姜黄素衍生物及其递药系统的抗癌活性新进展

2021-09-07张翠央刘进兵郭照辉

安徽化工 2021年5期

张翠央，刘进兵，刘圳，郭照辉，雷平

（1.湖南省微生物研究院，湖南长沙410009；2.邵阳学院食品与化学工程学院，湖南邵阳422000）

姜黄素（Curcumin，CUR）是一种对称的天然酚类物质、安全的中草药有效成分，已被体外实验证明具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗菌等药理活性，此外还有保护肝肾、抑制血栓、预防心肌梗死、降血糖和抗风湿的作用，其中，抗炎、抗氧化和抗癌的研究备受关注。

一般认为姜黄素通过以下几种方式发挥抗癌作用：①通过其分子中多酚的抗氧化作用预防DNA损伤及突变;②通过抑制细胞内炎症反应;③促使癌细胞提高活性氧（Reaction Oxygen Species，ROS）水平而诱导癌细胞凋亡。由于生物利用度低且易代谢分解，2017年姜黄素被Nature杂志定义为Deceptive，但是仍然有很多人对其进行进一步的开发。原因是姜黄素能够调节不同的癌症因子，如粘附分子、促凋亡和抗凋亡蛋白、炎症因子、转录因子、生长因子以及多种酶和不同激酶，且对正常细胞无毒性。姜黄素已被美国国立肿瘤研究所列为第三代癌化学预防药。本文综述了姜黄素衍生物和新型递药系统在抗癌领域的新进展，由于炎症相关因子和DNA氧化损伤被认为是肿瘤形成过程中的重要诱导因素，所以本文也涉及到部分对抗炎、抗氧化活性文献的追踪。

1 姜黄素衍生物的抗癌活性

对姜黄素分子结构的修饰主要集中在对分子结构中的基团进行替换。对其进行改造的方法主要有：①对分子结构中的苯环进行生物电子等排体置换；②将羟基修饰为前药或不易氧化的基团；③对姜黄素的桥接部分进行改造；④拼接其他活性结构等。活性必需基团邻酚羟基一般保留。近五年报道的姜黄素新型衍生物在抗肿瘤方面的研究综述如下。

癌细胞中的ROS水平与其产生凋亡呈正相关。癌细胞的ROS含量和代谢水平均较正常细胞高，提高癌细胞的HO水平到氧化还原失衡，会导致线粒体损伤/脂质体氧化/DNA损伤，促使癌细胞凋亡。Atiruj等合成了1批新型氮杂芳香（吡啶、吲哚和吡咯类）姜黄素类衍生物。与姜黄素相比，N-烷基-β-烯胺酮-芳香姜黄素化合物的水溶性均有所改善。保留了姜黄素骨架结构的化合物与阿霉素，具有更好的抗增殖活性，并可提高ROS水平，导致线粒体损伤并释放凋亡蛋白。Tongke等发现化合物WZ35（结构见图1a）抑制胃癌细胞的活性强于姜黄素，其抗肿瘤机制可能为抑制ROS-YAP（yes-associated protein）-JNK（Jun N-末端激酶）途径：通过抑制糖酵解，诱导ROS生成，从而使得YAP下调，激活JNK，诱导胃癌细胞凋亡。此过程亦能被N-乙酰半胱氨酸（NAC，ROS抑制剂）和JNK抑制剂显著逆转。

化合物EF24（见图1b）是一类单羰基姜黄素类似物，有较好的抗肿瘤活性。近年来主要对其抗肿瘤机制进行探索。对胃癌SGC-7901细胞凋亡实验显示EF24能够提高SGC-7901细胞的ROS含量，抑制胃癌细胞生长。刘国运等合成的3,5-二（2-甲氧基苯亚甲基）-4-哌啶酮，可促进A549细胞中ROS的产生，导致细胞内氧化还原失衡，细胞产生脂质过氧化后凋亡。

2005年Atsumi在姜黄素处理的牙龈成纤维细胞和颌下腺癌细胞中都检测到了ROS上升，其中癌细胞的生成量明显更高。Syng-Ai使用姜黄素处理MCF-7、乳腺癌细胞MDAMD、HepG2细胞，胞内GSH（谷胱甘肽，自由基清除剂）被消耗，产生高水平ROS，介导了细胞凋亡，而对正常大鼠肝细胞不显示此活性。2018年Liang HH用高浓度姜黄素处理结肠癌细胞，癌细胞的ROS/RNS（Reactive Nitrogen Species）、超氧和自噬的水平均大幅提高，凋亡机制与HSP-27介导的超氧化有关。

2018年Nakamae课题组发现姜黄素通过ROS代谢酶控制ROS水平，以阻止肿瘤细胞的生长。2019年该课题组合成了39个非对称姜黄素衍生物，母环结构如图1c所示，当R，R的3,4,5位上分别被2～3个羟基、甲氧基取代时，化合物表现出抗肿瘤细胞增殖活性，而且这种效应能被NAC阻断。分子对接和拉下实验表明其机制为与辅酶竞争，抑制活性氧代谢酶活性，从而抑制肿瘤细胞增殖。

图1 WZ35、EF24和非对称姜黄素的结构式Fig.1 Structure of WZ35、EF24 and asymmetric curcumin

肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素（IL）、激素受体信号通道和细胞增殖标记物是肿瘤细胞常见的观测水平。LPS（脂多糖）刺激可诱导原264.7细胞产生高水平的TNF-α和IL-6。Xie等合成了（N-取代-3,5-（2′-三氟甲基）苯亚甲基）哌啶-4-酮，能显著降低TNF-α和IL-6的水平，抗炎活性优于塞来昔布或消炎痛。药代动力学结果显示其生物利用度优于姜黄素。Zhou等研究了12个吡啶取代型姜黄素类似物对CWR-22Rv1（人前列腺癌细胞）的作用。其中四氢噻喃母环衍生物对TT（睾酮）诱导的AR（雄激素受体）活性的抑制作用明显，IC值低于姜黄素。研究也证实抑制AR通路可能是姜黄素类似物的抗癌机制之一。Matheus以酰肼和酰腙的形式拼接姜黄素与藜芦醇，化合物通过调节核激酶蛋白，对MCF-7（人乳腺癌细胞）、A549（肺腺癌细胞）和HepG2（肝脏癌细胞）细胞产生较好的抑制效果。

Dhanaraju等在姜黄素分子中引入三唑官能团，合成的氟代苯亚甲基取代的三唑化合物能显著抑制MCF-7和PC-3（胰腺癌细胞）的细胞周期，诱导线粒体损伤，导致细胞凋亡，且显著下调细胞增殖标记物（PCNA），抑制细胞存活蛋白（Akt磷酸化）的激活，上调促凋亡蛋白（Bax），下调抗凋亡蛋白（Bcl-2）。经过修饰的衍生物稳定性、溶解性均增强，且对乳腺癌和前列腺癌活性更强。

极性胺结构的修饰（相比烷基胺）能提高分子的水溶性，增强抗肿瘤作用。Atiruj等用极性胺（羟烷基胺和甲氧基烷基胺）取代姜黄素羰基上的烯醇式-OH，再与母环上另一个羰基环合成二氢吡啶-4-酮，其对EA.hy926（人脐静脉细胞融合细胞）具有明显的细胞毒活性和抗氧化活性。

CDF（Difluorinated Curcumin，二氟姜黄素）是2009年Padhye课题组合成的一种具有抗癌活性的化合物。烯醇互变异构受阻使CDF的代谢稳定性比姜黄素更高，循环半衰期更长，且氟取代基不对靶标产生位阻，预期不会干扰其抗癌作用。临床实验显示其生物利用度是姜黄素的3倍。β-环糊精包裹的CDF到达胰腺的浓度明显增高。2016年该课题组初步揭示了CDF通过调节表观遗传因子（miRNAs、NF-κB等）和癌症干细胞标记等多靶抑制肿瘤细胞的机制。Alsaab等将两亲性聚（苯乙烯-co-马来酸）-共轭叶酸（SMA-FA）包裹CDF，该制剂能选择性杀伤Y-79和we-rb视网膜母细胞瘤细胞系，对ARPE-19（人视网膜色素上皮细胞）无任何不良细胞毒性。

2 姜黄素的新型递药系统

姜黄素是一种疏水性分子，不能有效透过细胞膜，口服后无法在血液和细胞中形成治疗浓度，因而增加其生物利用度成为开发姜黄素的新方向。任金妹等对2013～2018年间对新型递药系统（纳米粒、脂质体胶束、自微乳、固体分散体、磷脂体等）与联合用药等提高姜黄素生物利用度的研究进行了论述。本文对最近两年姜黄素的新型递药体系进行简单论述。

2.1 基于PEG（聚乙二醇）的姜黄素递送载体

PEG是一种水溶性高分子材料，具有很好的生物相容性。Maryam在姜黄素脂质体上引入PEG，制备的PEG-Lip-CUR在肿瘤细胞中蓄积，物理稳定性良好，且能有效延缓肿瘤细胞生长。Ban等使用硬脂酸三酯-PEG制备了固体脂质纳米粒（SLNs），利用粒子的界面性质，模拟粘液覆盖的小肠上皮细胞，使姜黄素的生物利用度增加了12倍。

2.2 基于纳米技术的姜黄素递送载体

纳米技术能改善药物制剂在体内的生物利用度。Parul等综述了姜黄素-SiO纳米颗粒的合成及其在癌症上的应用，文章指出，纳米颗粒的大小、介孔率和带电性质与药物能否穿过细胞膜有紧密联系。通过复合叶酸、硫酸软骨素、透明质酸、β-环糊精、聚（乳酸-羟基乙酸）等物质制备多种递药系统，在不同的细胞系内表现出安全性和有效性，且某些剂型具有较好的缓/定释功能，有望成为新型抗癌药物制剂。Bahare制备了纳米姜黄素制剂，其活性、靶向选择性和生物利用度均优于姜黄素。Tian等对2019年10月前报道的姜黄素纳米脂质体研究进行了综述，阐述了纳米胶囊传递体系的制备方法和性能研究，结果显示，纳米乳能增加姜黄素的化学稳定性和体外生物可达性。Hamid等综述了2016年前关于姜黄素纳米/微乳液/脂质体/磷脂的递药系统的进展，并准确预测了递药系统研究为姜黄素的热点方向。

2.3 基于生物聚合物的姜黄素递送载体

生物聚合物对人体细胞有天然的亲和性，具有毒性小、生物相容性好和可降解等优点，能改善被包裹药物的pKa值。将姜黄素纳入以多糖、蛋白质等生物聚合物为基础的膜运载体系被认为具有广阔的发展前景。Mahshid等对2019年12月前报道的生物基纳米粒子姜黄素传递体系进行了综述，表明生物高分子纳米载体能增加姜黄素的有效性和多效性。姜黄素与HSA（人血清白蛋白）结合后，姜黄素的溶解度和稳定性均增加，MTT和细胞凋亡实验结果表明，该制剂能选择性作用于乳腺癌细胞。Gao等制备了聚乳酸-糖醛酸（PLGANC）纳米胶囊包裹姜黄素，体内外结果显示，该制剂对结肠癌细胞具有选择性和潜在的细胞毒性作用，其溶解度和抗菌活性均有所提高。Layal等开发了高分子纳米粒子（NPs）包裹姜黄素-胡椒碱（CUR-PN），该制剂对小鼠结肠癌细胞具有选择性抑制和细胞毒性作用。胡椒碱是药物代谢抑制酶，能干扰葡萄糖醛酸化，间接增加姜黄素的生物利用度。

2.4 乳剂

水溶性物质包裹姜黄素制备成乳液，分子的稳定性增强，溶解度增大，在生理pH下能有较好的透膜吸收。常用的载体材料有中链甘油三酯（MCT）、吐温80、卵磷脂等表面活性剂，海藻酸盐、壳聚糖-乳清蛋白包裹的多层纳米乳液、短链葡聚糖。Pan等用琥珀酰化的乳清蛋白与姜黄素制备成乳剂，体外实验表明其生物利用度显著提高。

2.5 其他

姜黄素的烯醇互变异构是分子结构不稳定的一个重要因素，通过多羟基的烯醇式异构体与金属离子配位结合，是在不影响活性条件下增加其稳定性的一种方法。周阿容等对姜黄素薄膜运载体系进行了综述，多糖、蛋白质和脂质生物聚合薄膜等材料在药物运输和食品包装上具有一定的应用价值。

3 姜黄素辅助用于临床抗癌联合用药研究

联合用药是临床上常见的癌症治疗方案。联合用药可协同作用不同的靶标，降低药物毒性，减少用药量。尽管姜黄素的确切作用机制和在各种靶组织中如何分布利用等仍不明确，但当以多种组合配伍给药时，姜黄素几乎在所有重要器官都表现出活性。姜黄素与其他抗癌治疗药物联合使用可能具有较强的抗炎、抗氧化和抗增殖作用。

2010年Ganta、Devalapally和Amiji设计了姜黄素和紫杉醇负载的纳米乳用于治疗小鼠卵巢腺癌。姜黄素通过降低细胞内P-糖蛋白（Pgp）和CYP450-3A2水平，抑制紫杉醇代谢，提高生物利用度。当时该项成果未进行临床实验。2018年，Kaustubh将白蛋白封装的紫杉醇（PTX）纳米制剂（已经通过FDA的批准，用于临床）与CDF进行联用。分别用叶酸（FA）修饰牛血清白蛋白制备成FA-BSA-PTX和FA-BSA-CDF，静脉给药联合治疗过表达的卵巢癌和宫颈癌，协同抗癌作用明显，叶酸介导的靶受体摄取和诱导细胞凋亡作用增强。

Theracurmin是由日本Theravalues公司开发的一种胶体纳米姜黄素颗粒，在健康的受试者中，口服后血液中AUC（曲线下面积）是市售姜黄素粉的27倍。口服210 g时C值是275 ng/mL，且未发现毒性反应。Theracurmin已经在临床上显示出对癌症、阿尔兹海默症、心血管疾病、骨和软骨（膝关节和骨关节炎）的治疗作用。

Vareed等在健康受试者中采用姜黄素与高脂肪食物（42%的脂肪）同服，高脂肪膳食可延缓胃排空，延长胃肠道停留时间，促进溶解，获得了较高的总血浆姜黄素浓度和生物利用度。临床实验数据显示，口服姜黄素8 g/d是安全的。结直肠癌患者在口服姜黄素粗粉（3.6 g/d）单次和多次剂量后1 h，血中的前列腺素E2（由脂多糖（LPS）体外诱导产生）水平较基础诱导水平下降46%。这反映了姜黄素可能是通过减少COX-2的表达，而不是直接（竞争性或非竞争性）抑制，来实现COX-2酶抑制活性的。姜黄素（3.7～7.4 g/mL）能够诱导皮肤T淋巴瘤细胞和外周血单核细胞的凋亡，但未引起健康受试者外周血单核细胞的凋亡，这提示姜黄素可能对恶性细胞有一定的选择性。目前姜黄素在临床上的结果仅限于结肠直肠癌，姜黄素与其他药物的药代动力学相互作用研究也几乎只存在于肠上皮细胞中，这是因为结肠粘膜中存在足够的姜黄素浓度。Alfonso的临床研究结果显示，姜黄素400 mg/d剂量连服3月，两年后在散发性结肠息肉病例中发现息肉数量明显减少。Garcea发现口服姜黄素（粗粉）3.6 g/d 7天后，结直肠组织中氧化DNA加合物水平降低，这是首次临床发现姜黄素对直结肠癌的作用。He Z Y的临床研究显示，切除结直肠癌组织后，患者口服姜黄素粗粉（360 mg，tid）10～30天，可加速残存肿瘤细胞的凋亡。胰腺癌患者口服8 g/d姜黄素（粗粉）8天，可降低外周血单核细胞中COX-2和磷酸化信号转导子及转录激活子3的表达。

这些临床实验数据与之前公开发表的某些体外、临床前的文献结果并不完全一致，表明临床实验验证是新药开发必不可少的路径。