的贡献等同于第一作者)