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新型光动力药物 —— 竹红菌素衍生物的研究与进展
徐尚杰① 张晓星② 陈 申① 张曼华①* 沈 涛① 王正平②
(① 中国科学院化学研究所, 北京 100080. ② 哈尔滨工程大学化学工程系, 哈尔滨 150001. * 联系人, E-mail:
tshen@i foc3.icas.ac.cn)
摘要 竹红菌素作为一种新型光疗药物, 与临床已应用的血卟啉衍生物相比具有光敏剂三重态量子产
率高、光毒性高、暗毒性低、易排泄等优点, 但其在光疗窗口吸收弱和水溶性差的缺点, 限制了它在
光动力治疗中的应用. 为了改善其水溶性, 人们设计合成了磺酸化和金属离子化等的竹红菌素衍生物,
其水溶性得到极大的提高, 但光动力疗效并没有母体显著; 为了扩大其光响应范围, 人们又设计合成
了巯基化和胺基化等的竹红菌素衍生物, 发现胺基化竹红菌素衍生物的光动力疗效是最好的, 但其水
溶性没有得到改善. 我们设计合成了几种具有一定脂水兼容性的胺基取代的竹红菌素衍生物. 这样,
既拓展其光响应范围, 同时使其在水体系中能有效地溶解. 目前, 对该种衍生物的生物测试实验正在
进行之中.
关键词 光动力疗法 EPR 竹红菌素 单重态氧 超氧负离子
光动力疗法(photodynamic therapy, 简称PDT)
是一种正在研究发展中的新型临床治疗技术. 光动
力疗法于20世纪70年代末开始用于恶性肿瘤的临床
诊断和治疗研究, 在抗病毒、光动力农药方面也已有
成功的应用, 90年代开始向某些常规疗法难以治愈
的良性常见病方向发展, 如治疗鲜红斑痣、微血管类
疾病、视网膜黄斑变性和动脉粥样硬化等, 并取得突
出进展. 自问世至今, 世界上已有许多病人受益于光
动力疗法.
光动力疗法的优势在于它的高效性和安全性,
光敏剂分子相当于催化剂, 一个光敏剂分子一分钟
可产生上千个高反应活性的活性氧分子作用于靶分
子; 另一方面, 由于光疗中同时需要光敏剂和光的参
与, 可获得双重选择性, 选择性的大小取决于光敏剂
在靶体组织中的分布选择性和光能的空间定位程度,
这就避免或减少了对正常组织的伤害, 增加了安全
性.
光动力疗法在临床癌症治疗中已取得了令人瞩
目的成就, 1993年加拿大卫生部门首先批准将
Photofrin?应用于膀胱癌和食管癌的光动力治疗, 到
目前为止, 光动力疗法在荷兰、法国、德国、日本和
美国等国相继获得批准, 还有11个欧洲国家正在寻
求获得批准. 光动力疗法已被公认为临床上除手术、
放疗、化疗之外的第4种治疗癌症的方法[1]. 作为一
种新型疗法, 与传统的肿瘤疗法相比, 具有独特的优
点: (1) 具有很好的选择性, 能选择性地消灭局部的
原发和复发肿瘤而不危及正常组织; (2) 可与放疗和
化疗同时进行且对两者均有一定的协同作用; (3) 可
借以缩小手术的范围和改善手术的预后, 光疗药物
的特征发射荧光可指示肿瘤的浸润程度, 因而使手
术切除肿瘤既正确又彻底; (4) 引起的副作用小, 接
收光动力治疗的患者只需要在短期内避免强光直射,
就不会产生局部光敏皮炎; (5) 可多次使用.
1 光疗机制
PDT的基础是靶体中生物物质的光敏氧化. 首先,
将光敏剂导入体内并让它在组织间分布, 然后, 当光
敏剂在靶体和非靶体中的浓度比达到最大值时, 用
与光敏剂吸收光谱相匹配的光照射靶体组织, 通过
一系列光物理、光化学和分子生物学过程, 在氧的参
与下, 产生对靶体细胞功能有害的活性氧和氧化物,
使靶体组织破坏直至死亡.
光动力疗法的作用机制可分为化学机制和生物
机制.
1.1 化学机制
化学机制中主要包括Ⅰ型机制(Type Ⅰ)和Ⅱ型
机制(Type Ⅱ)[2]. 光敏剂吸收光以后, 由基态(单重
态)跃迁到寿命较短的单重态激发态, 激发单重态经
过系间窜越生成寿命较长的激发三重态. 在光敏剂
的激发三重态, 将发生两类反应, 如图1.
(1) 直接与底物或溶剂发生抽氢反应或电子转
移[3], 生成自由基或自由基离子, 再和O2作用, 产生
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氧自由基. 这一过程称作Type Ⅰ机制, 也即自由基
机制.
(2) 直接与氧发生能量转移反应, 生成单重态氧.
而单重态氧是一种具有高反应活性、高氧化性的活性
体, 它具有亲电性, 能高效氧化生物分子, 如不饱和
脂肪酸、蛋白质、核酸等[4]. 这一过程称为 Type Ⅱ
机制, 也即单重态氧机制.

图 1

Type Ⅰ和 Type Ⅱ可同时进行, 二者的比例取
决于光敏剂的性质、底物、氧浓度以及底物与光敏剂
的结合程度. 因此, 光动力效果与氧有关. 对于大多
数光敏剂而言, 光动力效果受单重态氧调控[5] , 但
其他一些活性氧, 如超氧负离子和羟基自由基也起
到了一定的作用[6].
除此之外, 化学机制中还包括光热效应、光诱导
构型变化等.
1.2 生物机制
光动力疗法的生物机制是以化学机制为基础的.
研究表明, 光动力疗法对肿瘤的作用主要体现在两
个方面: 一是对肿瘤细胞的直接杀伤作用; 二是通过
作用于肿瘤组织的微血管造成血管完全封闭, 使肿
瘤组织因缺氧和营养枯竭而坏死. 这两种作用所导
致的细胞坏死会引起炎症反应, 组织充血水肿. 两种
作用中何种作用为主, 依不同光敏剂而异[7]. 对于现
在广泛用于临床的光敏剂 Photfrin Ⅱ而言, 第 2
种作用尤为重要.
近年来, 越来越多的实验证据表明光动力疗法
还可以诱发细胞凋亡, 细胞凋亡是机体细胞自身基
因参与调控的一种细胞死亡过程[8,9]. PDT诱导细胞
凋亡可迅速发生[10,11], 而且不会引起炎症反应, 所以
被认为是一种更为理想的机制.
在一定的PDT剂量范围内, 光敏杀伤癌细胞可能
主要是通过细胞凋亡途径, 而在更高剂量的情况下,
细胞将发生不可逆的坏死, 细胞死亡的模式(坏死和
凋亡)与PDT剂量之间的关系可能主要取决于所用细
胞类型和光敏剂的种类. 对于某种固定的光敏剂与
细胞结合来说, 细胞死亡的模式从凋亡转向坏死与
PDT剂量是呈函数关系的[12].
2 光疗药物
光动力治疗肿瘤的最终目的是消灭肿瘤而对正
常组织又无损伤, PDT的三要素为光敏剂、光源和氧.
理想的光疗药物应具有如下特性:
(1) 在光疗窗口有强吸收. 由于生物体内红血球
的存在和光散射等原因, 不同波长的光对组织的穿
透程度不同, 总的说来, 光的波长越长对组织的穿透
深度越大. 在 630 nm (Photofrin Ⅱ临床治疗所用
波长)处, 有效穿透深度平均为 3 mm左右, 而在
700~850左右穿透深度约增加一倍以上. 一般认为
600~900 nm是治疗肿瘤的光疗窗口[13,14], 穿透深度更
浅时难以实现对实体肿瘤的有效治疗. 较高的三重
态量子产率, 从而可以得到较高的活性氧(单重态氧
和氧自由基等)产率.
(2) 尽量低的暗毒性, 高的光毒性, 从而使光增
强因子高.
(3) 在肿瘤组织中选择性定位.
(4) 可从正常组织中快速清除, 副作用小.
(5) 原料易得, 便于分离纯化, 成分单一, 便于
工业化规模生产.
血卟啉衍生物(HpD)被称为第一代光疗药物, 是
目前临床应用的主要光疗药物. 它是具有不同结构
的卟啉类物质的混合物, 有较好的抗肿瘤组织选择
性和杀伤效应, 但其缺点是化学成分不单一, 皮肤光
毒性时间长, 要求病人在注射药物后避免光照达4~6
周[15,16], 在长波方向吸收差, 组织的穿透性弱, 因此
较大的实体肿瘤不易用该光敏剂治疗, 临床上使用
的630 nm的激光也不能发挥其最大治疗效应.
为克服HpD的缺点, 人们先后合成了许多在光疗
窗口有强吸收的光敏剂, 即第二代光疗药物, 其中大
部分为卟啉的类似物, 如二氢卟酚、酞菁等. 另外,
许多非卟啉化合物如竹红菌素及其类似物、吩噻嗪类
化合物、花青染料、5-氨基酮戊酸(5-ALA)、吖啶化
合物等也引起了人们的广泛重视. 下一节将着重介
绍近年来人们在竹红菌素方面所做的结构改性工作.
3 竹红菌素及其衍生物的设计与合成
竹红菌素(Hypocrellin)是从寄生于我国云南箭
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竹上的一种寄生真菌—— 竹红菌(Hypocrella
bambuase)中提取出的一种天然光敏剂, 属于3, 10-
二羟基-4,9-苝醌衍生物. 天然竹红菌素主要有两种
组分: 竹红菌甲素(Hypocrellin A, 简称HA)和竹红
菌乙素(Hypocrellin B, 简称HB), 其中95%以上为
甲素, 但在碱性条件下, HA可脱水转化为HB[17], 如
图2. 关于竹红菌素的结构和性质已有几篇优秀的综
述发表[18~23].

图2

作为一种新型的光动力抗肿瘤药物, 竹红菌素
与血卟啉衍生物(HpD)相比, 具有原料易得易纯化、
光敏剂三重态量子产率和单重态氧量子产率高、光毒
性高、暗毒性低、从正常组织的排除速度快等优点,
其最大优点在于容易进行定点化学修饰, 获得纯的
单体衍生物[24,25], 是一种很有应用前景的光疗药物.
竹红菌素及其衍生物对许多癌细胞(如海拉细
胞、EMT-6、内植 S-180、肝肿瘤细胞和人体恶性上
皮癌细胞等)的光动力作用已经在细胞水平上被进行
了广泛深入的研究[21,26~30]. Estey等对16种竹红菌素
衍生物进行了系统的理化、生物学特性研究[31], 从中
筛选出 3种竹红菌乙素的衍生物进行了临床前的评
估[25], 这3种衍生物主要定位在溶酶体和高尔基氏器,
主要通过Ⅱ型机制产生光敏毒性, 可完全治愈小鼠
的EMT6/Ed移植瘤而几乎没有皮肤光毒效应, 不具有
致突变性. 初步实验表明, 细胞凋亡是它们介导光敏
毒性的主要途径. 对实验动物无明显毒理作用, 体内
半衰期为2 h左右, 显示出良好的药物代谢动力学特
性. 另外, 值得一提的是, 竹红菌素能明显杀灭HIV
病毒[32], 而且竹红菌甲素和乙素均有良好的抗单纯
性疱疹类型Ⅰ病毒和Sindbis病毒的活性[33].
但是, 作为抗癌药物来说, 天然的竹红菌素在光
疗窗口(600~900 nm)几乎没有吸收, 极大地限制了其
在临床上的应用. 另外, 天然的竹红菌素是亲脂性化
合物, 水溶性不好, 不便于制成药剂. 为了得到在光
疗窗口有强吸收(即波长红移以配合激光治疗)和脂
水兼容(便于药物制剂)的光疗药物, 近年来, 人们以
结构修饰的方法合成了一系列竹红菌素的衍生物,
并取得了一些突破性进展.
总的说来, 竹红菌素有下面几个反应位置: 芳
环、酚羟基、醌羰基、七元环和甲氧基. 本节将系统
介绍一下前人对竹红菌素所作的结构修饰并对这些
衍生物作以对比, 为竹红菌素的早日临床应用提供
有益的帮助.
3.1 酚羟基和醌羰基上的反应
(1)与金属离子的络合反应. 由于醌羰基氧上孤
对电子的存在再加上π位羟基苝醌合适的空间构型,
使得竹红菌素可与许多金属离子发生络合反应, 这
些金属离子包括ⅡA族、ⅢA族及过渡金属离子[34,35].
这些金属离子的亲水性要比自由的竹红菌素好, 竹
红菌素的镁、钙络合物表现出比母体强的光毒性和红
光吸收能力[34, 36]. 以HA和铝离子的反应为例[35], 如
图3.








图3
HA与铝离子(Al3+)络合形成 1︰1的络合物
Al3+-HA(3). 该络合物形成一个长链聚合体, 但链长
未能测定. 它易溶于极性有机溶剂, 如 N,N-二甲基
甲酰胺、DMSO、乙醇和水. 与母体 HA, 其他金属和
竹红菌素络合的产物相比, Al3+-HA有更好的水溶性,
在水中有更高的稳定性. 实验表明, Al3+-HA保持了
母体产生单重态氧的能力, 在电子给体(如 BNAH)的
存在下, Al3+-HA产生超氧负离子的能力可大大增强.
(2) 与脂肪胺生成的迫位胺基取代物. 用甲醇
作溶剂, 加热HA和脂肪胺溶液, 可得到迫位胺基取
代的竹红菌素衍生物4和5[24], 如图4.
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图4

化合物 4, 5比其他的衍生物表现出了较高的光
动力活性, 但是由于这种胺基取代破坏了竹红菌素
的迫位羟基结构, 阻碍了分子内的质子转移过程, 而
分子内的质子转移过程在光动力治疗的过程中起着
很重要的作用[37~40], 所以, 上述的胺基取代物并非理
想的光动力药物. 同时, 该方法所合成产物的分离和
纯化非常繁琐, 反应产率也很低.
3.2 5位或/和8位取代的衍生物
(1) 卤代反应. 竹红菌素的卤代反应发生在 5
位和8位, 主要是亲电取代反应. 以溴和 HB的反应
为例[41]. 将溴的氯仿溶液滴入HB的氯仿溶液, 在室
温下搅拌, 即可得到 HB的溴代产物: 5(或
8)-Br-HB(6)和5,8-di-Br- HB(7), 如图5. 这种方
法实现了在温和条件下的溴代反应.
实验结果表明, 溴代竹红菌素 6, 7不仅保持了
与母体相似的单重态氧量子产率[41], 而且在非均相
体系中, 羟基自由基的产生效率也有明显提高[42]. 细
胞实验证明, 溴代竹红菌素6能更有效地光动力杀伤
海拉细胞[27]和损伤小牛胸腺DNA[43]. 化合物6对DNA
的损伤是整个DNA分子, 包括骨架、磷酸基团、脱氧
核糖及碱基, 不仅是DNA的构象, 而且其构型也发生
了变化: 氢键断裂, B型构象消失, DNA的单双键断
裂, 碱基也受到了严重损伤, DNA变成了多核苷酸.
与母体相比, 溴代竹红菌素对DNA的损伤更为严重,
显示出优良的光敏特性. 但是, 溴代竹红菌素是亲脂
性化合物, 阻止了它在体内的有效运输, 而且作为抗
实体肿瘤的光疗药物, 它的红光吸收仍不够强.
















图5

结合溴代衍生物高单重态氧量子产率和三价金
属离子络合物长波吸收和水溶性的优点, 设计合成
了 5,8-di-Br-HB与 Al3+的络合物[Al2(5,8-di-Br-HB)-
Cl4]n[44]. 实验表明, 所得竹红菌素衍生物的吸收峰红
移至 614 nm, 极易溶于极性有机溶剂, 甚至能溶于
水. 与竹红菌素相比, [Al2(5,8-di-Br-HB)Cl4]n的水
溶性和红光吸收都有了明显的提高, 主要保持和提
高了超氧负离子自由基和羟基自由基的产生效率,
但是降低了单重态氧的产生效率.
(2) 光磺化反应. 光照竹红菌素(以 HB为例)
和亚硫酸钠(Na2SO3)的溶液, 可生成5位或/和8位磺
化的竹红菌素衍生物8, 9[45,46], 如图6.

























图6
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猝灭实验研究表明, 反应的机制是 SO3·?进攻 HB的 5
位或/和 8位, 生成了上化合物 8, 9. HB转化率在
80%以上. 氧的含量, 溶液的pH值和溶剂的极性都影
响反应的产率. 所得衍生物不仅能溶于水和其他极
性溶剂而且可以溶于 CHCl3和乙酸乙酯等非极性溶
剂.
(3) 糖苷化反应. 根据生物体内许多信息识别
分子中都含有单糖或寡糖, 通过多步反应在竹红菌
素上引入糖基, 合成了竹红菌素糖苷[47], 希望提高竹
红菌素的肿瘤选择性, 增强其亲水性. 反应主要发生
在5位或/和8位, 如图7, 方法如下:
HB + HSCH2CH2OH +h?
5或8-HOCH2CH2S-HB + 5,8-di-HOCH2 2S-HB
5,8-di-HOCH2 2S-HB+ABG
5,8-di-AGOCH2 2S-HB
5,8-di-AGOCH2 2S-HB+NaOCH3
5,8-di-GOCH2 2S-HB (10)


图7

该方法为其他苝醌类光敏剂的糖苷化提供了一
条可行的途径. 产物 10的产率大约为 65%, 其水溶
性有明显的提高, 红光吸收也有所增强.
(4) 与巯基化合物的光反应. (a) 与巯基乙醇、
巯基乙酸的反应. 在乙醇-缓冲溶液中, 以大于 470
nm的光照射反应物 10~30 min,可得到 5位或/和 8
位巯基取代的衍生物[48]. 以HB与巯基乙醇的反应为
例, 产物为11, 12, 如图8.
该反应为光化学反应, 需要氧的参与, 反应机理
是负离子型反应. 与热反应相比, 光反应速度快, 产
物单一且副产物少, HB的转化率在98%以上. 化合物
11, 12由于在竹红菌素的5位或/和8位引入了巯基,
使得它们的吸收光谱略有红移. 同时, HB与巯基乙
酸的反应产物由于羧基的引入, 亲水性也有所增强.











图8

(b) 与半胱氨、半胱氨酸的反应. 利用巯基在强
碱有氧溶液中与HB的光化学反应活性, 用光化学方
法, 使HB与半胱氨、半胱氨酸在乙醇-缓冲溶液(pH >
10.0)中反应, 主要得到5位(或/和8位)巯基取代-4
位(或/和9位)胺基环化的衍生物[49]. 以HB与半胱氨
的反应为例, 如图9, 产物为13, 14.











图9
另外, 如图10, 在HB与半胱氨酸的反应中, 得
到了一种迫位胺基产物(DCHB), 即化合物 15, 它是
由希夫碱式结构的中间体(DI)迅速转化而来的[50].
该法所得产物由于引入了胺基, 使吸收光谱明显红
移. 化合物15是一钠盐形式, 水溶性也很好. 与非
平面卟啉相似, 其与小牛胸腺DNA的结合是以非嵌入
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图10

方式进行的. 光照下, 它从DNA得到一个电子, 而导
致DNA的损伤和断裂. 由DNA向三重态DCHB的电子
转移生成DCHB的还原产物即DCHB·?及由此再反应生
成 的 D C H B H2, 而 这 些 还 原 产 物 又 是
O2·?和·OH的前体. 另一方面, 由三重态DCHB向分子
氧的能量转移形成了 1O2. 所有这些活性氧都在 DNA
的断裂中起作用. 但 DNA的给电子作用降低了 1O2的
表观产率, 而增强第一过程, 甚至在无氧条件下也能
发生 DNA的断裂, 这适合于肿瘤细胞中的缺氧环境,
并可能有利于DCHB体内光疗活性的发挥[51].
3.3 七元环上取代的衍生物
(1) 磺化反应. 在通空气的条件下, 加热回流竹
红菌素(以 HA为例)和亚硫酸钠(Na2SO3)的含 1%NaOH
强碱水溶液, 可生成14-脱羟基-15-脱乙酰基-13-磺
酸钠竹红菌素(13-SO3Na-DDHA), 即化合物16[52], 如
图11.
化合物16与母体HA相比, 是一种水溶性很好的
竹红菌素的衍生物.









图11

(2) 与氨基酸的反应. 甘氨酸是最简单、胺基化
反应位阻最小的氨基酸. 如图 12, 加热竹红菌乙素
和甘氨酸的DMF-1%NaOH溶液, 可得到15位脱甲酰基
-13位氨基酸取代的竹红菌素衍生物17[53] .
化合物 17的水溶性和红光吸收都得到了提高,
产率也较高.





图12

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与上述方法相似, 使6-胺基己酸(或4-胺基丁酸)
与乙素反应, 可得到化合物 18, 19[54], 如图13, 产
率大约为30%. 其中, 化合物18: R=NH(CH2)5COOH; 化
合物19: R = NH(CH2)3COOH.


图13

观察化合物 18, 19对人胃癌细胞株 MGC-803和
人口腔上皮癌细胞株KB的光动力抗肿瘤活性可以发
现, 光照后它们对癌细胞的杀伤作用极为明显, 光毒
性高, 暗毒性低, 光增强因子大[54].
(3) 与氨水的反应. 如图14, 用吡啶作溶剂, 在
加热的条件下(50~55℃), 使 HB与氨水反应, 可得
到17位取代的衍生物20[55].
化合物 20与其母体相比, 在光疗窗口的吸收增
强了. 它保持了竹红菌素产生单重态氧的能力, 同时,









图14

其超氧负离子自由基的生成能力也有了一定程度的
提高. 但其产率仅为13%.
(4) 与乙醇胺的反应. 用吡啶作溶剂, 将HB与
乙醇胺的溶液加热到50℃, 反应5 h, 可生成七元环
胺基取代的衍生物21, 22, 23[56], 如图15.
修饰以后的产物在640 nm波长有较强的吸收峰,
同时, 这些衍生物既保持了竹红菌素本身所具有的
良好的脂溶性, 水溶性也有所改进. 将乙醇胺取代乙
素的衍生物、5位溴代乙素衍生物和 5, 8位溴代乙
素衍生物对小鼠腹水肝癌细胞的光损伤能力进行对
比, 可以发现乙醇胺取代乙素的衍生物杀伤癌细胞
的能力是最强的[55]. 但该反应的产物多, 不利于最终
分离纯化, 产率也较低(仅为10%左右).


















图15
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3.4 2位脂肪胺基取代的衍生物
以上对竹红菌素所作的结构修饰尽管在一定程
度上增强了其在红光部分的吸收, 提高了其水溶性,
但总体上说, 并未实现预期的效果.
由以前所作竹红菌素与氨基酸、乙醇胺、半胱氨
和半胱氨酸所合成衍生物的实验结果可以看出, 胺
基取代的竹红菌素表现出了较好的光动力效果, 优
于其他的竹红菌素衍生物. 生物体内外的实验表明,
各种衍生物中, 胺基取代的竹红菌素衍生物由于引
入了胺基, 使其吸收光谱红移, 在光疗窗口的吸收大
大增强, 它的抗肿瘤效果是最好的. 同时, 竹红菌素
的胺基衍生物能更有效地富集在溶酶体, 这种有效
的富集能提高光敏剂的光毒性并降低其暗毒性, 提
高光敏剂的选择性. 已经证明在溶酶体聚集的光疗
药物具有很多优点[26].
近年来, 人们不断探索新的胺基取代的竹红菌
素衍生物, 以期得到光动力疗效好的胺基取代衍生
物, 将竹红菌素这一具有诸多优势的抗癌药物早日
应用于临床. 2位胺基取代的竹红菌素[57]与以前迫位
胺基取代的竹红菌素衍生物[24]相比, 保护了迫位羟
基, 使其吸收光谱大大红移. 故这部分着重介绍人们
已合成出的一系列与脂肪胺生成的 2位胺基取代的
竹红菌素的衍生物.
最初, 我们用吡啶作溶剂, 在温和的条件下
(50~55℃), 使HA(HB)与正丁胺反应, 得到了2位胺
基取代的衍生物24(R=(CH2)3 3)[58], 如图16.






图16

用同样的方法, 使其他烷基胺与竹红菌素反应,
可以得到与上面结构类似的衍生物[57]. 与脂肪胺生
成的 2位胺基取代的竹红菌素衍生物保留了母体的
迫位羟基结构, 光动力疗效得到了明显的提高. 从化
合物24对人体胃癌细胞MGC803的光毒性实验结果来
看, 它主要定位在内质网和线粒体, 摄取迅速, 光动
力作用途径以诱导细胞凋亡为主, p53和bcl-2基因
对其光动力作用起着重要的调控作用[29,58,59]. 在相同
的条件下, 化合物24对EMT-6/ED肿瘤细胞的光疗效
果是Photofrin Ⅱ的300倍. 和HA相比, 它不仅降
低了暗毒性, 而且光毒性明显增强. 我们用移植胰腺
癌的裸鼠实验研究了正丁胺基取代竹红菌素对活体
癌肿瘤的抑制作用, 结果发现注射正丁胺基取代的
竹红菌素组对胰腺癌的生长抑制率基本上达到
100%[60].
但是, 由于该法所用溶剂的沸点较高, 副产物较
多, 导致产率较低.
为了克服以上的缺点, 我们改用不同的溶剂进
行反应, 从吡啶、环己烷、苯、乙醇和四氢呋喃等溶
剂中筛选出了理想的反应溶剂—— 四氢呋喃/水 =
4︰1.
为此, 我们用四氢呋喃/水(4︰1)代替吡啶, 改
进上面的实验条件, 取得了很好的效果. 以HB与正
丁胺的反应为例, 所得产物记为 BAHB, 实验结果表
明, 产物总收率提高到了65%, 大大高于用以上方法
所得的正丁胺取代的竹红菌素的衍生物(约为15%).
为了筛选出更为理想的光敏剂, 我们尝试合成
了不同脂肪胺基取代的竹红菌素衍生物, 包括正戊
胺、苄胺、环己胺等衍生物.
其中, 环己胺与乙素反应所得产物记为CHAHB. 由
于环己基的空间位阻效应, 11位取代的产物产率极
低, 大大提高了2位产物的产率(达到了88%), 也使
产品的最终纯化更为简单. 从CHAHB对人体胰腺肿瘤
细胞Capan-1的光毒性实验结果来看, 它表现出了比
母体和正丁胺取代衍生物更高的光动力活性[61].
4 结论及展望
比较以前所作竹红菌素的衍生物, 可以发现, 最
初将水溶性好的基团引入竹红菌素, 得到了水溶性
很好的衍生物, 但发现它们的光动力效果很不理想.
我们认为以前合成出的水溶性竹红菌素总是在苝醌
环上引入一个水溶性极好的基团, 如磺酸钠、铝离
子、羧酸等, 从而使整个分子的水溶性有效地增强.
但由于细胞膜的亲脂性阻碍了光敏剂对癌细胞的穿
透与进攻, 这些水溶性好的衍生物在光疗窗口的吸
收并没有得到有效地改善. 我们尝试设计合成了胺
基取代的竹红菌素的衍生物, 胺基的引入使这些衍
生物在光疗窗口的吸收大大增强, 并且在细胞实验
和动物活体实验中都取得了很好的效果. 然而这种
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胺基取代衍生物的水溶性较差, 给药物制剂带来了
很大的不便, 从而限制了它们在临床上的应用.
综合以上两个因素, 为使竹红菌素向临床应用
更进一步, 设计并合成具有一定脂-水兼溶性的胺基
取代的衍生物(即两亲性的胺基取代的衍生物)是我
们的目标. 我们在引入的水溶性基团和苝醌环之间
设置几个碳的距离, 这样既保留了竹红菌素母体的
脂溶性, 使其能有效地靠近细胞膜, 同时水溶性基团
的存在也使其在水中能有效地溶解, 解决了药物制
剂难的问题.
使哌嗪、吗啉和二甲基乙二胺与乙素反应, 有望
得到我们需要的衍生物, 反应如下: 用四氢呋喃作为
溶剂, 在温和的条件下(50~55℃), 使HB与哌嗪、吗
啉或二甲基乙二胺反应, 可得到2位胺基取代的衍生
物25, 26, 27, 如图17.


图17

但产物的产率较低, 仅为10%左右. 目前, 对这
些衍生物的合成和光动力效果以及细胞实验的研究
正在进行之中. 可以设想, 对竹红菌素进行分子设计
和功能预测可实现结构改造和脂水兼容性的优化,
从而筛选出具有最佳两亲性的竹红菌素衍生物进行
药物制剂并应用于临床抗癌.
另一方面, 人们考虑如果采用具有两亲性质的
生物相容性材料与竹红菌素分子进行组装是否可以
实现临床药物制剂. 以脂质体作为药物载体, 利用成
膜-超生法制备了一系列 HA-脂质体和 HB-脂质体复
合体系. 实验结果表明: 竹红菌素-脂质体复合体系
可实现药物在血液内的有效运输和细胞的选择吸附,
脂质体包封可改善药物的物理化学特性, 制成用于
静脉注射的针剂. 此外, 它也是提高导向运输和靶体
定位能力、减少副作用的一种较好的方法.
初步研究结果表明: 在脂质体中, HA保持了单
重态氧的产生能力, 与HA在苯中的相近[62], 但难以
检测到半醌负离子的信号; HB产生的单重态氧量子
产率与HB在氯仿中相近, 但单重态氧机制所起的作
用没有其在有机溶剂中的大, 产生的羟基自由基起
了很重要的作用[63]. 系统研究脂质体包封的竹红菌
甲素在荷瘤小鼠体内的药代动力学、组织分布和光疗
效率, 并与 DMSO促溶的 HA及血卟啉单甲醚(HMME)
做了比较[64]. 结果表明, 脂质体的包封增强了对肿瘤
的选择性, 其最高光疗效率远高于HA-DMSO和HMME,
证明脂质体是靶向给药及提高光疗效率的一种有效
途径.
但在目前, 国内外文献中脂质体的制备方法(如
薄膜分散法、超声波分散法、注入法、冷冻干燥法)
普遍不适用于大量生产且都要求在无菌操作条件下
进行. 经加热灭菌脂质体的结构即破裂, 虽剧烈振摇
亦不能恢复原有的分散体系, 而且粒度变大, 往往超
过静脉注射的要求. 为了增加包封量、简化工艺、提
高成品的疗效、保证实用安全, 我国研究加入合成非
离子表面活性剂(Tween, Span, PVP, PVA类等)用熔
融法制成多相脂质体, 将处方中水溶性药物和脂溶
性药物均包封于脂质体中, 未被包封的油粒分散成
超微粒, 使符合静脉注射剂的要求. 所以我们可以设
想如用熔融法制备脂质体包封的竹红菌素及其衍生
物, 可进行大规模的生产, 为竹红菌素的临床应用开
辟另一条广阔的道路.
总之, 目前所得到的大量的实验资料, 包括细胞
实验、生物体内及临床上的数据都表明竹红菌素是一
种很有应用前景的光疗药物. 但是作为一种新的光
动力药物, 还有一些问题亟待解决. 其一, 即最重要
的问题, 就是竹红菌衍生物的脂水兼容性和光动力
活性之间依然存在矛盾; 其二, 竹红菌素衍生物与癌
细胞之间的作用机制需要更加深入的探讨; 其三, 一
些有价值的反应需要改进反应条件来提高所得衍生
物的产率; 最后, 需要寻找优良的药物载体进行药物
制剂以使该抗癌药物应用于临床. 利用竹红菌素与
目前临床应用的 HpD结构相差很大且具有不同的光
物理、光化学和生物分布特性, 有可能设计出不同的
复合光疗试剂来应用于不同的癌症并最终实现其在
人体上的应用.
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致谢 本工作为国家自然科学基金(批准号: 20172058)资
助项目.
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(2003- 1-07收稿, 2003-04-02收修改稿)