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花锚酮类化合物1-羟基-2;3;5-三甲氧基酮在大鼠肝脏微粒体中的代谢转化及CYP450酶亚型的鉴定



全 文 :基金项目:“重大新药创制”科技重大专项(2012ZX09301-002-001,2012ZX09301-002-006);国家自然基金面上项目(30873115);中国医学科学
院药物所基本科研业务费(2012CHX18)
作者简介:谭湘姗,女,硕士研究生 研究方向:药物代谢酶 * 通讯作者:王琰,女,教授,硕士生导师 研究方向:药物代谢及药物分析
Tel /Fax:(010)63165238 E-mail:wangyan@ imm. ac. cn
花锚 酮类化合物 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮在大鼠肝脏微粒体中的
代谢转化及 CYP450 酶亚型的鉴定
谭湘姗1,冯茹1,石建功1,车镇涛2,王琰1* (1. 中国医学科学院药物研究所,天然药物活性物质与功能国家重点实验室,北京
100050;2. Department of Medicinal Chemistry & Pharmacognosy (MC 781),UIC College of Pharmacy,Chicago,IL 60612-7231)
摘要:目的 研究花锚 酮类化合物 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮(HM-1)在大鼠肝脏微粒体中的代谢转化,并鉴定参与 1-羟
基-2,3,5-三甲氧基代谢的 CYP450 酶亚型。方法 采用大鼠肝脏微粒体温孵体系,结合高效液相-离子阱-飞行时间质谱技
术(LC /MSn-IT-TOF),确定 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮在大鼠肝脏微粒中的代谢途径,并通过加入特异性化学抑制剂,鉴定
参与 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮在大鼠肝脏微粒体中代谢的主要 CYP450 酶亚型。结果 在大鼠肝微粒体中主要检测到 6
个代谢产物,通过对未知代谢产物进行结构解析,表明 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮的 I 相代谢反应主要是去甲基化或 /和羟
化反应;CYP1A2、CYP2C6 /11、CYP2D2、CYP2E1、CYP3A2 均参与了 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮在大鼠肝脏微粒体中的代谢,
其中 CYP2C6 /11 与 CYP3A2 的参与程度较高。结论 进一步完善了 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮在大鼠微粒体中的代谢途
径,鉴别了参与 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮在大鼠中代谢的 CYP450 酶亚型,这将为 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮的药物药
物相互作用研究提供参考,也为花锚的临床合理用药提供指导。
关键词:1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮;CYP450;高效液相-离子阱-飞行时间质谱;特异性化学抑制剂;代谢转化
doi:10. 11669 /cpj. 2014. 19. 008 中图分类号:R965 文献标志码:A 文章编号:1001 - 2494(2014)19 - 1704 - 06
Biotransformation and Involved CYP450 Isomers of Bioactive Xanthone HM-1 from Halenia elliptica,D.
Don in Rat Liver Microsomes
TAN Xiang-shan1,FENG Ru1,SHI Jian-gong1,CHE Zhen-tao2,WANG Yan1* (1. State Key Laboratory of Bioactive
Substances and Functions of Natural Medicines,Institute of Materia Medica,Chinese Academy of Medical Sciences,Beijing 100050,
China;2. Department of Medicinal Chemistry & Pharmacognosy (MC 781),UIC College of Pharmacy,Chicago,IL 60612-7231)
ABSTRACT:OBJECTIVE To study the biotransformation of bioactive xanthones 1-hydroxyl-2,3,5-trimethoxyxanthone(HM-1)
from Halenia elliptica,D. Don and five mostly common CYP450 isoforms involved of the its metabolism in rat liver microsomes
(RLMs). METHODS Using RLMs,combining high performance liquid chromatography coupled to ion trap time-of-flight mass spec-
trometry (LC /MSn-IT-TOF),the metabolic pathway of HM-1 was profiled. CYP1A2,CYP2C6 /11,CYP2D2,CYP2E1,CYP3A2
were studied to identify the involved isoforms by using specific chemical inhibitor of each isoform. RESULTS Six phase Ⅰ metabo-
lites were detected and identified in the metabolism of HM-1 in RLMs. Demethylation or / and hydroxylation were the major phase Ⅰ
metabolic reactions. By using specific chemical inhibitors with three different concentrations,CYP1A2,CYP2C6 /11,CYP2D2,
CYP2E1,CYP3A2 were all found to be involved in the metabolism of HM-1. By contrast,CYP2C6 /11 and CYP3A2 were the most in-
volved isoforms. CONCLUSION The metabolic profile of HM-1 is further improved,and CYP450 isomers involved in metablosm of
HM-1 in RLMs is identified. This will provide a scientific reference for the drug-drug interaction of HM-1 and an instruction for the
clinical use of Halenia elliptica,D. Don.
KEY WORDS:1-hydroxyl-2,3,5- trimethoxyxanthone;xanthone;CYP450;LC /MSn-IT-TOF;specific chemical inhibitor;meta-
bolic transformation
花锚(Halenia elliptica,D. Don)为藏医常用药
材,在藏医药系统中常被用于治疗肝炎和胆囊炎。
以花锚为主要有效成分的中成药乙肝健,在临床上
用于治疗急慢性乙型肝炎和其他肝炎[1]。有大量
报道表明其中的主要 酮成分是该植物的活性成
分[2-3],具有广泛的药理学作用,如肝保护作用,血管
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舒张作用,抗氧化等[3]。我们曾经报道此类 酮化
合物具有较好的舒张大鼠冠状动脉血管的作用[4-7],
其中,以 1-羟基-2,3,5-三甲氧基 酮(HM-1,化学
结构见图 1)的作用最强[6]。
肝药 酶 细 胞 色 素 P450 (cytochrome P450,
CYP450)是一类重要的药物代谢酶,参与了大部分
内源性和外源性化合物的代谢,尤其是药物和致癌
物质的代谢[8-10]。其中,5 个主要的 CYP450 酶亚
型,即 CYP1A2,2C9,2D6,2E1 和 3A4,参与了临床
90%常用药物的代谢[11],因此通常应用这 5 个酶来
评价候选化合物的代谢特征。先前研究结果表明,
此类 酮化合物能够通过肝药酶发生广泛的代
谢[12],而文献对此类化合物在体外肝脏微粒体中的
代谢转化及 CYP450 酶亚型的鉴定报道较少[13]。
基于我们前期对此类活性 酮成分代谢转化与
药效学的研究,本实验将采用体外大鼠肝脏微粒体
温孵体系,结合高效液相-离子阱-飞行时间质谱技
术(LC /MSn-IT-TOF),对 HM-1 的在肝脏微粒体中
的代谢途径进行推测,并鉴定了参与其代谢的
CYP450 酶的亚型,以探讨 HM-1 的代谢特点。
1 仪器与试剂
仪器:Shimadzu 高效液相-电喷雾-离子阱-飞行
时间质谱仪(LC /MSn-IT-TOF,Shimadzu 公司,日
本),Shimadzu LC-MS solution工作站,用于在线分析
代谢产物(Shimadzu 公司,日本);Agilent 1100 型高
效液相色谱仪(Agilent公司,美国);FSH - 2 可调高
速匀浆机(金坛盛蓝仪器制造公司);Heraeus Pico
21 微量离心机(Thermo Scientific 公司,德国);
MD200 - 2 氮气扫吹仪(杭州典盛仪器公司);Ther-
momixer comfort 型恒温混匀器(Eppendorf 公司,德
国);上海雷磁 PHS -2F型 pH 计(上海精密科学仪
器有限公司);Spectra Max 190 型酶标仪(Molecular
Devices公司,美国)。
图 1 1-羟基-2,3,5-三甲氧基口山酮(HM-1)的化学结构
Fig. 1 The chemical structure of 1- hydroxyl-2,3,5- trime-
thoxyxanthone(HM-1)
试剂:HM-1 为本实验室所分离及纯化(HPLC
纯度大于 98%);葡萄糖-6-磷酸二钠盐(G-6-P,批
号:SLBC5100V )、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸钠盐
(NADP,批号:020M7009V)、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶
(G-6-PDH,type XII,批号:SLBG3372V),三羟甲基
氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl,HPLC 纯度≥99. 0%),
呋喃菲林(furafylline,HPLC 纯度≥98. 0%),磺胺
苯吡唑(sulfaphenazole,HPLC纯度≥98. 0%),奎尼
丁(quinidine,HPLC纯度≥98. 0%),二乙基二硫代
氨基甲酸钠(sodium diethyldityiocarbamate,HPLC纯
度≥98. 0%),酮康唑(ketoconazole,HPLC 纯度≥
98. 0%),均购自 Sigma 公司(St. Louis,MO);内标
大黄 素 (批 号:110756-200110, HPLC 纯 度 ≥
99. 0%)购自中国药品生物制品检定研究院;BCA
蛋白定量试剂盒(北京普利莱基因技术有限公司)。
2 方 法
2. 1 大鼠肝脏微粒体的制备
雄性 Sprague-Dawley 大鼠,SPF 级,体重 250 ~
280 g,年龄为 6 ~ 7 周,购自北京大学医学部实验动
物科学部[许可证号为 SCXK(京)2009-0017]。动
物实验过程及伦理遵循中国医学科学院 & 北京协
和医学院实验动物管理规定。
断髓处死大鼠后,迅速取出肝脏,用 4 ℃生理盐
水清洗至无血色。去除多余组织后用 4 ℃生理盐水
漂洗至水无血色,再用滤纸吸干表面多余水分,称
重。加入 4 ℃ Tris-HCl-KCl 缓冲液(0. 05 mmol·
L -1,pH 7. 4)制成 50%均浆(M/V),于 4 ℃离心 25
min(10 000 × g)。上清液于 4 ℃ 离心 1 h
(105 000 × g),沉淀用适量 4 ℃ Tris-HCl-KCl 缓冲
液重新混悬,混悬液于 4 ℃离心 1 h(105 000 × g),
沉淀即为微粒体。按每只大鼠的肝脏加 4 ℃ Tris-
HCl-KCl缓冲液 8 mL制成匀浆,上述实验过程均在
低温下操作。采用 BCA 法测定肝微粒体蛋白浓
度[14],并于 - 80 ℃贮藏备用。
2. 2 HM-1 在大鼠肝脏微粒体中代谢产物的鉴定
优化后的肝脏微粒体温孵条件为:HM-1 浓度
为 50 μmol· L -1(溶于 DMSO,在体系中 DMSO
0. 2 %),NADPH发生系统(1. 3 mmol·L -1 NADP,
3. 3 mmol· L -1 G-6-P,0. 4 units·mL -1 G-6-P-D,
3. 3 mmol·L -1 MgCl2),加入“2. 1”项下制备得到的
大鼠肝微粒体,蛋白浓度为 6 mg·mL -1,大鼠肝脏
微粒体温孵体系用 4 ℃ Tris-HCl-KCl 缓冲液(pH
7. 4)补充至 500 μL。37 ℃预温孵 3 min后,加入大
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鼠肝微粒体启动反应,置于混匀器中于 37 ℃,47 ×
g,温孵 60 min。样品加入等体积的 0 ℃乙腈终止反
应,于14 462 × g离心 10 min,取上清,加入等体积室
温乙酸乙酯,置于混匀器中,于 75 × g,25 ℃充分萃
取 30 min,取上清,40 ℃氮气吹干。残渣用 80 μL
甲醇溶解,15 μL进样,LC /MSn-IT-TOF分析。
LC /MSn-IT-TOF分析条件如下:
色谱柱:Alltima C18柱(4. 6 mm × 250 mm,5
μm;Alltech公司);液相条件:流动相:A:乙腈,B:
水(0. 5%冰醋酸),洗脱程序为:0 min 20% A;20
min 70% A;30 min 80%A;35 min 20% A;流速:0. 8
mL·min -1;柱温:30 ℃;检测波长:252 nm。
质谱条件:离子化模式:ESI 源;扫描模式:正离
子扫描模式;分析模式:正离子检测方式;雾化气流:1. 5
L·min -1;CDL温度:200 ℃;加热模块温度:200 ℃;检
测器电压:1. 75 kV;碰撞能量:30% ~ 50%;干燥气压
力:130 kPa;采集范围:m/z 130 ~1 000;自动调谐优化
质谱条件:外标法校正质量数。
2. 3 参与代谢的 CYP450 酶亚型的鉴别
温孵体系同“2. 2”项下所述,在预温孵前加入
各 CYP450 酶的特异抑制剂(均溶解于甲醇),所应
用的化学抑制剂及其浓度见表 1[15],50 μL 进样,
HPLC-UV检测,条件同“2. 2”项下液相条件。
2. 4 数据分析
数据处理采用 GraphPad Prism 5 软件进行分
析,采用 One-way ANOVA 进行统计分析,P 值小于
0. 05 表明有显著性差异。抑制率的计算,是通过加
入特异性化学抑制剂后,HM-1 生成代谢物的减少
百分比来表示的:各亚型抑制剂浓度为 0 μmol·
L -1时,抑制率为 0%;加入抑制剂后未检测到代谢
产物时,抑制率为 100%。
3 结果与讨论
3. 1 HM-1 在大鼠肝脏微粒体中代谢产物的鉴定
采用大鼠肝微粒体研究 HM-1 的代谢途径,结
果主要检测到 6 个代谢产物(M1 ~ M6),见图 2(液
相色谱图)和图 3(质谱提取离子流图谱)。根据各
代谢产物在 LC /MSn-IT-TOF 的多级裂解数据(表
2),并结合实验室前期对该系列 酮化合物已发表
文献[12]中叙述的质谱裂解规律及已确定的代谢
产物结构,对代谢产物的结构进行了鉴定和推测。
M3(分子式为 C15H12 O6)是代谢物中相对含量
最大的,其[M + H]+ m/z 为 289. 071 6,通过与文献
[12]比较保留时间和质谱多级裂解碎片信息,鉴定
M3 为 酮化合物 HM-5(1,5-二羟基-2,3-二甲氧基
酮)。M1[M + H]+ m/z 为 305. 064 1,它的
[M + H]+ m/z 较 M3 多了 16,其多级裂解途径与
M3 相似,推测 M1 为 M3 的羟基化后生成的代谢产
物,结合核磁共振氢谱数据[16],确定该羟基位于 C-
6,因此 M1 的结构为 1,5,6-三羟基-2,3-二甲氧基
酮。M2与M3为同分异构体;根据与文献对比[12]
确定 M2 为 1,2-二羟基-3,5-二甲氧基 酮的结构。
M5通过与文献比较保留时间和质谱多级裂解碎片信
息[12],确定其结构为 1,2,5-三羟基-3-甲氧基 酮。
表 1 温孵体系实验中应用的特异性抑制剂及其浓度
Tab. 1 Specific inhibitors and their concentrations used in the
experiment
CYP isoforms Specific inhibitors c /μmol·L -1
CYP1A2 Furafylline 0,12. 5,25,50
CYP2C6 /11 Sulfaphenazole 0,10,50,100
CYP2D2 Quinidine 0,10,50,100
CYP2E1 Sodium Diethyldityio-carbamate 0,10,50,100
CYP3A2 Ketoconazole 0,2. 5,5,10
图 2 HM-1 在大鼠肝脏微粒体中生成代谢物的液相色谱图
Fig. 2 The HPLC chromatograph of metabolites produced by
HM-1 in RLMs
图 3 HM-1 在大鼠肝脏微粒体中生成代谢物的质谱提取离
子流谱图
Fig. 3 The extracted ion chromatograph of metabolites produced
by HM-1 in RLMs
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M6[M + H]+ m/z为 305. 07,与 M1 相对分子质量相
同,但保留时间不同,说明该二者为同分异构体;在
M6 的裂解碎片中发现其依次丢失了-CH3(15)与
H2O(18),说明仅有 A 环的 C-2 与 C-3 具有甲氧基
结构;并且连续丢失 2 个-OCH3(28)的信息与 M3
相类似,推测其 C-1 与 C-5 位有 2 个羟基;但是在多
级裂解碎片中,仅发现上述丢失-OCH3(28)的信息,
推测另一个羟基在 B环上,但不能确定其在 B 环上
的位置,因此 M6 的结构可能为 1,5,6-三羟基-2,
3-二甲氧基 酮、1,5,7-三羟基-2,3-二甲氧基 酮
或 1,5,8-三羟基-2,3-二甲氧基 酮。在正离子模
式下 M6(以 1,5,8-三羟基-2,3-二甲氧基 酮结构
为例)可能的质谱碎片裂解途径,图中表示了其中
一种丢失 B环羟基的方式(图 4)。
M4[M + H]+ m/z 为 603. 150 9(负离子检测显
示[M - H]- m/z为 601),推测其为 2 分子 HM-1 的
聚合物,但由于其代谢量较少,结构还需进一步
验证。
综上所述可以看到,在 6 个代谢物中,主要是在
HM-1 的结构基础上,发生了侧链的去甲基化或 /和
羟基化反应。代谢产物的部分鉴定为酶亚型鉴定提
供了检测基础。
3. 2 参与代谢的 CYP450 酶亚型的鉴别
将 HM-1与不同浓度的特异抑制剂进行共温孵,
以“3. 1”中的 6 个代谢产物为生物标记物,通过对代
谢产物生成的减少进行半定量检测,来评价 CYP450
酶亚型对 HM-1 代谢的参与程度。结果表明,
CYP1A2(图 5A)、CYP2C6 /11(图 5B)、CYP2D2(图
5C)、CYP2E1(图 5D)、CYP3A2(图 5E)均参与了HM-
1的代谢。具体结果如下:5 种 CYP450 酶亚型均参
与 M1的生成;参与 M2 生成的有 CYP1A2,CYP2C6 /
11,CYP2D2,CYP3A2;CYP1A2,CYP2C6 /11,CYP2E1,
CYP3A2主要参与 M3的生成;CYP1A2,CYP2C6 /11,
CYP2D2与 CYP3A2 主要参与 M4 的生成;CYP2C6 /
11,CYP2E1,CYP3A2 介导 M5 的生成;5 种 CYP450
酶均对 M6有贡献。结果见图 6。
图 4 M6 在正离子模式下可能的质谱碎片裂解途径
Fig. 4 The possible fragmentation pathway of M6 in positive mode
表 2 在大鼠肝微粒体中 HM-1 代谢物的化学式及质谱多级裂解信息
Tab. 2 Formula,mass errors in MS and MSn data from the detected metabolites of HM-1 in RLMs
Metabolite Formula
MS[M +H]+
m/z
Major fragment ions on positive mode
MS2 m/z MS3 m/z MS4 m/z MS5 m/z
M1 C15H12O7 305. 064 1 272. 024 5,290. 043 7 244. 038 6 216. 045 3,187. 041 7 160. 060 9
M2 C15H12O6 289. 072 0 274. 045 8 246. 054 1 231. 027 4,203. 038 7 203. 036 2
M3 C15H12O6 289. 071 6 274. 048 2,256. 035 8 228. 039 9 200. 049 9,172. 053 5,229. 047 5 172. 051 2
M4 C32H26O12 603. 150 9 539. 108 1,302. 083 8,273. 075 1 483. 112 4,524. 074 8,245. 077 7 468. 087 7,452. 084 2,230. 048 5 439. 084 4
M5 C14H10O6 275. 057 8 260. 036 1 215. 033 4
M6 C15H12O7 305. 066 3 290. 047 3,272. 033 5,244. 034 0 272. 032 5,244. 028 1 216. 037 8
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中国药学杂志 2014 年 10 月第 49 卷第 19 期 Chin Pharm J,2014 October,Vol. 49 No. 19
图 5 大鼠肝微粒体中参与 HM-1 代谢的 CYP450 酶鉴别结果. n = 6,珋x ± s
A - CYP1A2,B - CYP2C6 /11,C - CYP2D2,D - CYP2E1,E - CYP3A2;与对照组比较,1)P <0. 05,2)P <0. 01,3)P <0. 000 1
Fig. 5 The results of involved CYP450 isoforms of HM-1 in RLMs. n = 6,珋x ± s
A - CYP1A2,B - CYP2C6 /11,C - CYP2D2,D - CYP2E1 and E - CYP3A2;compared with the control;1)P <0. 05,2)P <0. 01,3)P <0. 000 1
表 3 高浓度抑制剂在大鼠肝微粒体中对 HM-1 各代谢产物的抑制率. n = 6,珋x ± s
Tab. 3 The inhibitory rates of high concentrations of inhibitors on metabolites of HM-1 in RLMs. n = 6,珋x ± s
Metabolites
CYP450 isoforms
CYP1A2 /% CYP2C6 /11 /% CYP2D2 /% CYP2E1 /% CYP3A2 /%
M1 22. 71 ± 5. 62 74. 48 ± 12. 35 29. 16 ± 4. 22 53. 49 ± 10. 10 60. 56 ± 11. 43
M2 16. 13 ± 2. 10 90. 64 ± 7. 98 18. 69 ± 3. 51 NA1) 93. 68 ± 6. 34
M3 NA 25. 87 ± 4. 42 NA 39. 82 ± 5. 76 19. 26 ± 1. 38
M4 13. 50 ± 1. 85 100. 00 ± 0. 00 13. 66 ± 2. 45 NA 99. 15 ± 0. 42
M5 NA 95. 37 ± 2. 56 NA 35. 51 ± 9. 72 91. 34 ± 4. 99
M6 44. 47 ± 8. 73 94. 28 ± 2. 99 44. 11 ± 10. 23 28. 72 ± 5. 11 91. 82 ± 3. 97
注:NA为无抑制作用,表示代谢产物的生成在高浓度抑制剂时未被未抑制
Note:NA means no inhibitory,indicating that corresponding metabolite was not been inhibited by the specific inhibitor under the high concentration
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通过对代谢产物的影响(用抑制率表示)来判断
CYP450 酶的参与程度,结果表明,磺胺苯吡唑
(CYP2C6 /11)和酮康唑(CYP3A2)对 HM-1 各代谢
物生成的抑制程度较为显著(在各抑制剂高浓度
下,HM-1 生成代谢产物的抑制率见表 3),推测
CYP2C6 /11 与 CYP3A2 为参与 HM-1 在大鼠肝脏微
粒体代谢的主要 CYP450 酶。
4 结 论
HM-1在大鼠肝脏微粒体中的代谢转化过程,共
检测到 6个代谢产物,经对代谢产物结构进行鉴定,
推测主要发生了去甲基化或 /和羟基化反应。所筛选
的 5 个 主 要 CYP450 酶:CYP1A2、CYP2C6 /11、
CYP2D2、CYP2E1、CYP3A2均介导了 HM-1 在大鼠肝
脏微粒体中的代谢;其中,CYP2C6 /11 与 CYP3A2 的
贡献较大。化合物在肝脏中表现为多酶参与代谢,因
为这样性质的药物在临床上不易产生由于药物-药物
相互作用而引起的不代谢或少代谢的现象,提示其可
能具有较好的成药性;但同时需要指出,CYP2C、
CYP2D具有基因多态性,有该亚型参与代谢的化合物
作为临床药物给药时,可能需要对特殊人群进行个体
化给药。通过本课题的实施,进一步完善了HM-1在大
鼠微粒体中的代谢途径,鉴别了参与HM-1在大鼠中代
谢的 CYP450酶,为花锚临床合理用药提供科学指导。
图 6 HM-1 在大鼠和人肝微粒体中可能的代谢途径
Fig. 6 The metabolic pathway of HM-1 and involved CYP450
isoforms in RLMs
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(收稿日期:2014-05-20)
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中国药学杂志 2014 年 10 月第 49 卷第 19 期 Chin Pharm J,2014 October,Vol. 49 No. 19