癌症和艾滋病(HIV)是严重危害人类健康的两大疾病,发病率呈逐年上升趋势。近年来,用于治疗癌症的天然药用植物由于其极低的副作用而受到人们的追捧。目前临床上广泛应用的抗肿瘤药物紫杉醇、喜树碱、鬼臼毒素、长春碱以及它们的一些衍生物等都存在毒副作用和耐药性的问题[1]。因此,在生物医药领域,开发新型、高效、低毒的抗肿瘤天然药物成为人类社会的迫切需要。研究表明,桦木酸及其衍生物具有多种生物活性,尤其是在抗肿瘤与抗HIV方面有优异表现[2],且对多种肿瘤细胞有较强毒杀效应而对正常细胞无杀伤力[3]。这使桦木酸成为很有开发前景的药物,引起了人们的广泛关注。
桦木酸(C30H48O3,Betulinic acid)是一种羽扇豆烷型五环三萜类化合物,又称白桦酯酸,结构如图式1所示。纯的桦木酸为无色透明结晶,熔点316~318 ℃,微溶于水,能溶于吡啶、四氢呋喃、甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。在医药方面,桦木酸具有抗炎[4]、抗病毒[5]、抗氧化[6]、抗血小板[7]、抗肿瘤[8, 9]、增强甲状腺功能[10]等功效。在抗肿瘤方面,桦木酸及其衍生物对尤因氏肉瘤[11]、成神经细胞瘤[12]、脑瘤[13]、神经胶质瘤[14]、白血病[15]、结肠癌[16]等多种肿瘤细胞有抑制作用[17~19]。其作用机理与细胞核内的转录因子[20]、拓扑异构酶[21]、胆固醇酰基转移酶[22]、半胱天冬酶和DNA片段的激活等作用有关。
桦木酸存在于桉树球、胡芦巴、桑白皮、酸枣仁、杜仲、桦树皮等多种植物中,可通过提取法得到[23, 24]。由于桦木酸在植物中的含量低,难以通过提取法生产应用,目前市售的桦木酸主要是通过化学合成法获得的,其中,以桦木醇为起始原料是合成桦木酸的常用途径[25]。近几年,生物转化方法制备桦木酸因其条件温和、绿色环保等优点逐渐引起了人们的关注。
桦木酸提取可用乙醇、甲醇[26]、正己烷[27]、氯仿[28]、乙酸乙酯[29]等作溶剂。Weinges等[30]用95%乙醇作溶剂从常绿乔木Ziziphus spina-christi的树叶中加热回流得到粗品桦木酸,加入一定量硅藻土吸杂除水干燥,经重力过滤得较纯桦木酸。
倪冲等[31, 32]从乌骨藤中提取桦木酸,其操作过程如下:以数倍量70%乙醇加热回流乌骨藤2~3次,随后将合并的提取液减压蒸干,以石油醚、乙酸乙酯和饱和正丁醇依次萃取,将萃取液合并减压浓缩得桦木酸粗品,经柱层析梯度洗脱分离得到的桦木酸注入半制备液相色谱仪纯化,得到纯度较高的桦木酸。
超声波已经被证实可以用来辅助化学试剂从植物中提取生物活性物质。Hossain等以悬铃木树皮为原料,以乙酸乙酯为溶剂,将乙酸乙酯与树皮按一定比例混合后置于设定好频率和温度的超声容器中。一旦升温到设定值,树皮便开始降解,内溶物逐渐释放、扩散和溶解[33, 34]。该方法萃取效率高,耗能较少,工艺简单容易操作,具有产业化推广应用潜力。
超临界萃取技术作为一种清洁高效、节能环保的提取方法,已经被用于桦木酸的提取分离。Krasutsky等[35, 36]以桦树皮为原料,应用超临界萃取技术提取桦木酸,得到纯度高达95%的产品。此方法减少了有机试剂的使用,降低了生产成本,效果明显高于传统的提取方法,应用前景十分广阔。
加压液体萃取法是一种新型的提取方法。萃取过程是在一个加压并配备溶剂控制器的萃取系统内进行,依次用甲醇和乙酸乙酯作萃取剂,经历多次阶梯式升温得到萃取液,用旋转蒸发仪蒸干得粗品桦木酸[37]。此方法可实现自动化控制,节约成本,但由于桦木酸在植物中的含量很低,因而收率较低。
亚临界水介电常数(极性)低,扩散速度和表面粘度张力高,可用于萃取各种难萃取的天然产物[38]。通过改变萃取温度改变水的极性,从而可以选择性萃取桦树皮中的桦木酸。亚临界水提取可以在数秒钟到数分钟内完成,能够进行连续处理[39]。由于此方法不使用酸、碱和催化剂,使用的介质水价廉、无污染,因此被称为“绿色的处理法”。
鉴于桦木醇与桦木酸结构相似,且桦木醇在桦树皮中含量较高,易得到,故人们常以桦木醇作原料通过化学合成法来获得桦木酸[40]。以桦木醇为原料合成桦木酸,根据反应步骤的多少,可以分为一步法、二步法和多步法。
这种方法是将桦木醇的提取和桦木酸的制备同步进行。用乙醇等有机溶剂提取桦木醇,同时将四甲基哌啶等氧化剂附着在固体载体上,在50℃下直接对提取物进行氧化得到桦木酸。这种方法看似简单易行,但由于对桦木醇的提取不够充分,而且提取后的混合物没有经过分离和纯化步骤就进行氧化反应,所制得的产品杂质种类和含量较多,导致桦木酸分离纯化困难,产率低,难以实现产业化应用[41, 42]。
Pichette等[43]用CrO3作氧化剂,先将其吸附在硅胶上,在SiO2的催化作用下将桦木醇氧化为桦木醛,然后以高锰酸钾作氧化剂、丙酮作溶剂将桦木醛氧化为桦木酸,反应步骤如图式2所示。尽管此方法可以制备桦木酸,但由于CrO3对桦木醇的28位伯羟基与3位仲羟基的选择性还不够理想,会导致反应产物较复杂,分离纯化困难。另外,在反应过程中,KMnO4可能破坏29位CC,导致得到桦木酸的产率低。因此,用此方法制备桦木酸也不是很理想。
为避免桦木醇中的CC受破坏,John等[44]用氧化活性较低、选择性高的琼斯试剂(Jones)作氧化剂,用丙酮作溶剂将桦木醇C3位羟基氧化成羰基,同时将C28位羟基氧化为羧基得中间产物桦木酮酸;然后以硼氢化钠作还原剂,用THF做溶剂,选择性地将桦木酮酸C3位羰基还原为羟基得到桦木酸,反应步骤如图式3所示。该方法合成路线短,操作简单,反应条件温和,有希望用于大规模生产。
Kim等[45]设计了以Jones试剂作为氧化剂,通过五步反应将桦木醇氧化为桦木酸的方法,反应步骤如图式4所示。反应第一步将桦木醇与邻苯二甲酸二己酯(DHP)反应,将C28位羟基转化成醚基进行保护;第二步,通过酰化反应将C3位羟基转化为酯基;第三步,脱去C28位的保护基,释放出C28位羟基;第四步,以Jones试剂作氧化剂,将C28位羟基氧化为羧基;最后以K2CO3和甲醇水溶液水解脱去C3位保护基得到桦木酸。此方法反应路线较长,条件苛刻,要产业化应用,还需进行优化改进。
汤杰等以2-碘酰基苯甲酸(IBX)作氧化剂,在二甲基亚砜(DMSO)和四氢呋喃(THF)混合溶剂中,先将桦木醇氧化为桦木酮醛,后用四丁基高锰酸铵(Bu4NMnO4)将桦木酮醛氧化为桦木酮酸,最后用硼氢化钠(NaBH4)作还原剂将桦木酮酸C3位羰基选择性还原得到桦木酸[46],反应步骤如图式5所示。该方法具有操作简便、收率高的优点。
微生物转化法是利用生物代谢过程中产生的酶对底物催化反应得到目标产物,虽然其转化机制略微复杂,但绿色环保、无污染等优点值得深入研究。张宏伟等[47]从桦树皮中提取桦木醇,以发酵所得黄绿蜜环菌新鲜菌体为生物反应器,将桦木醇转化为桦木酸及其衍生物。Chen等[48]研究生物转化方式获得桦木酸可能通过微生物细胞降解,诱导氧化反应生成桦木酸和其他代谢产物等途径进行。他们从黄绿蜜环菌、臭曲霉菌和米曲霉等8个菌株中筛选出桦木酸收率最好的臭曲霉菌。Feng等[49~51]将小克银汉霉菌和蜜环菌在桦木醇组成的无菌培养基上培养,从这两种菌的代谢产物中都分离得到了桦木酸。
Li等[52]的研究结果表明,酿酒酵母可通过平衡脂肪酸和桦木酸生物转化机制来提高桦木酸产率。此生物转化过程中有乙酰辅酶A (acetyl-CoA)、HFA1、HMG1、ERG9、ERG1等多个酶的参与[53, 54]。
由于桦木酸母环结构较大,使得其分子极性较小,脂溶性较大,在水中的溶解度低,体内吸收少,严重限制了其临床应用[55, 56]。为了改善这种情况,人们通过对桦木酸进行化学修饰来提高其水溶性[57, 58]。从对桦木酸及其衍生物的构效关系研究中可知,分子结构中某些部位与其生物活性密切相关,对这些部位进行结构修饰可以提高化合物的水溶性,增加生物利用度,降低对正常细胞的毒性。
研究表明,在桦木酸C3位的末端保留极性基团,桦木酸衍生物活性将显著提高[59]。在C28位引入氨基酸后可增加桦木酸衍生物活性。将C19位烯丙基还原为异丙基,得到的大部分衍生物活性下降或消失[60]。因此本文将着重介绍对C3位和C28位修饰得到的桦木酸衍生物。
将桦木酸C3位羟基氧化为酮后得到的衍生物具有较强细胞毒性[61],咪唑基等含N的极性基团会使其活性显著提高[62]。Prakash等通过图式6所示路线,在C3位引入N芳杂环[63, 64],所生成的六环哌啶衍生物和五环哌啶衍生物有差别,前者的药学活性比后者的高,且与桦木酸相比,其抗肿瘤活性有所提高,但选择性有所降低[65]。
在C3位通过形成酯键引入其他官能团也是桦木酸修饰的一种常用方法[66]。一些桦木酸酯类衍生物有很好的药学性能,如图式7所示的化合物14a~b的抗恶性肿瘤细胞增生能力强于桦木酸,对人体乳腺癌细胞有很强的抑制作用,有希望临床应用。
研究表明,在桦木酸的C28位引入氨基酸基团后可增加其水溶性和生物活性,随着氨基酸侧链碳原子数的增加,衍生物的水溶性变小,且相同碳原子数的氨基酸作为取代基,直链优于支链[67~69];在C28位末端引入-COOH、-NH2、-NH、-OH等极性基团时获得的衍生物活性较桦木酸有显著提高[70]。图式8所示是桦木酸C28位键接氨基酸产物的合成路线,通过此路线合成的化合物对人类黑色素瘤具有选择毒性。
许多桦木酸氧化呋咱基衍生物的生物活性普遍优于桦木酸[71, 72]。Liu等用乙二酰氯先将桦木酸C28位羧基转化为酰氯,然后与三乙胺作用制备C28位末端含有氧化呋咱基的衍生物18a~g。反应路线如图式9所示。所得化合物中,除18g外,得到的其他衍生物抗小鼠黑色素瘤细胞(B16)活性都高于桦木酸。
Santos等[73]利用1, 5, 9-环十二烷三烯和THF将桦木酸的C3位和C28位同时连接N酰基,将桦木酸转化为化合物19,反应路线如图式10所示。19在治疗人类前列腺癌方面优于桦木酸,对恶性肿瘤细胞有选择性毒性,通过抑制酶的活性来抑制肿瘤细胞生长,加速其凋亡。由于此反应仅需一步即可完成,生成杂质较少,且反应条件易控制,因此极具商业价值。
已取得的研究结果显示桦木酸对乳腺癌、前列腺癌、肝癌、成胶质瘤、骨肉瘤及横纹肌肉瘤等均有抑制作用[74]。下面对这方面研究取得的一些成果进行简述。
Schmidt等[75~78]的研究结果显示,桦木酸及其衍生物诱导细胞凋亡是通过改变线粒体膜蛋白的成分、生成氧化产物、开放离子通道等方式进行的。Wick等的研究结果显示,桦木酸是通过抑制线粒体内皮细胞发挥作用导致线粒体释放凋亡因子,激活半胱天冬酶(caspase),导致DNA断裂而致使肿瘤细胞凋亡[79, 80]。另有研究认为,桦木酸通过直接作用于线粒体诱发细胞凋亡导致细胞色素C、Smac和ATF的释放,之后它们激活半胱天冬酶造成核分裂最终导致细胞凋亡[81, 82]。李丹等[83, 84]的实验研究显示,桦木酸的抗肿瘤活性,尤其是对人类黑色素瘤(Mel-1、Mel-2和Mel-4)和神经外胚层肿瘤的特异性活性,是由桦木酸诱导线粒体释放可溶性因子导致caspase-8和caspase-3的分裂而起作用的。
DNA片段化是细胞凋亡过程中的晚期表现,同时也是半胱氨酸蛋白酶激活DNA酶使DNA分裂为片段或寡聚物的结果[85]。Wada等[86]的研究结果显示,在抗肿瘤作用方面,桦木酸能通过在抑制细胞中DNA聚合酶β的活性而增强博莱霉素的活性。
易金娥[87]的研究结果显示,桦木酸能够提高T细胞和B细胞的增殖能力。因此,其抑瘤机制可能与其直接或间接的增强机体抗肿瘤免疫功能有关。另外,有研究显示新型糖化桦木酸衍生物是一种细胞毒性增强剂,它能够通过溶酶体途径激发细胞死亡[88]。
Pisha等[89]的研究结果显示,桦木酸能明显升高S180肿瘤细胞膜上的钙泵活性。由于细胞内钙离子浓度降低也会导致细胞凋亡,因此桦木酸抗肿瘤的机制可能是通过升高肿瘤细胞的钙泵活性,使得肿瘤细胞的正常生理功能降低而发生凋亡。
Fulda等[90, 91]的研究认为,桦木酸可能通过抑制氨肽酶活性,抑制肿瘤细胞进入基膜,诱导细胞调亡,发挥抗肿瘤作用。Kwon等[92]的研究结果显示,桦木酸能够抑制细胞外氨肽酶N的活性,氨肽酶N与细胞外基质的组成有关,抑制它可以防止黑色素瘤侵袭基膜。Yang等[93]认为桦木酸可以通过抑制蛋白酶酪氨酸激酶的活性,防止磷酸化反应发生,从而保护细胞不恶化导致癌症。桦木酸还可以抑制作为癌症生物靶活性物质的组蛋白脱乙酰酶活性。
毕毅等[94]的研究结果表明,桦木酸衍生物23-羟基桦木酸能使肿瘤细胞阻滞在某一生长期,最终导致细胞凋亡。23-羟基桦木酸作用于体外的S180细胞,可使其G2/M期的细胞比例明显升高,G0/G1期细胞比例下降;作用于体外的B16黑色素瘤细胞,可使细胞被阻滞在G0/G1期。两种细胞的凋亡率都随着药物浓度的升高而升高。
桦木酸作为一种天然药物已经用于肿瘤的治疗,与常用的临床抗肿瘤药物相比,桦木酸作用机制不同,没有毒副作用。由于桦木酸容易修饰,其衍生物多种多样,在不对称合成、分子识别、生物医学及药学领域、高分子生物材料等方面有着广阔应用前景。同时其分离和合成方法也成为研究的热点,随着研究的深入和科学技术的日新月异,新的技术将会不断运用到桦木酸及其衍生物的合成中,并能实现规模化生产。这将为抗肿瘤新药的创制开辟一条新途径,也会产生良好的社会效益与经济效益。