王棚综述，赵领审校

姜黄素衍生物的制备及其抗癌活性研究进展

王棚综述，赵领审校

（泸州医学院药学院药剂学教研室，四川泸州646000）

姜黄素具有抗癌、抗菌、抗病毒、清除自由基等生物活性[1-3]。尤其是其通过相关信号通路和调控蛋白表达[4-5]，能抑制癌细胞增殖，诱导肿瘤细胞凋亡等[6]多方面的作用得到了广泛研究和关注。但水溶性差、生物利用度低、口服后胃肠道吸收差等缺陷，也限制了其临床应用。本文简要概述了姜黄素衍生物的结构修饰路线和方法，及其抗癌活性的研究进展；探讨了其衍生物抗癌活性与化学结构之间的关系，为以后开发临床使用价值大的姜黄素先导化合物或类似物提供依据。

1 姜黄素苯环结构的修饰

姜黄素及其衍生物的抗肿瘤活性机理主要与诱导癌细胞凋亡相关，可能的途径主要有抑制血管生成、抗癌细胞钙调蛋白作用、线粒体解偶联作用以及诱导细胞周期停滞，调控抑癌基因及其蛋白的表达等[7-9]作用。对姜黄素苯环结构进行修饰，生产的衍生物取代基不同，呈现出不同的抗肿瘤活性。

1.1 取代基的修饰

Venkateswarlu等[10]通过对姜黄素苯环上酚羟基数量和分布进行设计，合成了20个多羟基姜黄素类似物，发现多羟基的类似物具有较强的抗氧化能力，其中少数具有降低Dahons淋巴腹水瘤细胞发生率的能力（化合物1～5）。在引入吸电子基团取代方面，Costi R等[11]通过设计，在姜黄素苯环结构上引入了溴和羧基，得到类似物6～7，发现其对癌细胞内P300组蛋白乙酰转移酶的抑制作用增强，促进细胞凋亡，发挥较好的抗肿瘤作用。由此可见，姜黄素类似物苯环上酚羟基和甲氧基的数目和位置对其抗癌活性有一定的影响，苯环上适当位置增加吸电子基团可增强其对肿瘤细胞的抑制活性（见图1）。

图1 苯环取代基修饰

1.2 酚羟基成酯

近年来，越来越多的学者发现姜黄素苯环上酚羟基具有较高化学反应活性这一特点，利用拼合技术，将其同其它活性化合物拼筹结合，以达到提高姜黄素抗癌活性，改善其水溶液差，不易吸收，生物利用度低等缺陷。林锦璇等[12]从中医经典方药中的研究思路出发，利用拼合技术，使姜黄素分别和桂皮酸、川芎嗪酸两种抗癌活性成分相结合，合成了姜黄素川芎嗪酸酯（化合物8）及姜黄素桂皮酸酯（化合物9）两种姜黄素先导化合物，并研究了它们对4种肿瘤细胞株的增殖抑制活性及正常细胞的毒性，结果表明，合成的两种先导化合物均具有较好的抑制癌细胞增殖活性，明显优于前体合成原料姜黄素、川芎嗪酸以及桂皮酸，且对正常MDCK细胞未发现毒性反应。胡椒碱具有抗肿瘤，增强机体免疫力等药理作用，有研究报道，将姜黄素和胡椒碱联合用药，能使姜黄素在人体内的生物利用度提高20倍，故Mishra等[13]将姜黄素和胡椒酸在DCC，DMAP的催化下合成了姜黄素胡椒酸酯（化合物10），结果发现，该先导化合物能增强细胞对其摄取过程，并减缓代谢，从而在细胞内形成较高的药物浓度，同时，合成的姜黄素衍生物在低浓度时就显示出明显的促细胞凋亡活性，呈现出较强的抗癌活性。吴敏等[14]在碱性条件下将氟尿嘧啶和氯乙酸反应生成5-氟尿嘧啶-1-基乙酸，再和姜黄素反应得到了（5-氟尿嘧啶-1-乙酸）-4′-姜黄素酯（化合物11），实验结果发现该先导化合物体外能明显抑制HL60、K562、SGC7901、SW480等肿瘤细胞增殖，也能抑制H22荷瘤小鼠肿瘤生长（见图2）。

图2 酚羟基成酯

2 活泼亚甲基的修饰

姜黄素在碱性水溶液中，颜色变深，且极易降解，原因主要在于其β-二酮结构中的4位亚甲基由于羰基的吸电子作用，容易脱去质子，形成不稳定的碳负离子结构，容易受到水的亲核进攻发生取代反应。故通过4位亚甲基的改造来提高姜黄素的活性，增强其稳定性已受到广泛关注。Shi等[15]用亲酯性的F原子取代亚甲基上的H原子，合成得到了化合物12，抗肿瘤活性实验研究表明：该化合物能明显抑制人前列腺癌LNCaP和PC-3细胞株，且抑制活性高于姜黄素。Bill等[16]则在4位亚甲基处引入环己基，得到类似物13，体外细胞实验发现，该化合物能通过抑制磷酸化的信号转导与转录激活因子-3，抑制黑色瘤细胞的增殖。Amolins等[17]通过研究姜黄素类似物构效关系表明，当4位亚甲基上的取代基为饱和取代基甲基时（化合物14），其抗癌活性降低，而用具有吸电子作用的酯链取代基取代时（化合物15～17），仍能很好地抑制MCF-7和SKBR3乳腺癌细胞。刘洋等[18]以姜黄素和香草醛为原料，在微波条件下，利用Knovenagel缩合反应，合成了4-（4-羟基-3-甲氧基苯亚甲基）姜黄素（化合物18），体外MTT实验表明，化合物15能抑制人乳腺癌细胞SKBr3、人肝癌细胞HepG2、人急性髓系白血病细胞HL-60等多种癌细胞株，且抗细胞增殖作用明显强于姜黄素，Western Blot实验结果表明，它还能下调Hsp90的客户蛋白表达水平，首次提出该化合物可能是Hsp90抑制剂。故，姜黄素的4位亚甲基具有较高的反应活泼性，在4位亚甲基上引入合适的基团，改变姜黄素长共轭系统的电子云分布，不仅能增强其稳定性，也可能提高其抗癌活性（见图3）。

图3 活泼亚甲基的修饰

3 β-二酮及其连接碳链的修饰改造

β-二酮结构存在烯醇式和酮式两种互变构型，有研究表明[19]，姜黄素的抗癌活性主要依赖于其烯醇式构型，主要原因可能是酮式构型中，姜黄素的苯环和链接碳链不在同一个平面上，而烯醇式构型使苯环和链接碳链保持在同一平面，维持了分子的整体刚性结构。近年来，对β-二酮及其链接碳链的修饰大多体现在羰基缩合，碳链长度的改造，引入杂环结构以及生成单羰基化合物等，众多的合成产物以及抗癌活性研究结果表明，增强姜黄素分子的刚性，维持其碳链和苯环在同一平面上，是保留或增强姜黄素生物活性及稳定性的关键。

3.1 羰基缩合

Labbozzetta等[20]通过酮基缩合在β-二酮羰基位引入了异噁唑或吡唑杂环，得到化合物19～20，体外实验发现，其能很好地抑制人肝癌细胞HA 22 T/VGH，IC 50分别为12.8±1.5和2.47±0.6μmol/L，明显优于姜黄素IC 50值（17.4±1.2 μmol/L）。肿瘤的产生与细胞周期调控机制的紊乱密切相关，Shim等[21]在化合物20的基础上引入了对甲酸苯基，合成了化合物21，实验表明，化合物21作为一种拮抗剂，在发现新的抗肿瘤靶点上具有重要价值，其可通过抑制结肠癌细胞的细胞周期循环，从而抑制结肠癌细胞的增殖。

肿瘤的生长与转移和血管的生成密切相关，因此抗血管生成是目前抗肿瘤药物发挥靶向治疗效果的有效途径。Yoysungnoen等[22]研究表明姜黄素具能显著降低肝癌HepG2细胞组织中环氧合酶-2、血管内皮生长因子的过度表达，进而抑制肿瘤血管发生，产生抗肿瘤作用。Shim等[23]通过研究一系列N原子取代羰基氧的化合物中，发现化合物22～27具有较好地抑制内皮细胞血管生长，活性是姜黄素的5～30倍，可成为潜在的血管生成抑制剂，为进一步开发优良的抗癌衍生物提供依据（见图4）。

图4 β-二酮羰基缩合产物

3.2 单羰基化合物

对于将β-二酮结构改造为单酮结构，Karthikeyan等[24]采用新的方法，使环酮和芳醛在乙酸铵的作用下，合成了两组C5链的单酮类似物（化合物28～35），体外毒性实验表明，合成的8种化合物对结肠癌HCT-116、胰腺癌Panc-1及肺癌H 460等细胞株均有较好的抑制作用。Lin等[19]合成了单羰基衍生物（36～41），发现它们对前列腺癌LNCaP、PC-3细胞和乳腺癌MCF-7、MDA-MB-231细胞的抑制活性是明显优于姜黄素，且发现单羰基衍生物中，4-OH对抗癌活性影响不大，可能是单羰基结构明显增强了分子结构的刚性和稳定性，且存在着不同的抗癌机理（见图5）。

图5 单羰基类化合物

4 结语

姜黄素具有明显的抗癌活性，且基本无毒副作用，但水溶性差，碱性环境下不稳定，生物利用度低，体内代谢迅速等缺点限制了其临床应用。因此，对姜黄素的结构进行修饰改造，寻找高效低毒的姜黄素衍生物或类似物受到广大研究人员的重视。

本文根据众多学者对姜黄素的修饰改造路线，合成产物的抗癌活性与其结构特点总结出以下几点：1）姜黄素苯环上的酚羟基是其保持抗氧化以及抗癌活性的重要基团，对苯环结构的修饰中，酚羟基的位置和数量，以及合适吸电子基团的引入与其抗癌活性密切相关，分析原因，很可能是，姜黄素的苯环和连接桥链的双键处于一个长共轭系统，β-二酮结构上的氧原子具有强吸电子作用，故适当增强苯环的吸电子作用，能使共轭系统中的电子分布更均匀，进而增强其活性和稳定性。2）苯环上4位酚羟基虽是维持姜黄素活性的重要基团，但同时也是使其遇光不稳定，易氧化及遇碱颜色变深的缺陷基团，故将4位酚羟基和其它抗癌活性成分形成酯键，合成姜黄素先导化合物，不仅封闭了不稳定的酚羟基，且可根据拼合的抗癌活性成分性质，改变姜黄素的极性，从而增强其水溶性和口服吸收率，先导化合物的酯键在体内水解，释放出多种抗癌活性成分，进而起到联合用药的效果，增强抗癌作用。3）β-二酮以及活泼亚甲基是姜黄素不稳定，遇水快速降解的关键，但同时也是维持其抗癌活性的决定性基团，若完全去除β-二酮结构，抗癌活性消失。根据众多研究结果可以发现，若要增强姜黄素抗癌活性，对β-二酮结构的改造，关键在于维持或增强分子结构的整体刚性，如活泼亚甲基位引入合适的吸电子基团，β-二酮位用杂环取代等，分析原因很可能是，维持分子结构的刚性能提高稳定性，很好地维持分子内部空间形态，较长时间保留活性结合位点。

目前，对姜黄素的结构修饰和改造已取得了一些进展，但广大研究者还需拓宽思路，根据化合物结构与其生物活性的关系，获得启发，开发出生物活性高，临床使用价值大的新型药物。

1.李奇,金剑,许颖.姜黄素的药理作用及其临床应用进展[J].现代中西医结合杂志,2012,36（3）:73～78.

2.Khan M A,El-Khatib R,Rainsford K D,et al.Synthesis and anti-inflammatory properties of some aromatic and heterocyclic aromatic curcuminoids[J].Bioorg Chem, 2012,40（1）:30～38.

3.刘婕,唐世孝.姜黄素抗肝癌分子机制的研究进展[J].世界华人消化杂志,2013,21（23）:3678～3682.

4.Shehzad A,Lee Y S.Molecular mechanisms of curcumin action:signal transduction[J].Biofactors,2013,39（1）:27～36.

5.杨芳,赵秋,王渝,等.姜黄素抑制STAT3信号通路对胰腺癌细胞增殖的影响[J].世界华人消化杂志,2011,19（30）:3149～3153.

6.石峰,崔平.姜黄素抗肿瘤作用机制研究进展[J].肿瘤基础与临床,2011,24（6）:547～549.

7.Kota V R,Satish K S.Aldose reductase:a novel therapeutic target for inflammatory pathologies[J].The International Journal of Biochemistry&Cell Biology, 2010,42（1）:17～20.

8.Srivastava R M,Singh S,Dubey S K,et al. Immunomodulatory and therapeutic activity of curcumin[J].Int Immunopharmacol,2011,11（3）:331～341.

9.Shehzad A,Wahid F,Lee Y S.Curcumin in cancer chemoprevention:molecular targets,pharmacokinetics, bioavailability,and clinical trials[J].Arch Pharm（Weinheim）,2010,343（9）:489～499.

10.Venkateswarlu S,Ramachandra M S,Subbaraju G V,et al.Synthesis and biological evaluation of polyhydroxycurcuminoids[J].Bioorg Med Chem,2005,13（23）:6374～6380.

11.Costi R,Di Santo R,Artico M,et al.Cinnamoyl compounds as simple molecules inhibit p300 histone acetytransferase[J].J Med Chem,2007,50（8）:1973～1977.

12.林锦璇,王鹏龙,褚福浩,等.新型姜黄素衍生物的合成及其抗癌活性研究[J].中国实验方剂学杂志,2014,20（7）:113～117.

13.Mishra S,Kapoor N,Mubarak Ali A,et al.Differential apoptotic and redox regulatory activities of curcumin and its derivatives[J].Free Radical Biol.Med,2005,38（10）, 1353～1360.

14.吴敏,刘洋,魏晓霞,等.（5-氟脲嘧啶-1-乙酸）-4′-姜黄素酯的合成及抗肿瘤活性[J].中国新药杂质,2011,20（17）:1711～1714.

15.Shi Q,Wada K,Ohkoshi E,et al.Antitumor agents 290. Design,synthesis,and biological evaluation of new LNCaP and PC-3 cytotoxic curcumin analogs con jugated with antiandrogens[J].Bioorganic&Medicinal Chemistry,2012, 20（13）:4020～4031.

16.Bill M A,Fuchs J R,Li C L,et al.The small molecule curcumin analog FLLL32 induces apoptosis in melanoma cells via STAT3 inhibition and retains the cellular response to cytokines with antitumor activity[J].Mol Cancer,2010, 9:165.

17.Amolins M W,Peterson L B,Blagg B S.Synthesis and evaluation of electron-rich curcumin analogues[J].Bioorg Med Chem,2009,17（1）:360～367.

18.刘洋,李娜,吴丽贤,等.以Hsp90为靶点的4-（4-羟基-3-甲氧基苯亚甲基）姜黄素抗肿瘤活性研究[J].天然产物研究与开发,2014,26:1729～1732.

19.Lin L,Shi Q,Nyako A K,et al.Antitumor agents.250. Design and synthesis of new curcumin analogues as potential anti-prostate cancer agents[J].J Med Chem, 2006,49（13）:3963～3972.

20.Labbozzetta M,Baruchello R,Marchetti P,et al.Lack of nucleophilic addition in the isoxazole and pyrazole diketone modified analogs of curcumin;implications for their antitumor and chemosensitizing activities[J].Chem Biol Interact,2009,181（1）:29～36.

21.Shim J S,Lee J,Park H J,et al.A new curcumin derivative,HBC,interferes with the cell cycle progression of colon cancer cells via antagonization of the Ca2+/Calmodulin function[J].J Chem Biol,2004,11（10）:1455～1463.

22.Yoysungnoen P,Wirachwong P,Changtam C,et al. Anti-cancer and anti-angiogenic effects of curcumin and tetrahydrocurcumin on implanted hepatocellular carcinoma in nude mice[J].World J Gastroenterol,2008,14（13）:2003～2009.

23.Shim J S,Kim D H,Jung H J,et al.Hydrazinocurcumin, a novel synthetic curcumin derivative,is a potent inhibitor of endothelial cell proliferation[J].Bioorg Med Chem, 2002,10（9）:2987～2992.

24.Karthikeyan NS,Sathiyanarayanan KI,Aravindan PG,et al.Synthesis,crystal structure,and anticancer properties of cyclic monocarbonyl analogs of curcumin[J].Med Chem Res,2011,20（1）:81～87.

（2015-03-11收稿）

R730.5

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2015.03.030

王棚（1989-），男，硕士生。E-mail：851151831@qq.com