全 文 ： 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2014, 49 (3): 293−302 · 293 ·



类天然藤黄属桥环呫吨酮的结构优化研究进展
王艳艳 1, 2, 张晓进 1, 3, 杨英睿 1, 2, 孙昊鹏 1, 2, 尤启冬 1, 2*
(中国药科大学 1. 江苏省药物分子设计与成药性优化重点实验室, 2. 药学院药物化学教研室,
3. 理学院有机化学教研室, 江苏 南京 210009)
摘要: 以生物活性天然产物为模板进行类天然产物的设计是新药发现的重要途径之一。藤黄酸是一种具有
独特桥环呫吨酮骨架的藤黄属天然产物, 其具有良好的体内外抗肿瘤活性。本文主要是对藤黄酸抗肿瘤药效骨
架的确证以及在此基础上进行类天然桥环呫吨酮化合物的设计、结构优化及构效关系研究等方面进行综述和展
望。
关键词: 类天然产物; 抗肿瘤; 桥环呫吨酮; 结构优化; 藤黄酸; 构效关系
中图分类号: R916 文献标识码: A 文章编号: 0513-4870 (2014) 03-0293-10
Progress in research of the structural optimization of natural
product-like Garcinia caged xanthones
WANG Yan-yan1, 2, ZHANG Xiao-jin1, 3, YANG Ying-rui1, 2, SUN Hao-peng1, 2, YOU Qi-dong1, 2*
(1. Jiangsu Key Laboratory of Drug Design and Optimization; 2. Department of Medicinal Chemistry, School of Pharmacy;
3. Department of Organic Chemistry, School of Science, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China)

Abstract: Designing of natural product-like compounds using natural products as template structures is
an important strategy for the discovery of new drugs. Gambogic acid (GA), which is a Garcinia natural product
with a unique caged xanthone scaffold, inhibits potent antitumor activity both in vitro and in vivo. This review
summarized the researches on the identification of the antitumor pharmacophore of GA, and the design,
structural optimization and structure-activity relationship (SAR) of natural product-like caged xanthones based
on it.
Key words: natural product-like compound; antitumor; caged xanthone; structural optimization; gambogic
acid; structure-activity relationship

天然产物骨架的复杂性和丰富的官能团化赋予
了天然产物特有的生物学活性。天然产物一直是先导
化合物甚至药物的重要来源。统计数据显示, 1981～
2010年全世界发现的 1 073种药用小分子新化学实体
中有 64% 直接或间接地来源于天然产物[1]。以天然产
物的药效骨架为模板开展类天然产物的研究, 从而
获取结构新颖、药理活性增强及成药性改善的先导化
合物或候选药物, 是新药研发的重要途径之一[2−4]。

收稿日期: 2013-09-06; 修回日期: 2013-10-10.
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (21072231).
*通讯作者 Tel / Fax: 86-25-83271351, E-mail: youqidong@gmail.com
藤黄是热带及亚热带地区的藤黄属植物的树干
划裂后分泌的胶状树脂, 在亚洲作为药物使用已有
数百年的历史。通过现代的研究手段, 人们从藤黄属
植物中先后提取分离得到了一系列含有“4-氧杂三
环[4.3.1.03,7]癸烯-2-酮桥环”特征骨架的呫吨酮类化
合物, 如藤黄酸 (gambogic acid, GA, 1)、gambogin
(2)、morellin (3)、morellinol (4)、desoxymorellin
(5)、morellic acid (6)、deoxygaudichaudione A (7)、
gaudichaudione A (8) 等 (图 1), 其中天然产物藤黄
酸 (1) 的抗肿瘤活性最为显著而倍受关注[5]。藤黄酸
体外及体内实验中对多种肿瘤细胞均有明显的生长
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抑制作用, 其 IC50 值在微摩尔水平[6−8], 而对造血和
免疫系统功能没有明显影响[9]。本课题组[10]研发的藤
黄酸注射液在中国已完成 II期临床研究。
然而, 以藤黄酸直接作为新药的开发过程中仍
存在诸多问题。首先, 藤黄酸结构复杂, 全合成非常
困难, 至今未有成功的全合成方法报道, 目前藤黄酸
均是从藤黄属植物中分离提取获得, 但产率较低[11]。
其次, 由于缺乏必要的水溶性基团以及结构刚性过
大, 导致其理化性质、药代动力学性质不佳[12]。例如,
藤黄酸的水溶性很差 (小于 0.5 μg·mL−1), 藤黄酸注射
液制剂中需加入特殊的助溶剂; 藤黄酸的口服生物
利用度较低, 只能注射给药, 口服抗肿瘤药效大幅度
下降。这两方面实际上是基于天然产物进行新药研发
普遍存在的“可获得性”及“成药性”问题的具体
体现。
针对天然产物藤黄酸上述所存在的问题, 国内
外研究组特别是笔者所在课题组旨在保留其抗肿瘤
活性的同时, 对藤黄酸进行结构简化和改造, 以期寻
找结构简化易于合成、具有良好成药性的新型类天然
产物。本文主要是对藤黄酸抗肿瘤药效骨架的确证以
及在此基础上进行类天然桥环呫吨酮化合物的设计、
优化及构效关系研究等方面进行综述和展望。
1 藤黄酸抗肿瘤关键药效骨架的初步探究
藤黄酸 (图 1) 结构复杂, 由多个环系结构骈合
而成, 其中 BCD环组成了呫吨酮结构, D环上融合着
藤黄属特征桥环骨架, B环骈合了吡喃环 A环, 各环
上还连有异戊烯基、羧基、羟基等取代基团。藤黄酸
具有如此复杂之结构, 哪一部分是其发挥抗肿瘤活
性最为关键的药效骨架？这是基于藤黄酸进行抗肿
瘤类天然产物研发需解决的首要问题。
鉴于独特的“4-氧杂三环[4.3.1.03,7]癸烯-2-酮”
桥环骨架为藤黄属天然产物共有结构[5], 推测该部分
可能是藤黄酸发挥抗肿瘤活性的关键骨架。本课题组
在去除 A 环侧链的基础上, 将复杂的桥环 D 环区域
用简单的苯环代替或者直接将桥环 D 环去除, 设计
了以化合物 9、10 为代表的平面呫吨酮及色酮类似
物, 以考察藤黄酸桥环区域对抗肿瘤活性的影响[13]
(图 2)。体外活性评价结果表明, 与藤黄酸相比, 化合
物 9、10对人口腔癌 KB、人结肠癌 HCT-8和人肝癌
Bel7402等肿瘤细胞株的生长抑制活性下降了数百倍
之多。最近, Yen等[14]报道了保留藤黄酸 A环异戊烯
基侧链的平面呫吨酮类似物 11, 其对人口腔癌 KB
及人肺癌A549细胞的生长抑制活性也较藤黄酸下降
了数十倍。此外, Zhang 等[15]将藤黄酸桥环中的 C9,
10 位碳碳双键选择性还原为单键, 发现这将导致抗
肿瘤活性的丧失。最近, Palempalli 等[16]报道藤黄酸
的 C9, 10位双键可作为Michael加成受体, 共价修饰
IκBα kinase-β (IKKβ) 蛋白, 从而发挥抗肿瘤生物活


图 1 从藤黄属植物中分离得到的部分呫吨酮代表化合物


图 2 平面色酮及呫吨酮结构的藤黄酸类似物
王艳艳等: 类天然藤黄属桥环呫吨酮的结构优化研究进展 · 295 ·


性。综上可见, 含有 α, β-不饱和酮结构的桥环 D 环
是藤黄酸发挥抗肿瘤作用的关键药效骨架。
2 类天然藤黄属桥环呫吨酮的设计与结构优化
藤黄酸的药效骨架桥环 D 环上连有一个异戊烯
基, 其末端被羧基取代。本课题组[17]在进行藤黄属天
然产物的全合成研究时, 发现构建藤黄酸的 C30 位
顺式羧基极其困难。值得庆幸的是, 研究发现藤黄酸
C30位羧基并不是抗肿瘤活性必需基团, 有报道另一
藤黄属天然产物 gambogin (2) (图 3), 其结构中缺失
了C30位羧基, 但对人白血病HL-60细胞及其耐药细
胞 HL-60/ADR的活性与藤黄酸相当[18]。此外, Zhang
等[15]、He等[19]报道藤黄酸 C30位羧基衍生化为酯、
酰胺等抗肿瘤活性均保留。尽管 C30 位羧基为藤黄
酸分子中唯一的良好亲水性基团, 但是综合考虑化
学合成难度及初步构效关系, 笔者及国外研究组后
续基于藤黄酸的类天然产物研究中, 保留关键药效
骨架桥环D环的同时, 均将该羧基简化为甲基, 或将
其直接去除。藤黄酸分子结构庞大, 仅有 C、H、O
三种原子组成, 水溶性不佳, 因此, 本课题组在保证
抗肿瘤活性的前提下, 主要从缩小分子尺寸、引入亲
水性基团两大方面进行类天然产物的设计与优化 ,
以期获得结构简化、易于合成、具有良好成药性的新
型抗肿瘤候选药物。
2.1 类天然四环呫吨酮 除了桥环 D 环上的异戊烯
基之外, 藤黄酸分子在平面环区域的 A 环及 B 环上
还分别具有一个异戊烯基。本课题组针对藤黄酸的这
两组异戊烯基进行了大量的结构修饰工作, 发现其
能耐受各种类型取代基的修饰, 推测这两组异戊烯
基并不是抗肿瘤必需基团[20−26]。因此, 在类天然产
物的设计中, 本课题组尝试去除藤黄酸 A 环及 B 环
上的两组异戊烯基, 首先得到结构简化的 B 环骈合
吡喃环的四环化合物 12; 改变吡喃环的骈合方向, 设
计四环化合物 13, 以考察 A 环吡喃环的空间取向对
抗肿瘤活性的影响; 进一步去除桥环上的偕二甲基,
设计化合物 14、15, 以考察桥环上的偕二甲基对抗肿
瘤活性的影响 (图 3)。体外活性测试结果表明, 化合
物 12～15 均具有良好的抗肿瘤活性, 它们对人肝癌
HepG2 细胞生长抑制 IC50值为 2.00～4.72 μmol·L−1,
与藤黄酸接近 (0.89 μmol·L−1) (表 1)[27]。这说明 A、
B 环上的异戊烯基及桥环上的偕二甲基并非抗肿瘤
活性必需基团, 同时吡喃 A 环的空间取向对抗肿瘤
活性影响不大。

表 1 代表化合物 14～19 的体外抗肿瘤活性、水溶解性及透
膜性测试结果
结构 化合
物 异戊烯
基位置 取代基 R
对HepG2细胞
的抑制活性,
IC50/μmol·L−1
固有溶
解度
/mmol·L−1
透膜率,
pH 7.4
(10−6 cm·s−1)
14 C2 − 2.99 0.32 16.8
16 C2 吗啉基 8.82 0.84 26.4
17 C2 二正丁胺基 0.93 0.028 8.1
15 C4 − 4.40 0.17 13.6
18 C4 吗啉基 9.35 0.43 36.3
19 C4 二正丁胺基 9.44 0.021 8.2
GA − − 0.89 0.015 26.5

2.2 桥环 D 环修饰的类天然四环呫吨酮 上述类天
然产物结构比藤黄酸更为简化, 但仍缺乏必要的亲
水性基团, 其水溶性虽然好于藤黄酸, 但依然不理想
(小于 0.4 mmol·L−1), 其透膜性与藤黄酸相比反而有
所下降 (表 1)。因此, 本课题组尝试在化合物 14、15
的桥环区域引入亲水性的含氮取代基, 如含氮杂环
吡咯、吗啉、哌嗪以及不同体积的脂肪胺基, 以期改
善化合物的水溶性、透膜性等理化性质 (图 4)[27]。研
究结果表明, 含氮杂环取代基的引入确实改善了化
合物的水溶性及透膜性 (表 1), 然而抗肿瘤活性普遍
降低, 仅当取代基为吗啉时 (如化合物 16、18), 对人
肝癌 HepG2细胞的生长抑制活性依然在微摩尔水平,
而当为吡咯、哌嗪取代时, 抗肿瘤活性大幅度降低
(IC50 > 70 μmol·L−1)[27]。此外, 脂肪链含氮取代基的引


图 3 类天然四环呫吨酮
· 296 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2014, 49 (3): 293−302


图 4 桥环 D环修饰的类天然四环呫吨酮

入又有两种情形: 当引入小体积的脂肪胺基如二甲
胺、二乙胺时, 抗肿瘤活性普遍较差; 当引入大体积
的脂肪胺基有利于活性, 如二正丁胺取代的化合物
17 对 HepG 细胞株体外生长抑制活性达到了 0.93
μmol·L−1, 然而其水溶性 (0.028 mmol·L−1) 及透膜性
(8.1×10−6 cm·s−1) 与化合物 14相比大为下降, 透膜性
更是远低于藤黄酸 (26.5×10−6 cm·s−1) (表 1)[27]。分析
上述结果, 推测由于该类化合物的吡喃并呫吨酮结
构刚性过大, 难以实现抗肿瘤活性与成药性的同步
优化, 结构有待进一步优化。
2.3 B 环修饰的类天然三环呫吨酮 考虑到分子过
大的刚性, 本课题组尝试去除刚性平面吡喃A环, 首
先得到三环化合物 20, 将其 B 环 C4 位的异戊烯基
变换到 C2 位, 得到三环化合物 21。化合物 20、21
亦可以看作前述具有吡喃环的类天然产物 12、13 的
开环类似物 (图 5)。体外活性评价结果表明, 化合物
20、21对人肝癌 HepG2细胞的生长抑制的 IC50值分
别为 4.07及 6.27 μmol·L−1 [27], 与化合物 12、13及藤
黄酸的活性相近, 这说明刚性的 A 环对抗肿瘤活性
贡献并不大, 可以去除。Theodorakis 等[18]同样报道
了缺失 A 环区域的化合物 20, 研究发现其对人白血
病 HL-60 细胞的生长抑制活性与藤黄酸相当, 这与
前述结论相一致。
笔者进一步研究发现, 化合物 20、21 桥环上偕
二甲基的去除对抗肿瘤活性影响不大, 如化合物 22、
23 对 HepG2 细胞生长抑制的 IC50值分别为 3.14 及
3.46 μmol·L−1 [27]。然而, 若进一步去除 B环及桥环异
戊烯基上的两组偕二甲基, 则将引起抗肿瘤活性大
幅度的下降, 如化合物 24、25对 HepG2等肿瘤细胞
的生长抑制活性比藤黄酸下降了 10～30倍[28]。若将
桥环具有供电子及疏水性质的偕二甲基替换为具有
吸电子及亲水性质的羰基, 将导致抗肿瘤活性的丧
失, 如化合物 26对 HepG2细胞生长抑制的 IC50值大
于 100 μmol·L−1 [28]。
本课题组尝试改变 B 环的羟基及异戊烯基的数
目及取代位置得到化合物 27～29 (图 5), 结果发现,
与化合物 20、21 相比, 这些化合物的体外抗肿瘤活
性均有较大幅度的下降[28]。上述研究结果可见, 当羟
基处于 B环的 C1、C3位, 且异戊烯基处于 C2或 C4
位时, 对抗肿瘤活性最为有利。
2.4 B 环及桥环 D 环同时修饰的类天然三环呫吨酮
在前述构效关系研究基础上, 为了改善化合物的水
溶性及透膜性等理化性质, 本课题组拟保留B环C1、
C3 位羟基、C2 或 C4 位的异戊烯, 去除对抗肿瘤活
性贡献不大的桥环上的偕二甲基, 在类天然产物 22、
23的桥环 D环区域引入含氮取代基团 (图 6)[27]。研
究发现, 桥环区域引入含氮杂环如吡咯、吗啉、哌嗪、
甲基哌嗪、苯基哌嗪等, 以及不同体积的脂肪胺取代
基如二甲胺、二乙胺、二正丁胺等均不会造成活性大
幅度的改变, 这些化合物对人肝癌 HepG2 细胞的体
外生长抑制活性与未引入取代基的 22、23 相当, 且
异戊烯基取代在 C2或 C4位对活性影响不大 (表 2)。

表 2 代表化合物 22、23、30～35 的体外抗肿瘤活性、水溶
解性及透膜性
结构 化合
物 异戊烯
基位置 取代基 R
对HepG2细胞
的抑制活性,
IC50/μmol·L−1
固有溶
解度
/mmol·L−1
透膜率,
pH 7.4
(10−6 cm·s−1)
22 C4 − 3.13 0.50 12.1
30 C4 吡咯基 4.71 0.85 15.6
31 C4 二正丁胺基 3.96 0.092 11.8
32 C4 4-苯基哌嗪基 1.96 0.34 20.6
23 C2 − 3.46 0.57 21.9
33 C2 吡咯基 2.42 0.98 26.2
34 C2 二正丁胺基 4.77 0.71 22.7
35 C2 4-苯基哌嗪基 3.10 0.38 13.2
GA − − 0.89 0.015 26.5

从表 2的数据可以看出, 取代氨基侧链一定程度
上可以改善化合物的水溶性, 但若取代基中含有较大
的疏水片段, 则反而会引起水溶性的下降, 如引入二正
丁胺基取代基的化合物 31的水溶性 (0.092 mmol·L−1)
王艳艳等: 类天然藤黄属桥环呫吨酮的结构优化研究进展 · 297 ·



图 5 B环修饰的类天然三环呫吨酮


图 6 B环及桥环 D环同时修饰的类天然三环呫吨酮

远低于无取代基的化合物 22 (0.50 mmol·L−1)。这些化
合物的透膜性 (11.8×10−6～26.2×10−6 cm·s−1) 也没有
得到改善, 与藤黄酸 (26.5×10−6 cm·s−1) 处于同一数
量级[27]。尽管如此, 本课题组研究发现, 这些化合物
引入含氮碱性基团后可制备成盐, 制备成相应盐酸
盐后其水溶性及透膜性均有数十倍的增加。
在该类桥环呫吨酮中, 以苯基哌嗪取代的化合
物 32对人肝癌 HepG2细胞的体外生长抑制活性最优,
IC50值为 1.96 μmol·L−1, 略好于未引入取代基的化合
物 22 (IC50值为 3.13 μmol·L−1), 同时其透膜性也有明
显的改善, 约为化合物 22的两倍。进一步对化合物 32
进行体内药效学评价, 结果显示化合物 32 的体内抗
肿瘤活性要远远低于藤黄酸。静脉注射给药, 当化合
物 32的给药剂量为 40 mg·kg−1时, 对肝癌 Heps移植
瘤小鼠的抑瘤率为 48.77%, 当给药剂量为 80 mg·kg−1
时, 抑瘤率为 60.20%, 而藤黄酸以 10 mg·kg−1的剂量
静脉注射给药时, 抑瘤率就可达到 69.11%。体内药
代动力学研究结果显示, 化合物 32 的绝对生物利用
度 (4.88%) 要低于藤黄酸 (13.4%)[27]。
2.5 藤黄酸抗肿瘤最小药效基团的确证 上述结构
优化得到的桥环化合物 32, 分子量为 610, 分子尺寸
依然较大, 水溶性及透膜性也没有得到大幅度的改
善, 致使其虽在体外表现出较好的抗肿瘤活性, 但其
体内药效却差强人意。Lipinski等[29]对 2 245个药物
及临床候选药物进行分析, 发现其中仅 11% 的化合物
分子量大于 500, 表明具有过大分子量的化合物成功
开发为药物更具难度。因此有必要进一步缩小分子尺
寸, 降低分子量, 寻找理化性质更佳、活性更好的化
合物。
本课题组重新从桥环呫吨酮 20 出发, 对其结构
进行进一步剖析 (图 7)。首先去除 B 环上疏水性的
异戊烯基, 得到化合物 36, 其对人肝癌 HepG2 细胞
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图 7 通过逐步简化策略确证藤黄酸的最小药效基团

体外生长抑制的 IC50值为 3.39 μmol·L−1, 与化合物 20
活性相当 (IC50值为 4.07 μmol·L−1), 这提示 B环 4位
的异戊烯基也是可以去除的[30]。进一步去除化合物
36 的 B 环 C3 羟基, 得到化合物 37, 其对 HepG2 的
生长抑制活性有较大的提升, IC50值为 0.81 μmol·L−1,
与藤黄酸的活性相当 (IC50值为 0.89 μmol·L−1), 这说
明 C3 羟基亦可以去除[27]。然而, 若去除化合物 37
的 B 环 C1 羟基, 则将引起活性的大幅度下降, 如化
合物 41 体外对 HepG2 细胞的抑制活性比化合物 37
下降了约 8倍[31]。若将 C1羟基移动到 C2、C3、C4
位也将引起活性的下降, 如化合物 38～40 的体外抗
肿瘤活性比化合物 37下降了 6～10倍[31]。改变 B环
的空间取向也将导致抗肿瘤活性的大幅度下降, 如
化合物 42 对多种肿瘤细胞的体外抑制活性比化合物
41下降了 8～10倍[30, 32]。若直接去除 B环, 只保留 C
环及桥环 D 环, 如化合物 43, 其对 HepG2 细胞生长
抑制活性的 IC50仅有 95 μmol·L−1, 基本丧失了体外
抗肿瘤活性[31]。Theodorakis 等[33]报道了类似的去除
B环的化合物 44, 其对人白血病 HL-60/ADR细胞的
生长抑制活性与化合物 41 相比亦大幅度下降, 这与
本课题组在实体瘤模型中的研究结果一致。分析上述
结果可以推测, BC 环组成的刚性环平面是藤黄酸及
桥环呫吨酮类化合物发挥抗肿瘤活性所必需的结构
片段, 且 B环上 C1位具有羟基取代有利于活性。
对于桥环 D 环区域, 本课题组也进行了深入的
构效关系剖析。在桥环化合物 37 的基础上, 去除桥
环上的偕二甲基所得的化合物 45 对 HepG2 细胞的
生长抑制 IC50值为 2.65 μmol·L−1, 活性下降了约 3 倍
[27]。进一步将桥环异戊烯基上的偕二甲基去除, 与化
合物 37 相比, 活性有近 10 倍的下降, 如化合物 46
相应的 IC50值为 9.14 μmol·L−1 [27]。由此可见, D环桥
环上异戊烯基上的偕二甲基对活性有较大影响, 与
桥环直接相连的偕二甲基对活性影响并不大。综合
上述分析, 化合物 45 承载着藤黄酸及桥环呫吨酮化
合物的最小抗肿瘤药效单元。
此外, 本课题组研究发现, 若将桥环中的氧原子
替换为氮原子, 且在氮原子上引入疏水性取代基团,
可以弥补 B 环 C1 位羟基及桥环异戊烯基上偕二甲
基的缺失引起的活性降低, 如氮杂桥环化合物 47 对
HepG2细胞的生长抑制活性与氧杂桥环化合物 45相
近, 其 IC50值为 2.68 μmol·L−1 [34]。
在上述藤黄酸的抗肿瘤最小药效基团的探寻过
程中, 本课题组发现了化学结构大为简化且对肝癌
HepG2 细胞的体外抗肿瘤活性与藤黄酸相当的化合
物 37[27, 31]。最近, Theodorakis等[35]也报道了化合物
37 对白血病 CEM 细胞的生长抑制活性与藤黄酸相
当。然而, 体内药效学研究结果表明, 化合物 37 对
小鼠 Heps移植瘤的体内生长抑制活性远远低于藤黄
酸[27]。当化合物 37以静脉注射给药剂量为 40 mg·kg−1
时抑瘤率仅为 40.66%, 而藤黄酸以静脉注射给药剂
王艳艳等: 类天然藤黄属桥环呫吨酮的结构优化研究进展 · 299 ·

量为 10 mg·kg−1时抑瘤率就达到了 69.11%。若进行口
服给药, 当剂量达到 100 mg·kg−1时仍无显著抗肿瘤
活性, 药代动力学研究也发现化合物 37 的口服绝对
生物利用度仅有 2.59%。这可能是由于化合物 37中缺
少必要的亲水性基团, 虽然透膜性 (77.6×10−6 cm·s−1)
有所提高但仍不佳, 水溶性依然较差 (0.84 mmol·L−1)
(表 3)[27], 这大大影响了其在体内转运、吸收过程, 该
类化合物的成药性质亟待进一步改善。

表 3 代表化合物 37、48～53 的体外抗肿瘤活性、水溶解性
及透膜性测试结果
结构
化合物
取代基 R
对 HepG2细胞
的抑制活性,
IC50/μmol·L−1
固有溶
解度
/mmol·L−1
透膜率,
pH7.4
(10−6 cm·s−1)
48 4-甲基哌嗪基 3.25 4.80 155.7
49 吡咯基 8.82 2.00 108.1
50 吗啉基 7.75 3.88 153.2
51 二甲胺基 8.59 7.01 189.1
52 二正丁胺基 7.83 0.19 50.1
53 4-苯基哌嗪基 7.34 0.62 77.3
37 − 0.81 0.84 77.6
GA − 0.89 0.015 26.5

2.6 类天然桥环呫吨酮与 IKKβ 的结合模式 2009
年 Palempalli 等[16]研究表明 NF-κB 信号转导通路中
的 IKKβ (IκB Kinase Beta) 蛋白是藤黄酸潜在的作用
靶标, 本课题组也证实藤黄酸及类天然藤黄属桥环
呫吨酮可通过抑制 IKKβ的催化活性来抑制 IκB的磷
酸化过程, 进而阻滞NF-κB核转位, 从而抑制相关抗
凋亡蛋白的表达, 促使肿瘤细胞凋亡[30]。因此, IKKβ
是藤黄酸及类天然桥环呫吨酮发挥抗肿瘤活性的重
要作用靶标。
本课题组在考察类天然藤黄属桥环呫吨酮对 IKKβ
催化活性的影响时, 同时结合同源模建所得 IKKβ蛋
白结构及 Xu等[36]报道的 IKKβ蛋白抑制剂复合物的
单晶结构 (PDB ID: 3DA8), 通过分子对接进一步考
察了其与 IKKβ的结合模式[30]。IKKβ的 ATP结合口
袋主要由 3部分构成: 由 Leu21、Met96、Tyr98、Cys99
和 Val74构成的 P1口袋, 由 Val152、Ile165、Asn150
构成的 P2口袋, 以及由 Ile165、Asn150和 Gly22构
成的 P3口袋。分子对接结果 (图 8) 显示, 所选结构
代表性的化合物均结合于 IKKβ的 ATP结合口袋, 与
结合口袋中的氨基酸残基主要形成疏水作用, 同时
通过与铰链区的氨基酸残基形成氢键而稳定配体−受
体间的相互作用, 这与已有 IKKβ抑制剂的结合模式
相一致。深入分析所选化合物 (36、42、43) 与 IKKβ
的结合模式, 发现 D 环桥环上的异戊烯基侧链主要
与 P3口袋相互作用; P2口袋主要由化合物平面呫吨
酮部分占据, 因此, 开环及去除 B环的化合物 42、43
不能很好或不能占据 P2口袋。桥环骨架中的 α, β不
饱和双键与 Lys106 的巯基空间靠近, 两者可能形成
稳固的共价键。化合物 36 B环 C1位羟基可与 Cys90
形成氢键作用, 因此化合物 36 对 IKKβ 的抑制活性
(IKKβ IC50值为 3.52 μmol·L−1) 优于化合物 42、43
(IKKβ IC50值分别为 41.65及 40.27 μmol·L−1)。这些
从 IKKβ蛋白分子作用层面所得构效关系与前述从细
胞水平所得构效关系是一致的。因此, 应用分子对接
技术深入分析化合物与 IKKβ的作用模式, 可作为对
这类化合物进行深入结构优化和改造的一种有力手
段。
2.7 含有最小药效基团且桥环 D 环修饰的类天然三
环呫吨酮 分析上述分子对接结合模式, P1口袋处的
较大空腔并未被很好的占据, 因此推测, 若在桥环 D
环区域引入适当体积的取代基以占据 P1口袋可提高
抗肿瘤活性。此外, 结合前述研究经验, 桥环 D环区


图 8 化合物 36 (A)、42 (B)、43 (C) 及 GA (D) 与 IKKβ的对接模式
· 300 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2014, 49 (3): 293−302


域引入亲水性基团可以改善水溶性、透膜性等理化性
质。因此, 笔者在含有最小抗肿瘤药效基团的化合物
45 的基础上, 在其桥环 D 环区域引入亲水性的含氮
取代基 (图 9), 如甲基哌嗪、吗啉、吡咯、二甲胺、二
正丁胺等, 代表化合物如 48～53 (表 3)[27]。这些化合物
尽管体外抗肿瘤活性 (IC50值为 3.25～8.82 μmol·L−1)
都要弱于化合物 45 (IC50值为 2.65 μmol·L−1)、37 (IC50
值为 0.81 μmol·L−1), 但其依然处于微摩尔水平, 其
中化合物 48的 IC50值为 3.25 μmol·L−1 [27]。值得注意
的是, 含氮侧链的引入大大提高了水溶性及透膜性,
如化合物 48～51, 其中体外活性最好的化合物 48的
水溶性为 4.80 mmol·L−1, 约为化合物 37的 6倍、藤
黄酸的 320 倍; 透膜性为 155.7×10−6 cm·s−1, 约为化
合物 37的 2倍、藤黄酸的 6倍。但若含氮侧链中含
有较大的疏水性基团, 如二正丁胺基 (化合物 52)、
苯基哌嗪基 (化合物 53) 等, 对改善水溶性、透膜性
的贡献不大。
进一步体内药效学评价时, 化合物 48 以静脉注
射给药, 剂量为 5 mg·kg−1时, 抑瘤率达到了 45.67%,
剂量为 10 mg·kg−1时, 抑瘤率为 56.06%, 剂量为 20
mg·kg−1 时, 抑瘤率为 57.75%, 与阳性对照药物藤黄
酸的活性接近[27]。同时, 测试体内活性时, 以最大剂
量注射给药, 化合物 48 (20 mg·kg−1) 并未表现出明
显毒性, 而藤黄酸 (10 mg·kg−1) 则表现出了一定的
毒性 (实验用 10 只 ICR小鼠中, 有 1只死亡), 初步
说明, 化合物 48具有更优的安全性。化合物 48的体
外抗肿瘤活性要弱于化合物 37, 但其体内活性却远
远好于后者, 这也说明体外细胞水平的抗肿瘤活性
并不能完全反映出化合物真实的体内抗肿瘤作用 ,
良好的成药性质是化合物在体内发挥药效的重要因
素。
药代动力学研究表明, 化合物 48 的口服生物利
用度达到了 15.6%, 好于藤黄酸 (13.4%), 也远好于
化合物 37 的 2.59%。因此, 进一步进行口服给药的
药效学评价, 结果表明化合物物 48 在口服给药剂量
为 100 mg·kg−1时, 对小鼠 Heps 肝癌移植瘤的抑瘤
率达到了 57.74%, 而相应剂量下藤黄酸的抑瘤率为
36.36%。这说明类天然产物 48为口服有效的抗肿瘤
化合物, 且远远好于天然产物藤黄酸[27]。
3 小结与展望
藤黄酸是一种具有独特桥环骨架的藤黄属天然
产物, 其具有良好的体内外抗肿瘤活性, 但其自身也
存在诸多问题, 如自然界含量有限、结构复杂不易合
成、脂溶性过大、水溶性差、口服药效差等。
针对上述问题, 国内外研究者, 特别是本课题组,
通过对天然产物藤黄酸的结构简化, 设计了一系列
类天然产物, 得到了系统的构效关系 (图 10): ① BC
环平面及含有 α, β-不饱和酮的桥环 D环骨架是抗肿
瘤活性所必需的, 这是进行类天然呫吨酮化合物设
计与优化的核心; ② B环 C1位羟基对抗肿瘤活性具


图 9 具有最小药效基团且桥环 D环修饰的类天然三环呫吨酮


图 10 构效关系及构质关系总结
王艳艳等: 类天然藤黄属桥环呫吨酮的结构优化研究进展 · 301 ·

有重要贡献, 桥环异戊烯基上的偕二甲基对活性也
有一定影响, 应予以保留; ③ A环吡喃环及其疏水侧
链、B 环异戊烯基、与桥环 D 环直接相连的偕二甲
基对活性影响不大, 可以去除; ④ 桥环区域取代基
的引入依然能保留较好的抗肿瘤活性, 可用于调整
分子的整体药代性质。在结构优化的过程中, 笔者不
仅注重抗肿瘤活性, 而且还兼顾化合物的分子尺寸、
水溶性、亲脂性、透膜性、生物利用度等成药性质, 得
到了重要的构质关系 (图 10): ① A环吡喃环及 B环
异戊烯基的去除将有利于提高水溶性及透膜性; ②
B环C1位羟基亦能一定程度上改善水溶性及透膜性;
③ 桥环区域亲水性取代氨基的引入可普遍大大提高
水溶性及透膜性, 改善化合物的生物利用度。这些构
效及构质关系信息将为藤黄属桥环呫吨酮类化合物
的进一步的设计及结构优化提供理论依据。
本课题组通过系统性地构效关系研究, 兼顾生
物活性及成药性的多重结构优化, 逐步找到了结构
新颖、口服有效的类天然产物 48 作为抗肿瘤候选化
合物。与藤黄酸 (分子量为 628) 相比, 化合物 48 (分
子量为 464) 结构大为简化, 易于通过化学合成获得,
且其体内药效学及药代动力学性质均优于天然产物
藤黄酸。
目前所报道的具有抗肿瘤活性的类天然藤黄属
呫吨酮均保留了复杂的特征桥环结构。分析类天然桥
环呫吨酮与 IKKβ结合模式, 发现发挥抗肿瘤作用关
键的桥环部分与 IKKβ 的作用主要体现在两个部分:
① α, β不饱和双键与 Lys106的巯基空间靠近, 可形
成稳固的共价结合作用; ② 侧链异戊烯基占据 P3口
袋形成疏水相互作用。因此, 本课题组提出在保留上
述两个关键作用特征的基础上, 对复杂的桥环区域
进行大幅度的结构改动 , 如将“三环 [4.3.1.03,7]癸
烯”桥环特征骨架替换为“双环[2.2.2]辛烯”桥环
骨架, 是发现结构更为简化的具有抗肿瘤活性的新
型类天然藤黄属桥环呫吨酮的一种有效策略。有理由
相信, 随着对类天然藤黄属桥环呫吨酮临床前研究
的逐步深入, 这类结构独特的类天然产物将有望推
向临床, 为肿瘤疾病的治疗提供新的选择。
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