以槲皮素为先导化合物的抗癌剂研究进展

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槲皮素


大量的流行病学数据显示,多吃水果和蔬菜可以显着降低癌症的发病率。许多天然化合物能够抑制和调节肿瘤细胞的增殖,槲皮素(quercetin3′,4′,3,5,7-五羟基黄酮)就是其中之一[1]。槲皮素广泛存在人们的食物中,如洋葱、西兰花、茶叶、苹果、浆果等[2]。槲皮素属于黄酮类化合物,具有多方面的生物活性。为了更好的开发、充分利用其药用价值,近年来国内外学者对槲皮素做了大量的研究工作。笔者利用ISI Web of Knowledge(美国科学情报研究所数据库平台)进行检索,主题词输入“quercetin”,共检索到31 951篇文章,在标题中含有“quercetin”的论文数量共7 829篇(截止2018426日)[3]

从图1可以看出,20082016年,发表的文章数量呈平稳上升趋势。随着科学技术的发展,人们逐渐认识到,从天然产物中获得的化合物如槲皮素,应用于防病治病效果更好。流行病学和营养学家认为槲皮素是一种最有希望应用于预防和治疗疾病的天然化合物[4]。槲皮素具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗病毒、预防和治疗心脑血管疾病等方面的作用[5]尤其是槲皮素具有化学预防与抗癌作用,由于其亲脂性,可以轻松地穿过细胞膜并发挥作用,可通过抑制癌基因表达、阻断细胞周期、诱导细胞凋亡、阻滞癌细胞侵袭及转移等多种途径发挥抗肿瘤作用,其抗肿瘤活性已成为国内外研究的热点[6-7]。但是因其生物利用度低、水溶性差、代谢迅速及酶降解等问题,使其作为药物应用于临床受到了限制,利用化学手段对其进行结构修饰,改善其性能,已成为目前研究的主要方向。本文通过检索近10年的文献,主要介绍具有抗癌活性的槲皮素衍生物,包括与槲皮素羟基反应生成醚和酯、羰基氧的取代、AB环的改性以及与金属形成配合物[8]



具有抗癌活性的槲皮素衍生物


为了获得具有良好特性的槲皮素衍生物并应用于癌症治疗,在过去10年间,人们进行了大量的研究。遗憾的是,到目前为止,只有槲皮素甘氨酸氨基甲酸酯(QC12)进入临床前和临床研究[9]。槲皮素修饰的一般方法见图2

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与槲皮素羟基反应生成醚

羟基的醚化可以提高槲皮素(1)的溶解性能、生物利用度以及抑制癌细胞增殖的活性,并能降低毒副作用[10]。研究者万博官网app安卓版下载_为什么万博 app挺稳的_万博苹果app客户端下载了一系列槲皮素醚类衍生物,包括单甲基化(26)、二甲基化(712)、三甲基化(1315)、四甲基化(16)和五甲基化(17)等O-甲基化衍生物(图3),以及3-O-单烷基化(1820)、4′-O-单烷基化(2123)、3,7-O-二烷基化(2426)、4′,7-O-二烷基化(2729)、3,4′,7-O-三烷基化(3037)、3,3′,4′-O-三烷基化(38)和3,3′,4′,7-O-四烷基化(3942)等O-烷基化衍生物(图4)。


Shi[11-12]制备了35个槲皮素醚类化合物(2333941),通过高通量筛选(HTS)的方法,检测其在体外抑制黑色素瘤(LOX-IMVIM14)细胞、人喉癌M4E细胞、宫颈癌HeLa细胞、人乳腺癌SKBR细胞以及人肺癌(A549H157H46017921944H266H522Hop621299292GCalu1)细胞生长的活性。结果表明槲皮素羟基的选择性取代是决定其抗癌细胞增殖活性的关键。4′-OH7-OH单独或同时甲基化,对所有的癌细胞系均有抑制作用,3′- 4′-OMe基团可以改善抗肿瘤活性。在此基础上,引入甲氧基可以增强对癌细胞生长的抑制活性,如3′,4′,7-三甲氧基槲皮素(14)比3′,4′-二甲氧基槲皮素(7)抑制肿瘤的活性更强;3,7-二甲氧基槲皮素(9)的抗肿瘤细胞增殖作用、3,4′,7-三甲氧基槲皮素(15)和3,3′,4′,7-四甲氧基槲皮素(16)对前列腺癌细胞系的抑制作用均比槲皮素强。与槲皮素甲基醚一样,将2个正丁基引入到C-3,7位(26)或C-4′,7位(29)时,抗癌活性增强。

Al-Jabban[13]认为槲皮素衍生物抗人前列腺癌细胞增殖活性的强弱取决于引入烷基链的长度或形成的空间位阻。实验结果显示,化合物3136当线性的长链或大体积的烷基同时引入到C-374′羟基中时,其显示出抗肿瘤细胞增殖活性。另一方面,有着短直链烷基的3,4′,7-三甲基醚(15)和3,4′,7-三乙基醚(30)的抗肿瘤细胞增殖活性略微增强。然而,3,3′4′-O-三乙基槲皮素(38)的活性没有显着变化。重要的是,3,7-O-二烷基化衍生物(2426)和3,7-O-二甲基衍生物(9)的活性比槲皮素高211倍。

Khan[14]研究证明,3,4′,7-O-三乙基槲皮素(30)通过诱导细胞凋亡抑制结肠癌HCT-116细胞增殖,而不影响正常细胞生长。Liao[15]Bao[16]万博官网app安卓版下载_为什么万博 app挺稳的_万博苹果app客户端下载了7-O-丁基槲皮素(43)和7-O-香叶基槲皮素(44),活性研究结果显示对雌激素受体阳性乳腺癌细胞(MCF-7)具有比槲皮素更强的抗细胞增殖作用,且对雌激素受体阴性乳腺癌MDA-MB-231细胞同样有效。值得注意的是,化合物4344不影响正常乳房上皮细胞MCF-10A,没有逆转癌细胞多药耐药(multidrug resistanceMDR)活性。进一步研究显示,与槲皮素相比,化合物44对结肠癌Caco-2细胞、人肺癌(NCI-H446A549)细胞以及人胃癌(MGC-803SGC-7901)细胞具有强烈的细胞毒性,该化合物有潜在的抗恶性肿瘤细胞增殖的特性[17]

MCF-7、结肠癌HCT-116和前列腺癌DU-145细胞中,与无活性的槲皮素相比,化合物45被观察到有显着的抑制细胞生长的活性,且对正常的人成纤维HS27细胞没有作用[18]Kim[19]证明7-O-POM-槲皮素(46)能够逆转肿瘤细胞的MDR化合物4749的细胞毒性活性严格地与它们的稳定性相关[20-21]。在HCT-116细胞中,化合物4749表现出比槲皮素更高的细胞毒性,4947的细胞毒性更强,它们的水解产物也具有细胞毒活性,而化合物48没有任何细胞毒活性。

Enayat[22]研究槲皮素2--1,4-萘醌衍生物(50)对人结肠直肠癌(HCT-116HT-29)细胞的作用,化合物50通过强烈的诱导细胞凋亡效应,显示出高于槲皮素3倍的细胞毒活性。深入研究发现,可能是由于1,4-萘醌骨架的存在,化合物50能使细胞产生有效的氧化应激导致活性氧(ROS)体外自噬,且HCT-116细胞发生完全自噬,而HT-29细胞发生不完全自噬。化合物50能促进自噬相关蛋白LC3脂化但没有观察到酸性液泡。这种结构修饰可降低槲皮素的抗氧化性能,但增强了对癌细胞的抑制活性。然而,氯萘醌衍生物在低浓度(50 μmol/L)时对癌变的小鼠胚胎成纤维NIH-3T3细胞有细胞毒性,在高浓度(100 μmol/L)时对非癌变的小鼠胚胎成纤维细胞也能产生细胞溶解作用。



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硫、硒取代C环羰基氧

用硫或硒取代槲皮素醚羰基氧可以得到化合物5154,结构见图5。Martins等[23]通过对3,3′,4′,7-O-四甲基槲皮素(16)反应万博官网app安卓版下载_为什么万博 app挺稳的_万博苹果app客户端下载了类似物5153。以槲皮素、19和顺铂为对照,检测3个化合物对9种人癌细胞黑色素瘤A375细胞、结肠直肠腺癌HCT-15细胞、胰腺癌BxPC3细胞、MCF-7细胞和多药耐药变体MCF-7/ADR、宫颈腺癌A431细胞及其顺铂耐药细胞(A431/Pt)、顺铂敏感和顺铂耐药的卵巢腺癌(2008、C13*)细胞的毒性。硒取代化合物51显示出比槲皮素高9倍、比顺铂高3倍的细胞毒性。由于对顺铂敏感及顺铂耐药细胞有较强的细胞毒性,说明槲皮素硒醚衍生物51能克服顺铂耐药。对化合物51抑制MCF-7细胞增殖的机制进行初步研究发现,其限制了硫氧还原蛋白还原酶(TrxR)的活性。

3′,4′,3,5,7-O-五甲基槲皮素衍生物(17)羰基氧被硫取代得到化合物54,并将其全部去甲基化得到化合物53[24]2种化合物的体外抗血管生成和抗细胞增殖活性都已被证实。然而,硫代羰基化合物5354的抗血管生成活性却低于槲皮素和17。化合物5354MCF-7细胞和乳腺癌阿霉素耐药细胞MCF-7/DX均具有抗细胞增殖作用,活性顺序为槲皮素>531754。衍生物17由于具有高抗细胞增殖活性和最低毒性,因此在这4个化合物中表现出最佳的活性。采用乳腺癌MDA-MB-231细胞进行进一步的抗细胞增殖活性研究,结果证明4-硫代化合物,尤其是化合物53具有比17和母体槲皮素更高的活性[25]


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邻二酚羟基的卤代

Cho[26]通过替代邻苯二酚羟基的方法将槲皮素转化为相应的3′,4′-二氟代衍生物55(图6)。


正如预期的那样,化合物55被证明对氧化分解是稳定的,不产生自由基的氟取代部分可防止产生邻醌和对醌化合物。化合物55对肝癌Huh-7细胞有中等程度的抑制活性,且有浓度依赖关系,而且已有的研究证明55的癌细胞早期凋亡谱与槲皮素相似。



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羟基的酰化

Danihelová[27]万博官网app安卓版下载_为什么万博 app挺稳的_万博苹果app客户端下载了15种酰基槲皮素衍生物。五乙酰基槲皮素(56)、二 (四乙酰基喹啉基) 槲皮素(57)和三 (二乙酰基咖啡酰) 槲皮素(58)对HeLa细胞和非肿瘤细胞系NIH-3T3表现出较高的细胞毒性。值得注意的是,无论细胞类型如何,所有这些化合物均比槲皮素抗肿瘤活性更强。与槲皮素相比,槲皮素阿司匹林酯衍生物(5961)对肝癌HepG2细胞和人白血病HL-60细胞显示出更高的细胞毒活性[28]

研究已经证明,槲皮素氨基酸衍生物的性质,即水溶性、水解稳定性、细胞渗透性优于槲皮素[29]。基于此,Kim[18]制备了6个氨基酸槲皮素衍生物。采用MES-SA细胞系和相应的耐药细胞MES-SA/Dx5,检测了槲皮素-氨基酸衍生物的细胞毒性和MDR调控能力。在一定的浓度(5 μmol/L)水平下,槲皮素-氨基酸衍生物对MES-SA细胞系显示无细胞毒性,这与槲皮素相同。对于MES-SA/Dx5细胞系,槲皮素-氨基酸化合物的MDR逆转活性严格依赖于氨基酸部分的性质或位置。该系列衍生物中的7-O-氨基酸化合物显示出最强的活性,如7-O-谷氨酸槲皮素(62),该化合物对MDR细胞的逆转活性是槲皮素的30.5倍。

槲皮素与正丁基异氰酸酯反应得到3,3′,4′,7-O-四酰化的衍生物(63),检测结果显示,该化合物抑制MCF-7细胞增殖活性高于槲皮素[30]。化合物5663的结构式见图7


?AB环的改性

槲皮素骨架AB环上插入磺酸盐、异戊二烯基、氨基甲基和苯基乙烯基可得到衍生物6471,结构见图8

Zhang[31]万博官网app安卓版下载_为什么万博 app挺稳的_万博苹果app客户端下载了槲皮素-5′,8-二磺酸钠(64),该化合物显示出比槲皮素更高的抗人结肠癌LoVo细胞和乳腺癌MCF-7细胞增殖的作用,对LoVo细胞的敏感性低于MCF-7细胞。与槲皮素一样,化合物64能减少细胞G0/G1期进程并诱导S期生长停滞。另外,化合物64通过作用于细胞内ROS依赖性通路的方式诱导细胞凋亡,是一个比槲皮素更强的促细胞凋亡剂。最近的研究表明,由于对肝脏有保护作用,化合物64还可能是一种肝病化学预防和治疗剂[32]

化合物66对肺癌A549细胞和白血病Jurkat细胞有强烈的毒性[33]66能使Jurkat细胞的生长停滞,而贴壁癌细胞A54966的敏感性不如Jurkat细胞,而其类似物65对这些细胞完全无活性。以蛋白激酶BAkt)抑制剂HT-89为阳性对照,将槲皮素苯并吡喃衍生物(6769)作用于白血病HL-60、卵巢癌OVCAR-8、前列腺癌PC-3HepG2细胞,研究其细胞毒性。结果显示这些化合物的活性取决于其结构,槲皮素N-甲基苄基取代的类似物(69)比吗啉和哌啶基取代的类似物显示出更强的活性[34]。同分异构体7071HepG2、肝癌SMMC-7721细胞和肝癌QGY-7703细胞具有中度细胞毒性[35]


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生成配位化合物


自从2006年以来,顺铂被引入抗癌治疗的临床实践后,金属基药物在肿瘤治疗上的应用引起了人们的广泛关注。但由于肿瘤细胞对顺铂的耐药性,急需发现新的铂基替代品,人们对含有一个非铂的金属离子的金属有机配合物进行了大量的研究[36]。结果表明其药理作用取决于金属离子、有机框架和DNA结合位点。过渡金属与DNA的结合可能在癌症治疗中找到新的用途,因此已被特别关注[37]

由于羟基和羰基的存在,槲皮素是非常有效的金属螯合剂,有3-羟基-4-羰基配位、5-羟基-4-羰基配位和邻二酚配位3种可能的配位模式(图9)。

近年来,槲皮素金属配合物一直是研究的热点,研究表明槲皮素金属配合物的生物活性取决于配位的金属,且由于其在结合位点有良好的几何空间取向,在体外表现出很好的药动学性质[38]。近5年,已经制备了槲皮素与GeIV)、VIVOSnIV)的单金属配合物,以及异双金属槲皮素-CuII/ZnII-Sn2IV)衍生物(图10),并测试了它们对不同的人癌细胞的活性。槲皮素-GeIV)配合物(72)对肺癌SPC-A-1细胞、人食管癌EC9706细胞、HeLa细胞和PC-3细胞具有显着的体外抑制活性[39]Tan[40]报道可能是由于槲皮素金属配体结构的平面性,有助于金属配合物嵌入DNA的碱基中,从而诱导其氧化损伤。


槲皮素氧化钒(IV)配合物(73)对4种人乳腺癌细胞(MDA-MB231MDA-MB468T47DSKBR3)的抑制活性高于槲皮素,其中对MDA-MB231细胞的活性最强[41]。深入的研究发现,槲皮素氧化钒(IV)使癌细胞死亡的机制可能是插入到线粒体使DNA损伤,且正常的乳腺上皮细胞不受化合物73的影响,在槲皮素金属配合物的对映体中,L系列总是显示出高于D系列的显着体外活性,除了对DNA的高亲和力外,74L75LHepG2MCF-7HeLa和人胰腺癌MIA-Pa-Ca-2细胞显示出良好的细胞毒性,对人类拓扑异构酶I有抑制活性。与二甲基取代的类似物74L相比,二苯基取代的衍生物75L具有更强的活性,这与其他有机锡(IV)配合物报道的结果一致[42-44],它们引起癌细胞生长停滞并导致细胞死亡,可能是由于抑制拓扑异构酶I形成的[45]

杂多金属槲皮素-CuII/Sn2IV)配合物(76)和ZnII/Sn2IV)类似物(77),在体外可与DNA结合并使其断裂,具有拓扑异构酶I抑制活性,被认为是潜在的金属基抗癌药物[46]。深入的研究表明,这2种配合物与DNA结合表现为双重模式,77Sn2IV)离子通过静电作用力与磷酸基中氧原子结合,而CuII/Zn

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