韓 謝 ,邵開(kāi)元 ,胡文祥*,3
1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,湖北 武漢 430205;
2.北京神劍天軍醫(yī)學(xué)科學(xué)院京東祥鵠微波化學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 101601;
3.中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天系統(tǒng)部,北京 100101
小檗堿(berberine,BBR)結(jié)構(gòu)如圖1,俗稱(chēng)黃連素,是從中藥黃連中分離的一種季銨型異喹啉生物堿,主要存在于檗辯、罌粟裂、毛蓑秘、蕓香秘、爨己科、鼠李科等6科植物中。黃連入藥始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》:“主熱氣,目痛,眥傷,泣出,明目,腸游,腹痛,下利,婦人陰中腫痛”;《本草綱目》記載了黃連治療“伏暑發(fā)熱、作渴、嘔吐及赤白?。幌誓蚨?;痢疾腹痛,里急后重”等功效。小檗堿作為黃連中的主要活性成分,最初在臨床應(yīng)用中多用于清熱解毒和抗菌藥物,尤其是在治療急性腸胃炎方面具有良好功效[1]。近年來(lái),隨著對(duì)于其研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)小檗堿及其衍生物對(duì)于腫瘤、糖尿病、心血管疾病、高血脂、炎癥、細(xì)菌和病毒感染、腦缺血性損傷、阿爾茨海默?。ˋlzheim?er disease)、骨質(zhì)疏松等疾病具有重要的藥理作用效能[2]。
Amin等[3]對(duì)小檗堿硫酸鹽的抗菌活性做了研究,結(jié)果表明其對(duì)各種微生物(包括革蘭氏陰性菌,真菌和原生動(dòng)物)具有較好的抗微生物活性,且在金黃色葡萄球菌和霍亂弧菌培養(yǎng)基中加入35 μg/mL和50 μg/mL藥物濃度的小檗堿后,會(huì)立刻抑制RNA和蛋白質(zhì)的合成,但對(duì)于DNA的合成卻幾乎沒(méi)有影響。張燦[4]通過(guò)在其9位進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,引入一系列酯基,再進(jìn)行還原和季胺化,得到了12個(gè)小檗堿衍生物;通過(guò)對(duì)所合成化合物進(jìn)行抗心律活性初步藥理實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其中5個(gè)化合物對(duì)于烏頭堿誘發(fā)的心律失常有一定的預(yù)防作用。Lin[5]通過(guò)對(duì)不同細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)小檗堿可顯著抑制 人 體 肝 癌 細(xì) 胞 株 HepG2,Hep3B,SK-Hep1,PLC/PRF/5以及白血病細(xì)胞株K562,U937,P3H1,Raji等的增殖,抑制作用呈時(shí)間和劑量依賴(lài)性。2002年,Yin等[6]對(duì)小檗堿與二甲雙胍以及曲格列酮在體外降糖方面的作用功效進(jìn)行了比較,證實(shí)了小檗堿在肝細(xì)胞中也能發(fā)揮降低葡萄糖濃度的作用。而在2004年,Kong等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明BBR還具有降低血清中甘油三酯、膽固醇和低密度蛋白膽固醇的功效,且其作用機(jī)理與目前常用的降脂藥物他汀類(lèi)不同。2005年,胡文祥等[8]發(fā)現(xiàn),黃連素有減輕胰島素抵抗的生理作用。
關(guān)于小檗堿藥理作用的研究較多,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其具有多種生理功能藥用潛質(zhì),但由于小檗堿的溶解性較差,限制了其生物利用度,為提高其藥效功能并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,許多研究人員在小檗堿藥理作用基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾改造,本文就目前主要修飾位點(diǎn)N(7)、C(8)、C(9)、C(12)和C(13)五個(gè)位點(diǎn)以及修飾后的藥理作用效果進(jìn)行了介紹。
圖1 小檗堿化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of berberine
小檗堿N(7)號(hào)位點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)修飾主要是將其還原為二氫或四氫小檗堿,再與鹵化物進(jìn)行季銨化反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物[9-10](見(jiàn)圖2)。其中還原小檗堿時(shí)多采用NaBH4作為還原劑,在甲醇回流中即可。王冬梅等[10]應(yīng)用此方法合成一系列N(7)位修飾的小檗堿衍生物,并將合成出的所有化合物進(jìn)行體外HepG2細(xì)胞葡萄糖消耗實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,部分化合物表現(xiàn)出較好的體外促進(jìn)葡萄糖消耗作用,但作用都不及陽(yáng)性藥物羅格列酮明顯。
圖2 N(7)位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)修飾Fig.2 Structural modification on N(7)position
小檗堿C(8)位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)修飾主要是為了增強(qiáng)溶解度,楊勇等[11]直接采用格式試劑對(duì)小檗堿進(jìn)行烷基化,再氧化后得到一系列烷基小檗堿(見(jiàn)圖3),其中8-辛基小檗堿的抗菌活性最強(qiáng),相比小檗堿,對(duì)于枯草桿菌的抗菌活性提高了125倍。
圖3烷基小檗堿的合成Fig.3 Synthesis of alkyl-berberine
在此基礎(chǔ)上,胡宇莉[12]對(duì)小檗堿 C(8)號(hào)位點(diǎn)進(jìn)行親脂性取代,得到了8-十六烷基小檗堿。相比于小檗堿和8-辛基小檗堿,其生物利用度分別提高1 298%和735%;藥物消除更慢,半衰期為11.90 h,高于小檗堿的3.61 h和8-辛基小檗堿的5.10 h。分析結(jié)果認(rèn)為:烷基鏈長(zhǎng)度會(huì)影響其先導(dǎo)藥物的脂溶性,長(zhǎng)烷基鏈小檗堿更加容易通過(guò)生物膜的磷脂雙分子層,具有更好的藥效作用。這為未來(lái)進(jìn)一步提高其利用率奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
由于小檗堿C(9)位甲氧基可以脫甲基化形成小檗紅堿(見(jiàn)圖4),小檗紅堿具有更加易于修飾的結(jié)構(gòu)基團(tuán)(-OH),故在不改變其小檗堿總體結(jié)構(gòu)的條件下對(duì)其C(9)位進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾是研究最為廣泛的一點(diǎn)。
圖4 小檗紅堿的合成Fig.4 Synthesis of berberrubine
圖4的合成方法主要有2類(lèi),一類(lèi)通過(guò)高溫裂解法,Iwasa 等[13]在 190 ℃,2.666 kPa~3.998 kPa下加熱小檗堿15 min,即可得到小檗紅堿粗品;一類(lèi)通過(guò)微波輻射合成法,韓謝等[14]采用DMF為溶劑,氯化鋰催化下,微波輻射選擇性脫甲基合成了小檗紅堿,并且通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算驗(yàn)證了脫甲基化反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn),探究了微波輻射加速反應(yīng)的機(jī)理,此方法相比常規(guī)高溫裂解法,產(chǎn)率更高,后處理更簡(jiǎn)便。
小檗紅堿的后續(xù)改造主要有以下幾類(lèi):
第一類(lèi),直接與鹵代物進(jìn)行成醚反應(yīng)(見(jiàn)圖5)。Chen等[15]將糖基鹵代物與小檗紅堿直接反應(yīng),生成一系列9-O-糖基小檗堿,并評(píng)估了這些合成化合物的藥代動(dòng)力學(xué),體內(nèi)檢測(cè)結(jié)果表明合成的9-O-糖基小檗堿最高的濃度-時(shí)間下的最大化血漿濃度和面積曲線相比小檗堿提高9.3和11.1倍,這表明糖基化修飾將增強(qiáng)化合物的親水性,從而提高化合物在血漿中的溶解速率,這是導(dǎo)致生物利用度增加的因素之一。
圖5 成醚反應(yīng)Fig.5 Etherification reaction
第二類(lèi),與帶有酰鹵類(lèi)基團(tuán)的化合物成酯(見(jiàn)圖6)。Kim等[16]首次采用小檗紅堿與酰氯類(lèi)化合物反應(yīng),以乙腈作為溶劑,室溫下反應(yīng)1 h即可得所要產(chǎn)物。將合成的化合物進(jìn)行抗菌活性實(shí)驗(yàn),最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比小檗堿,這些合成的化合物對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的活性都有所增強(qiáng),且取代基鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng),活性越高。
圖6 酯化反應(yīng)Fig.6 Esterification reaction
在此基礎(chǔ)上,Zhang等[17]合成了一系列 9-O-親脂基取代小檗堿衍生物,并評(píng)價(jià)了其對(duì)HepG2細(xì)胞的細(xì)胞毒性和降血糖活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大多數(shù)合成的化合物顯示較低的細(xì)胞毒性和一定程度的降血糖活性。其中化合物9和化合物10(圖7)與小檗堿相比,顯著提高了降血糖活性,并且細(xì)胞毒性維持甚至低于小檗堿,表明它們是新的抗2型糖尿病藥物的潛在候選者。筆者還推測(cè)降血糖活性與酯基的電子云密度有關(guān):由于吸電子組的誘導(dǎo)效應(yīng),電子云密度最小的具有較弱的活性,反之,由于乙烯基和苯環(huán)之間的共軛效應(yīng)較大,具有最大電子云密度的化合物9和化合物10則表現(xiàn)出最高的活性。
圖7 化合物9和10Fig.7 Compounds 9 and 10
第三類(lèi),首先與二鹵代烷烴反應(yīng)形成9位鹵代烷基鏈取代小檗堿化合物11(圖 8),再充分利用鹵原子的易于取代性與其它基團(tuán)取代反應(yīng)生成一系列9位取代物。此方法的優(yōu)勢(shì)在于可供進(jìn)行鏈接的基團(tuán)更廣泛,且實(shí)驗(yàn)難度更低,其中由于溴化物的穩(wěn)定性和取代容易性較為適中,因此二鹵代烷烴一般選用二溴烷烴。
圖8 化合物11的合成Fig.8 Synthesis of compound 11
Mistry等[18]將具有二取代的 N-芳基的哌嗪部分通過(guò)戊氧基側(cè)鏈與小檗堿連接,代替其9-甲氧基(見(jiàn)圖9),并評(píng)價(jià)了所合成化合物的抗氧化能力與抗癌活性,結(jié)果顯示:與小檗堿相比,部分化合物顯示出明顯的抗氧化性能,并且大多數(shù)化合物表現(xiàn)出等效或更好的抗癌活性,其中具有二氯取代基的所有類(lèi)似物顯示顯著水平的自由基清除功效,特別是3,4-二氯和3,5-二氯化合物,可作為抗氧化物進(jìn)一步發(fā)展;此外,二氯化合物還對(duì)宮頸癌細(xì)胞系Hela和Caski顯示出優(yōu)異的抗癌作用,證明了二氯取代對(duì)于哌嗪環(huán)系統(tǒng)的重要性。
圖9 9-哌嗪類(lèi)小檗堿衍生物的合成Fig.9 Synthesis of 9-piperazine-berberine derivatives
Shi等[19]通過(guò)疊氮炔-環(huán)加成反應(yīng)合成了一系列新型含唑小檗堿衍生物(見(jiàn)圖10),并評(píng)估了其作為乙酰膽堿酯酶(AChE)和丁酰膽堿酯酶(BuChE)抑制劑的生物活性,此外乙酰膽堿酯酶抑制劑復(fù)合物的分子模擬顯示,小檗堿衍生物中的三唑部分能通過(guò)與乙酰膽堿酯酶催化位點(diǎn)的相互作用來(lái)抑制其活性,動(dòng)力學(xué)研究表明,此類(lèi)化合物對(duì)于催化活性位點(diǎn)和外周陰離子位點(diǎn)都表現(xiàn)出混合型抑制。
圖10 含唑類(lèi)小檗堿衍生物的合成Fig.10 Synthesis of azole-berberine derivatives
Huang等[20]合成了一系列 C(9)位氮雜環(huán)取代物,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這種修飾方法改善了其溶解度,藥理評(píng)價(jià)顯示出所合成化合物對(duì)小鼠腹腔巨噬細(xì)胞系具有一定的的抗炎活性。Huang等[21]在C(9)位采用不同取代氨基取代合成小檗堿衍生物,其中環(huán)己基氨基的取代化合物是最為有效的乙酰膽堿酯酶抑制劑。
小檗堿C(12)位修飾改造較少,最早由Frerichs[22]合成 12-溴代小檗堿。在此基礎(chǔ)上 Zhou等[23]合成了18種新型12-芳基小檗堿類(lèi)似物(見(jiàn)圖11),首先通過(guò)小檗堿與二惡烷中的液溴反應(yīng)生成化合物12(12-溴代小檗堿),隨后,在室溫條件下,鈀作催化劑,將化合物12與各種芳基硼酸Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)制備一系列12-芳基小檗堿類(lèi)似物。
圖11 12-芳基類(lèi)小檗堿的合成Fig.11 Synthesis of 12-aryl-berberine
作者成功應(yīng)用了多種芳基硼酸,從富電子到缺電子,得到四組12-芳基小檗堿類(lèi)似物,包括含有疏水基團(tuán)的苯基小檗堿(13b-13f),含有親水基團(tuán)的苯基小檗堿(13g-13j),氟取代基小檗堿(13k-13n)和雜芳環(huán)取代小檗堿(13o-13r)。作者還首次評(píng)價(jià)了小檗堿及其衍生物對(duì)于一種抗癌劑潛在靶標(biāo)——缺氧誘導(dǎo)因子-1轉(zhuǎn)錄的抑制作用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,7種12-芳基小檗堿類(lèi)似物(13a-13f,13k)都具有比母體小檗堿更強(qiáng)的抑制作用,構(gòu)效關(guān)系表明,含有疏水基團(tuán)部分的苯基有利于提高其抑制效果,且對(duì)氟苯基的抑制作用也強(qiáng)于對(duì)氟苯基和間氟苯基。
由于小檗堿具有帶正電荷的異喹啉環(huán),直接在C(13)位進(jìn)行取代非常困難,因此在合成該類(lèi)衍生物時(shí),應(yīng)用較多的是利用曼尼希反應(yīng)使小檗堿在堿性條件下與丙酮等發(fā)生加成反應(yīng)生成α-取代烯胺中間體,中間體再與親電鹵代試劑反應(yīng)生成C(13)取代小檗堿衍生物[24](見(jiàn)圖 12)。Park等[25]采用此方法合成了一系列9-烷基-13-(4-異丙基芐基)小檗堿衍生物,并探究引入不同烷基對(duì)于其抗菌活性的影響,除了?;幕钚越档鸵酝?,其他烷基都有著明顯的增強(qiáng)抗菌活性能力,其中9-O-丁基-13-(4-異丙基芐基)小檗堿對(duì)于新型隱球菌,假絲酵母菌和曲霉菌種的抗菌效果最為可觀。
圖12 13-取代小檗堿衍生物的合成Fig.12 Synthesis of 13-substituted berberine derivatives
Ding等[26]直接采用鹵素單質(zhì)與小檗堿反應(yīng),合成了13-氯代小檗堿、13-溴代小檗堿以及13-碘代小檗堿。其中氯代和溴代都采用乙酸做溶劑,而碘代則引入了HNO3/I2/AcOH/H2O做為氧化體系,這可以作為一種新的13位取代小檗堿合成路線的研究思路。
Burov等[27]首先采用硼氫化鈉將小檗堿還原為二氫小檗堿,再與芳香族親電試劑(苦基氯,4-氯-7-硝基苯并呋喃,4-氯-5,7-二硝基苯并呋喃以及7-氯-4,6-二硝基苯并呋喃)反應(yīng),得到4個(gè)13取代二氫小檗堿衍生物,其都具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu),根據(jù)分子對(duì)接結(jié)果分析,這些合成出來(lái)的小檗堿衍生物都可以有效地與端粒DNA片段的G-四鏈體結(jié)合。
趙午莉等[28]以小檗堿為原料,首先將其還原為二氫小檗堿,再與脂肪醛反應(yīng)制備出7個(gè)13烷基小檗堿;以小檗堿為原料,在堿性條件下與丙酮加成得到丙酮小檗堿,再與溴芐反應(yīng)得到7個(gè)13-取代芐基小檗堿。將所獲得的14個(gè)小檗堿衍生物通過(guò)磺酰羅丹明B法和流式細(xì)胞儀分別檢測(cè)化合物的腫瘤細(xì)胞活性及周期的影響,結(jié)果表明,所有小檗堿衍生物的抗腫瘤活性均高于小檗堿,但13位烷基取代衍生物活性明顯高于13位芐基取代衍生物。
隨著我國(guó)對(duì)中草藥研究的逐漸深入,以小檗堿為代表的天然產(chǎn)物,作為先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)修飾以及藥理探究越來(lái)越重要,無(wú)論是從生物資源開(kāi)發(fā)還是發(fā)展民族經(jīng)濟(jì)等方面來(lái)看,這都是一條前景十分廣闊的道路。目前,小檗堿臨床上主要用于治療急性胃腸炎、細(xì)菌性痢疾等腸道感染,但其降血糖、降血脂、抗癌和抗心律失常等藥理功效已被人們所發(fā)現(xiàn)。小檗堿由于分布廣泛,易得,價(jià)格便宜,且藥理活性多樣,已成為天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)修飾改造重要的研究目標(biāo),我們應(yīng)更多更深入挖掘其諸多藥理生理活性,以便充分合理利用這一藥物資源,造福人類(lèi)健康。
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