天然产物的结构修饰

第二十一章 天然产物的结构修饰

大约60％的世界人口依赖草药和天然药物来治疗疾病，天然产物长期以来被认为是有效治疗药物的重要来源。从1983~1994年间生产上市的520种新药中，39％是天然产物或者衍生自天然产物（其中天然产物约占20％，而天然产物的衍生物约占80％），尤其60% 80％的抗菌和抗癌药来自天然产物。1999年统计的20个非蛋白的畅销药中有9个是来自天然产物或从其衍生出来，如天然产物中新开发出的新药抗疟药青蒿素（artemisinin）和其衍生物蒿甲醚（artemether）、抗癌药紫杉醇（taxol）及其类似物紫杉醚（taxotere）、长春碱（vinblastine）和长春新碱（vincristine）和它们的结构修饰物长春地辛（vindesine）和治疗早老性痴呆药石杉碱甲（huperzine A）及其衍生物希普林（schiperine）等。

世界各国和地区投入大量的人力和财力，积极开展对天然药物的研究，从天然产物中寻找新药或先导化合物的研究是当前国内外创制新药的重要研究方向和非常活跃的研究领域。除了从天然产物直接研究开发成有效的治疗新药物外，天然产物还是新药开发所依赖的新先导化合物取之不尽的源泉。与天然产物相关的新的化学成分要远远多于其他来源的化合物，已发表的、来自天然产物的40％化学结构在合成化学成分中是没有的。世界上大约有250 000种植物，其中仅10％已被进行过生物测试。除了这些植物外，还有更多的生物如海洋生物和微生物尚有待于进一步研究。

针对新发现的靶位（target）来寻找结构新型的天然药物，天然产物提供的多种多样的化合物为进一步开发候选药物提供了丰富多样的结构类型。以天然产物为先导化合物，结合结构与生物活性关系和代谢研究进一步进行结构修饰和类似物合成，以提高药效和降低毒性，往往从一个有效的天然先导化合物可以衍生出一系列新药。这一过程已经成为新药创制的重要途径，而且已经取得了丰硕的成果。在当代竞争激烈的药物研究中，天然产物提供的分子多样性和生物活性具其独特的性质，是创制新药不可替代的源泉。

本章通过介绍部分天然产物进行结构修饰研究并成功开发成新药的例子，来了解天然产物结构修饰的思路，途径和方法，也附带介绍一些这方面研究的热点及进一步研究的趋向。

第一节 抗疟药 青蒿素

蒿甲醚（artemether, 1）是我国首创的，为数极少的进入国际药品主流市场的抗疟新药。

目前，疟疾仍是世界上最严重的传染病之一，据世界卫生组织统计每年有1.6亿的临床病例，几百万人死亡，主要原因是20世纪60年代末起恶性疟疾对氯喹等抗疟药产生抗药性，世界卫生组织疟

疾治疗委员会和国际化学科学开发组合作，投入大量人力和物力进行新抗疟药研究，虽发现了一些苗头，如甲氟喹，治愈率95％，但易产生抗药性；三嗪类抗疟药发现代谢中含有毒的肟类化合物。

20世纪70年代我国科技工作者发现了与以往抗疟药结构完全不同的倍半萜内酯 青蒿素（artemisinin, 2）[1]。青蒿素是从中药黄花蒿（Artemisia annua L.）中分离得到的新型带过氧基团的倍半萜内酯化合物，打破了以前抗疟药均是含氮环化合物的框架，在疟疾化疗史上是继氯喹之后又一重大突破。经大量的化学药理、毒性和临床试验证明青蒿素对氯喹敏感株和抗性株的恶性疟和间日疟均有很好的效果，开辟了抗疟药的新领域。虽然青蒿素是高效、低毒、速效的抗疟新药。但尚存在两大不足，它在水和油中几乎不溶解，口服又吸收不好，因此难于制成合适的制剂。另外，口服复燃率高（28天复燃率为45.8％），为克服此不足，因此进行了体内代谢转化过程和结构修饰研究。

对青蒿素进行人体内代谢转化研究，发现疟疾病人口服青蒿素后体内代谢转化研究结果

证明大部分以原型药排出，提示其口服吸收不好，从尿中分离得到的代谢物均无抗疟活性，说明是失活化代谢，经研究发现代谢物均失去过氧基团，代谢产物见图21 1[2, 3]。

青蒿素接触氢化后失去过氧键也无抗疟活性。当青蒿素在甲醇中用硼氢化钠或硼氢化钾还原得二氢青蒿素（dihydroartemisinin, 3），保留了过氧基团，它的抗疟效果比青蒿素强，从体内代谢和上述一系列试验证明过氧基团是抗疟活性基团，所以稳定过氧键，可望提高疗效。

二氢青蒿素分子中羟基为合成各种衍生物提供了基点，以此为起始原料，半合成了一系列青蒿素衍生物（见图21 2），主要包括3种类型：醚类（4）、酯类（5）和碳酸酯类（6）的300多个衍生物，其中20多个衍生物的抗疟效果比青蒿素强5~10倍。经化学、药效、毒理、药代、临床试验后综合比较，蒿甲醚和蒿酯钠（artesunate, 7

）发展成抗疟新药，前者油

溶性极好，易制成油针剂，28天复燃率为6.7%，后者水溶性好，可制成粉针剂，28天的复燃率为50%，但当提高剂量延长疗程，其复燃率降为10%以下。

其合成路线较简单，二氢青蒿素在酸性条件催化与醇类生成醚类衍生物，也可以BF3 Et2O作催化剂在醇溶液中生成醚类化合物，还常产生一对差向异构体，其中以 体为主，二者均有抗疟作用；还原青蒿素在吡啶催化下与醋酸酐或酰氯作用即生成酯类衍生物，二氢青蒿素在吡啶催化下与氯甲酸酯反应即得碳酸酯类衍生物。

蒿甲醚抗鼠疟试验：SD90为1 c，最低疟原虫转阴总量为5.4 mg kg 1；青蒿素的SD90

为6.2 mg kg 1，最低疟原虫转阴总量为75 mg kg 1。抗猴疟试验：蒿甲醚油剂转阴总量为3 mg kg 1，无复燃总量为12 mg kg 1；青蒿素油剂（含有超过药典允许的助溶剂）转阴总量为30 mg kg 1，无复燃总量为60 mg kg 1。进一步进行毒理学等临床前药理研究（包括急性毒牲，长期毒性，局部用药毒性动物体内吸收分布排泄、药代动力学）和三致试验，证明蒿甲醚无明显毒副作用和无致突变，致癌、致畸作用。临床验证共1088例疟疾病人，其中恶性829例，间日疟259例，在恶性疟中有凶险型脑型病44例，疗效100%。在泰国、柬埔寨、巴西的疟区以及多哥、坦桑尼亚等非洲疟疾高发区感染了非洲疟区虫株的我国援外员应用蒿甲醚疗效亦满意。临床上使用蒿甲醚病人，治疗后测定肝、肾功能和心电图均未发现明显毒副反应，孕妇应用后对其本人及后代亦无影响。证明蒿甲醚是高效（剂量小），速效（控制症状快、退热时间快、血中疟原虫消失时间快），低毒（未出现明显毒副反应），复发率低的抗疟新药[1 3]。

在伊斯坦布尔第十五届国际化疗会议上，6000名各国医坛专家盛誉“蒿甲醚”功效神奇，是世界医药史上的创举，是对人类的重大贡献。世界卫生组织（WHO）提供经费，在亚非拉国家对蒿甲醚进行验证并推广，认定蒿甲醚是目前世界上最好的抗疟药。1990年世

界卫生组织出版的文件向世界各疟区国家推广应用抗疟新药蒿甲醚。该药己获准在缅甸、泰国、巴西、扎伊尔、马达加斯加、多哥、加蓬、加纳、科特底瓦等10多个国家注册销售。

第二节 抗肝炎药 联苯双酯

五味子 [Schisandra chinensis (Turcz.) Baill.]是一种常用的中药。临床上用于治疗肝炎，药理实验表明具降血清转氨酶作用。从其乙醇提取液中得到多个有药理活性的木脂素类化合物，其中五味子丙素（schizandrin C, ８）[4]对小鼠四氯化碳引起的肝损伤有明显的保护作用

[5]

，因此对五味子丙素进行类似物合成。

在其合成过程中的，中间体联苯双酯（bifendate）有明显的抗肝毒

作用。经药理试验， 联苯双酯对多种化学性肝损伤动物模型有保护作用，增强肝脏对毒物的解毒作用。临床应用对病毒性肝炎病人有显著的降低血清谷丙转氨酶作用，并改善主要症状。

联苯双酯不仅能降低四氯化碳引起的小鼠血清谷丙转氨酶（SGPT）水平升高，对肝脏病理损害也有明显的保护作用。此外，还

[6]

发现联苯双酯能使正常小鼠、四氯化碳肝损伤小鼠及强的松处理的小鼠肝组织中GPT降低，但对谷草转氨酶（GOT）及醛缩酶活性无明显影响。在使正常小鼠肝脏组织中GPT活性明显降低时，心脏GPT活性无明显变化。联苯双酯对四氯化碳引起的小鼠SGPT升高的降低作用似非直接抑制血清及肝组织中的GPT活性，或促进血液中GPT的消失。在联苯双酯保肝解毒研究过程中，发现对肝癌的标记物甲胎蛋白（AFP）也有作用，因此进一步对其基本骨架酯基团部分进行修饰，发现一些不对称的联苯化合物对肿瘤细胞有强的抑制作用[7]。

其合成路线由没食子酸制得间位单甲醚甲酯，在丙酮中与二碘甲烷回流得到3,4 次二甲氧基 5 甲基氧基苯甲酸甲酯，在冰醋酸中溴化后得到2 溴化物，再在DMF中进行Ullmam反应得 联苯双酯（９），反应物中尚有 联苯双酯（10）和 联苯双酯（11）。

最近，将2 甲氧羰基改为羟甲基，即4，4' 二甲氧基 5，6，5'，6' 双（亚甲二氧基 2 羟甲基 2' 甲氧羰基联苯，通用名为双环醇（12），双环醇对四氯化碳、D 氨基半乳糖胺、扑热息痛引起的小鼠急性肝损伤以及小鼠免疫性肝炎等4种动物模型均有显著降低血清转氨酶水平的作用，肝脏组织病理形态学损害有不同程度减轻。此外，对大鼠慢性四氯化碳肝损伤模型除有降低血清转氨酶作用外，兼有改善血清白蛋白/球蛋白值及肝脏脯氨酸含量的效果，即有减轻肝纤维化的作用。双环醇对慢性乙肝病人服药六个月血清丙氨酸氨基转移酶（ALT）复常率为53.5%了，停药三个月70%以上ALT恢复正常的

病人ALT保持稳定；血清门冬氨酸转移酶（AST）复常率为48.7%，停药三个月全部AST恢复正常的病人AST保持稳定。对慢性丙肝病入的ALT复常率为64.1%，其中70%的病人ALT保持稳定；双环醇可以使HBeAg和HBV DNA持续转阴。目前已以商品名为百赛诺批准上市。

第三节 抗早老性痴呆药 石杉碱甲

早老性痴呆症（Alzheimer’s disease, AD）是发生于老年人口中的一类智能缺损症，临床上主要表现为进行性认知功能减退，并伴有行为障碍及情绪无常等，直至生活不能自理，给患者及家庭和社会带来严重的负担。随着世界老龄人口的迅速增加，AD病人的日益增多，AD已成为继心血管病、肿瘤病后威胁老年人生命的第三位疾病。

AD分蛋白变性型、脑血管障碍型及二者兼有的混合型，病因机制至今还没有完全搞清。

其病理特征是 淀粉样蛋白沉积脑内形成老年斑及神经细胞内的神经元纤维缠结，其发病机制与乙酰胆碱（ACh）、兴奋氨基酸、5 羟色胺、多巴胺等多种神经递质紊乱有关，尤其胆碱能系统功能缺陷更为突出。神经病理学家经过长期的研究证实，在AD病人中，学习与记忆能力的丧失与乙酰胆碱能功能下降有直接的关系。AD病人的脑皮层及海马体部位内乙酰胆碱（ACh）水平明显低于正常人水平，所以目前治疗策略的研究比较多集中在胆碱能替代疗法，寻找新的中枢拟胆碱药，其中乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制剂是目前研究较多并广泛用于临床的一类新药。

应用胆碱酯酶抑制剂治疗AD病已取得较大进展。1993年第一个治疗AD的乙酰胆碱酯酶抑制剂新药 他克林（tacrine, THA；商品名Lognex）在美国上市，1999年其销售额达5亿美元。但该药存在严重的肝脏毒副作用，占临床服药者29％以上。多奈派齐（donepezil

hydrochloride, 商品名Acricept）是美国辉瑞公司和日本卫材公司共同研制开发的新一代乙酰胆碱酯酶抑制剂，并于1997年在美、英等国上市，其疗效与毒性明显优于他克林。

石杉碱甲（huperzine A, 13）是我国科学家从中草药蛇足石杉（俗称“千层塔”）[Huperzia serrata (Thunb.) Trev.]中分离

得到的新生物碱，经药理试验证明它对乙酰胆碱酯酶有高选择性抑制作用。对脑内AChE的抑制和提高ACh水平的作用持续达6h，提高脑内ACh水平主要通过抑制AChE，进入脑内

后在后脑皮层及海马区有较高浓度分布，不抑制脑皮层ACh释放，能改善脑功能谱和老年大、小鼠或各种实验损伤产生的学习、记忆障碍[8, 9]。1986年首先应用于治疗重症肌无力症，取得很好的效果[10]，1995年应用于脑血管硬化、血管性或早老性痴呆记忆障碍均有改善作用[11]。石杉碱甲是新型的高选择性胆碱酯酶抑制剂，已经成为治疗AD的候选药物。由于其独特的药理特性和确切的疗效，而引起人们的广泛重视。

近年来，石杉碱甲也成为国际上研制开发新一代乙酰胆碱酯酶抑制剂的热点。国内外的科学家们对石杉碱甲的结构改造和构效关系进行了大量的研究，合成和筛选了数以千计的石杉碱甲类似物，试图寻找到疗效比石杉碱甲更好、毒性更低的化合物，但至今这方面的研究未有突破。

利用我国石杉碱甲的资源优势，我们从中草药千层塔中分离得到石杉碱甲，并对它的结构进行了化学修饰，希望从诸多的石杉碱甲衍生物中寻找出比现有石杉碱甲治疗效果更佳且毒性较低的化合物。

石杉碱甲经与相应取代醛或与相应取代酰氯或酸酐在无水溶剂中进行缩合的通式见图21 3。

Y为 C O或 R"，R为C1 C5的低烷基；

X

(CH2)n，

， ，n＝0，1，X

X

为氢，C1 C5的低烷基，C1 C5的低烷氧基，硝基，卤素，羧基，酯基，羟甲基，羟基，二 C1 C5的低

烷基取代的氨基； (CH2)mCOOZ基，m＝0~5，Z为氢或C1 C5的低烷基； CH CH G基，G为苯基，呋喃基，羧基，酯基；及氮上C1 C5低烷基取代的二氢或四氢吡啶基；R 为氢、C1 C5的低烷基，吡啶酰基，C1 C5低烷氧基取代的苯甲酰基；R"为氢及C1 C5低烷基。

当Y为C O时，R为C1 C5低烷基， (CH2)n 基，n＝0，1，X为氢，C1 C5的低烷氧基，羧基，酯基，吡啶基；氮上C1 C5低烷基取代的二氢或四氢吡啶基， (CH2)mCOOZ

X

基，m＝0~5，Z为氢或C1 C5的低烷基； CH CH G基，G为苯基，呋喃基，羧基，酯基；R 为氢、C1 C5的低烷基，吡啶酰基，C1 C5低烷氧基取代的苯甲酰基；R"为氢及C1 C5低烷基。

当R"，Y为 CH时，R为 (CH2)n

, 基，n＝0，1，X为氢，C1 C5

X

X

的低烷基，C1 C5的低烷氧基，硝基，卤素，羟基，羟甲基，二 C1 C5的低烷基取代的氨基； CH CH G基，G为苯基，呋喃基；R 为氢及C1 C5的低烷基。

本品“石杉碱甲衍生物，其制备方法和用途”已经在国内外申报了专利[12]。

从半合成的上百个化合物中发现了新化合物希普林（schiperine, 14），其合成路线见图21 4。

在测试评估希普林的抗AChE作用，改善记忆障碍和毒副作用等方面与石杉碱甲、他克林和多奈派齐做了比较。

体外试验检测了希普林对大鼠皮层、大鼠、牛及人细胞膜AChE活性的抑制作用。它的抑制酶活性50%浓度（IC50）分别为83 nmo1、90 nmo1、99 nmo1及78 nmo1，抑制作用强度与石杉碱甲相当，弱于多奈派齐。希普林对血清丁酰胆碱酯酶（BuChE）活性抑制最弱，它对AChE的选择性抑制作用约比石杉碱甲大1倍。实验结果说明希普林对体外大鼠乙酰胆碱酯酶的选择性抑制作用大于石杉碱甲、多奈派齐和他克林，它对多种来源的乙酰胆碱酯酶均有较强的抑制作用。希普林对乙酰胆碱酯酶的抑制作用是可逆的，属混合竞争型，其Ki值为32 nmo1 L 1。

体内试验用小鼠与大鼠两种，口服希普林各0.5 mol kg 1、1.0 mol kg 1、2.0 mol kg 1

对各脑区AChE的抑制呈现剂量依赖相关。抑制作用强度与石杉碱甲相当，但比多奈派齐及他克林各强16与120倍。希普林对血清内BuChE抑制作用最弱，对脑内AChE抑制作用持续长达6 h，但对血清BuChE抑制作用仅维持3 h，比之石杉碱甲、多奈派齐和他克林明显短。

用成年小鼠、大鼠、猴及老年猴测试了希普林的促进与改善各种实验性记忆障碍作用。希普林对水迷宫、八臂迷宫及延迟反应记忆操作均有改善作用，希普林改善记忆功能的有效剂量为0.05~0.1 mg kg 1，作用比之石杉碱甲、多奈派齐及他克林各强1、6及15倍。希普林肌肉注射1~15 g均显示有明显促进老年猴记忆功能。大鼠经连续7~8天口服希普林0.2~0.42 mol kg 1，均未见对AChE的抑制与改善记忆作用出现耐受现象。小鼠口服希普林0.35 mol kg 1明显延长NaNO2产生脑缺氧死亡的时间，小鼠生存时间延长71%。在等剂量条件下，石杉碱甲延长53.6%、多奈派齐为11.5%。

上述药效测试的结果表明，希普林优于石杉碱甲、多奈派齐及他克林，因此具有开发用于治疗早老性痴呆症前景。

为评价希普林长期服用的安全性，进行了小鼠急性毒性、大鼠和猕猴长期毒性、生殖毒性、致突变和致染色体畸变研究。

小鼠口服LD50雌性为53.56 mg kg 1（95%可信限43.17~66.44 mg/kg），雄性为56.96 mg kg 1（95%可信限48.32~67.15 mg kg 1）。石杉碱甲小鼠口服LD50为4.78 mg kg 1（95%可信限4.3~5.3 mg kg 1）小鼠静脉LD50为8.9 mg kg 1（95%可信限7.56~10.48 mg kg 1）。分别以0.8 mg kg 1、2.4 mg kg 1、7.2 mg kg 1分为高、中、低三个剂量组，对大鼠和猕猴进行长期毒性试验，实验结果表明动物可产生对药物的耐受性，高剂量组体重增长减慢，0.8 mg kg 1剂量组除稀便外，无其他明显毒性反应。生殖毒性实验表明希普林无致畸作用，但在1.8 mg kg 1见吸收胎增加，呈现胚胎毒性。用Ames试验来进行致突变检测，在TA97、TA98、TAl00、TAl02、TAl535五个菌株 S9和 S9两种试验系统中，剂量在0.5~100 g 皿 1，均为阴性。通过诱发培养哺乳动物细胞，以染色体畸变为指标，观察希普林体外试验有否引起CHL细胞染色体的损伤。测得希普林对CHL细胞IC50值为411 g m1 1，故选411 g m1 1、206 g m1 1、103 g m1 1三个剂量组测试诱发CHL细跑染色体畸变作用。结果表明希普林在非代谢活化（ S9）高剂量中有抑制细胞分裂，故小剂量选为50.2 g m1 1。在代谢活化（ S9）中高剂量对细胞无抑制细胞分裂。希普林在非代谢活化（ S9）和代谢活化（ S9）对CHL细胞染色体畸变率均小于5%，说明希普林无染色体畸变作用。希普林致突变阴性，对心血管和神经系统也几无影响。

目前，希普林已进入临床试验。

第四节 心血管药 常咯啉

常山（Dichroa febrifuga Lour.）用于治疗疟疾已有两千多年历史，早年已证明其有效成分之一为常山乙素（ Dichroine, 16），是带喹唑酮环的生物碱，因其有强烈催吐作用，阻止了其临床应用。因此，对其结

构进行各种改造，保留其喹唑环，合成了一系列化合物。其中，常咯啉（Changrolin, 17）对疟原虫红内期有杀灭作用，经临床试验证实，近期疗效与氯喹相仿，毒性和副作用明显低于氯喹，但仍有疟原虫早期再现的缺点。在抗疟临床观察中，发现常咯啉有减少心脏异位节律作用，再进行动物试验证明能阻止乌头碱、乌巴因、氯化钡或缺血引起的室性心律失常，并提高刺激室颤阈[13]。再回到临床验证阐明对各种病因引起的室性早搏和阵发性心动过速有良好疗效，对使用过其他抗心律失常药而无效的顽固性心律失常患者也有良好效果。目前，常咯啉已作为抗心律失常药应用于临床。

常咯啉通过以下反应步骤合成获得（见图21 5）[14]：

2COOH

+HCONH

2

N5

H2HHO

2

NOH

17

N

图21 5 常咯啉合成路线

常咯啉在临床应用发现有改变皮肤色泽的副作用，因此结构改造工作继续进行。舒心啶

（sulcadine, 18）是常咯啉进一步结构改造的新化合物[15]。

H2

C

2NHCH2

OHH

2

OMe

18

根据国内制药工艺设备条件、化工中间体供应现状及保护环境的原则，硫酸舒心啶（19）的合成路线经多次改进制备工艺，最终确定了其合成路线，见图21 6[15]。

HO

CHO

+ NH3-H2O

HO

CH2NH2

MeO

2Cl

MeO

SO2NHCH2

OH

MeO

SO2NHCH2

OH

18

MeO

SO2NHCH2

OH

. HSO. 3HO

24 2

19

图21 6 硫酸舒心啶合成路线

其中4 甲氧基苯磺酰氯由苯甲醚与氯磺酸反应制得。上述合成路线和制备工艺经多次试验验证，表明设计合理，反应条件温和，收率稳定，成本低，有很好的生产可行性。

细胞电生理实验结果发现舒心啶对动物作电位的0相、2相和3相均有影响，表现它作用于钠、钾和钙离子通道，是种复合型的离子通道阻滞剂，可能是一种有新型作用机制的抗心律失常药。动物的体内外实验研究证明，舒心啶对各种心律失常模型具有明显疗效，不少指标优于常咯啉。

第五节 抗 肿 瘤 药

一 鬼 臼 毒 素

鬼臼毒素（podophyllotoxin, 20）是众所周知的具有抗癌活性的天然产物，存在于小檗科，包括八角莲属（Dysosma），鬼臼（足叶草）属（Podophyllum）和山荷叶属（Diphylleia）三属10多种植物中。虽然其具有强的抗肿瘤活性，但又具有强的毒性，限制了它的临床应用。因此也吸引了众多天然药物化学家和药理学家对鬼臼毒素进行构效关系和结构优化研究，经大量研究工作后总结出了鬼臼毒素及其衍生物的一些构效关系。

鬼臼毒素C4位是一个母核上4个手性碳原子中唯一存在碳

氧的手性碳原子，许多化学反应都易在此发生，并影响它的构型，鬼臼毒素4 位碳氧是 构型，若转为 构型，成表鬼臼毒素则毒性显著降低；反式内酯环是抗肿瘤活性必须基团，任何改变内酯环构型的鬼臼毒素类化合物均降低或失去抗肿瘤活性；E 环中的C 4 酚羟基若被烷基或酰基保护，活性显著下降。

即使以磷酸酯基封闭也如此，只有当C 4´酚羟基上的取代基进入体内恢复酚羟基才可能具有抗肿瘤活性。因此国内外研究者均在保留C 4取代的 构型、反式内酯环和C 4 游离酚羟基的基础上进行结构修饰。目前主要集中在4 –O–取代–4´–去甲基表鬼臼毒素（21）结构修饰，其中代表性并已成为临床用药的是4´–去甲表鬼臼毒素–4 –葡萄糖衍生物：依托泊苷（etoposide, VP 16, 22）和特尼泊苷（teniposide, VM 26, 23)。

O

O

21 R=OH

OHO

O

OOHOOH

22 R=O

MeO

OH

O

OMe

23 R=O

HO

O

MeO

OMe20

OMe

24

O

2OOOH

2,3,4,6-四乙酰基- -D-葡萄糖

3222

2

图21–7 VP–16合成路线

早期VP 16的合成路线见图21–7，是鬼臼毒素经溴化氢处理和水–丙酮水解得到去4 –

甲基的4位立体异构体（24），再制备成4–O–苄氧羰基衍生物，进一步与2, 3, 4, 6–四乙酰

基– –D–葡萄糖在BF3 Et2O催化糖苷元，经氢解脱除苄氧羰基和乙酰基后，和乙醛形成缩醛VP 16 [16, 17]，以24计得率为18%。若用同一保护基保护糖的醇羟基和4 –位酚羟基，并将亚乙基反应置合成路线之首，显著提高合成总产率，以24计为35%。马维勇等[18]在鬼臼毒素结构修饰中发现化合物24分子中处于C4位的碳正离子能与B环的 电子形成缺电子的p 共轭，其结构较为稳定，多数亲核取代其历程为SN1。同时，构象分析表明，由于C1位上的芳环以及C–1a位联接的 –内酯同处于C环的一侧，占据了 –面较大的空间，给亲核试剂造成较大的立体障碍，因此有利亲核试剂选择位阻较小的 面进攻，形成 构型衍生物。BF3 Et2O催化的亲核取代对C4位酚羟基应无影响。因此用未经保护的24和边链糖部分直接在BF3 Et2O催化下即得VP–16，该方法路线简短，操作方便，便于工业化生产，以24计得率达到54%~56%。

由于VP–16和VM–26两个药存在着抗瘤谱窄、生物利用度低、骨髓抑制和胃肠道毒副作用等不足，因此对鬼臼毒素的结构改造研究还在广泛地进行中，目前主要在保留内酯环的反式取向和C4游离酚羟基的基础上，对C4位氧原子或其电子等排同系物的 –构型取代基的变换：1. 在VP–16和VM–26的基础上将糖基侧链改为同时含羟基和氨基或烃酰基、卤代酰基、磺酰胺基等，其中像4–去氧–4 –芳甲磺酰胺基–4'–去甲鬼臼毒素，对KB细胞和L1210比VP–16有较好的抑制活性[19]；2. 以4–位氧原子变换为电子等排同系物的 构型取代基，如4 –N–取代、4 –S–取代、4 –Se–取代表鬼臼毒素衍生物，其中GP–7, 4–氨基–2, 2, 6, 6–四甲基–哌唆氮氧自由基衍生物较VP–16毒性低，活性相近，很有希望成为新药上市[20]。

二 喜树碱

喜树碱 20(S) camptothecin, CPT, 25)是1966年由Wall等从珙桐科植物喜树（Camptotheca

acuminata Decne.）[21]，后又从Nothapodytes foetida[22]、Ervatamia heyneana[23]、Pyrenacantha klaineana[24]中分离得到的吡咯 3,4 b 喹啉生物碱，是重要的广谱抗癌活性天然产物。虽然后来在临床上喜树碱治疗胃癌、直肠结肠癌、肝癌、白血病等恶性肿瘤有较好疗效，但它有骨髓抑制、出血性膀胱炎及腹泻等严重的毒副反应，限制了它的应用。直到1985年Hsiang [25,

26]

等发现喜树碱能够抑制参与DNA复制和转录的拓扑异构酶I（topoisomerase I, topo I），它

通过与topo I DNA的可裂解复合物可逆结合形成三元复合物而抑制DNA的解旋，导致磷酸二酯键的断裂，产生细胞毒作用，再次激起人们对喜树碱的兴趣[27]。CPT在作用过程中其内酯环打开，酰基与TOPO中的亲核部分相互作用，抑制TOPO。由于喜树碱水溶性差和上面提到的临床使用毒副作用较严重的缺点，人们一直致力于结构修饰，寻找高效、低毒及

水溶性的喜树碱衍生物。

喜树碱的结构修饰主要集中在水溶性喜树碱衍生物半合成（见图21–8），其中之一是喜树碱氧化得10 羟基喜树碱，随后经Mannich反应产生N–取代9–(二乙基胺)–10–羟基喜树碱类或Mannich反应后继续修饰。也有的从10位羟基进行修饰，还包括全合成7 取代的喜树碱类似物，共合成了34个类似物[28]，其中9 二甲胺甲基 10羟基 喜树碱（9– (Dimethylamino)methyl –10–hydroxycampotothecin, TPT，26），显示广谱抗肿瘤活性，商品名为拓扑特肯（topotecan），是一种水溶性的半合成喜树碱衍生物，在9位上有一个稳定的碱性侧链，血浆中TPT的内酯占总药的33%，血浆蛋白结合率低于20%，比报道过的其他喜树碱衍生物均低，这可能正是TPT易进入脑脊液的原因。TPT用于晚期难治的卵巢癌，甚至用于其他化疗药无效的卵巢癌的治疗，在小细胞肺癌和非小细胞肺癌中，TPT对以前未经治疗病人均有一定的疗效[29]。

25

1. HOAc,H2/PtO2,1atm2.HOAc, H2O

HHCHO, Me2NH

H26

图21–8 水溶性喜树碱衍生物半合成路线

另一条路线是喜树碱先转化到7–乙基喜树碱，再氧化到7–乙基–10–羟基喜树碱，10位酚羟基通过羧酸酯转化到10位二胺基类边链，共合成了36个衍生物，其中7–乙基–10–(哌啶基–1–哌啶基)羰氧喜树碱[7–ethyl–10–(4–piperidinopiperidino–carbonyloxy)–camptothecin]，又称CPT–11(27)[30]，商品名为伊诺替康(irinotecan)， 其合成路线见图21–9。在血浆中CPT–11的内酯占总药（内酯＋羧酸盐）的36.8 3.5%。CPT–11对转移性结肠直肠癌有效，对经5–Fu治疗过的结肠直肠癌病人也有效。已经于1996年得到FDA批准。CPT–11每周使用1次作为转移性结肠直肠癌的二线治疗药物，这标志着自5–Fu发现以来，第一个用于治疗转移性结肠直肠癌的新型药物问世了。CPT–11对非小细胞肺癌和小细胞肺癌均有一定疗效[30]。

25

H2O2HOAc

Cl

O

图21–9 CPT 11合成路线

除上述两个喜树碱衍生物已应用临床外，尚有几个衍生物有应用前途的，如9–氨基喜树碱（9–aminocamptothecin, 9–AC）[31]，9 硝基喜树碱（9–Nitrocamptothecin）[32]等在临床试验中。

我国在喜树碱结构修饰方面也做了不少工作，药理研究证明喜树果中分离得到的10–羟基喜树碱有较广的抗瘤谱，对小鼠艾氏腹水瘤、吉田肉瘤和肝癌腹水瘤等均有显著效果，毒性较喜树碱为小，并首次应用于临床，对肝癌和头颈部肿瘤如涎腺癌等有一定疗效[33]。为了进一步扩大药源，更好地满足临床使用的需要，朱关平等[34]进行了喜树碱转为10–羟基喜树碱的生物转化研究，从150株真菌中筛选了T–36菌株能将喜树碱转化为10–羟基喜树碱，得率为喜树碱投料量的1/10左右。

进一步选用带有不同取代基原料合成了12位取代喜树碱类似物，其中12位氯代、羟基代或甲氧基喜树碱对小鼠艾氏腹水瘤的作用比喜树碱强，如喜树碱内酯环上的羟基酰化或还原均失去抗癌活性[35]。

三 长 春 碱

长春碱（vinblastine, VLB, 28）和长春新碱（vincristine, VCR, 29）均是从夹竹桃科植物

长春花（Vinca rosea L.）中分离得到的双分子吲哚生物碱，它们均有抗白血病作用。

28 R=CH329 R=CHO

3

长春碱和长春新碱因神经毒性而限制临床应用，所以对它们进行了一系列结构修饰。在众多的衍生物中，长春地辛（vindesine, VDS, 31）是一个比较典型的代表，它是由长春碱、长春碱硫酸盐或者去乙酰基长春碱（30）通过C23 甲酯基偶合失去乙酰基的文朵灵（vindoline）部分选择性的氨解而得到。

28 R=COCH3

30 R=H

31

3

32

药理学研究表明：当剂量为0.4 mg kg 1和0.25 mg kg 1时，长春地辛对Ridgeway骨髓瘤（ROS）和Gardner淋巴瘤（GLS）具有抑制活性，而它的母体生物碱长春碱在剂量0.5 mg kg 1时对这两种肿瘤细胞没有活性。长春地辛抑制Mecca淋巴瘤的活性与长春新碱相当，分别为60%和68%，而长春碱的抑制率为41%。长春地辛对Ca755乳腺癌显示中度抑制，抑制率为46%，长春新碱为39%，长春碱则无抑制反应。长春地辛可以明显延长带有B16黑素瘤小鼠的存活时间。在记录存活45天的同一个试验中，长春地辛给药组有30%和100%的存活率，而长春碱则是20%和80%。在另一个试验中，观察促使培养中国仓鼠卵细胞有丝分裂细胞积累的最小有效浓度，当达到10~15%的细胞积累时，测得长春地辛、长春碱和长春新碱的最小有效浓度分别是2.3 10 9 mol L 1、2.2 10 8 mol L 1和7.3 10 9 mol L 1；而当达到40~50%的细胞积累时，测得它们的最小有效浓度分别又是2.8 10 8 mol L 1、8.3 10 8 mol L 1和2.4 10 8 mol L 1。长春地辛、长春碱和长春新碱均可使接种了P388白细胞、Walker 256和Ehrlich腹水瘤动物延长存活时间，有效率为100%。当每天剂量为1.0 mg kg 1时，长

春地辛对L1210、AKR、L5178和C1498白细胞无抑制作用[36]。

长春地辛的活性在抑制侵蚀性肿瘤系统方面相似于长春新碱但强于长春碱，但在把鸡和

猴用做测定神经肌肉障碍试验模型的试验中，通过比较长春地辛和长春新碱发现前者的神经毒性却要小于后者。临床研究表明长春地辛对成年非淋巴细胞白血病和儿童急性淋巴细胞白血病有显著疗效，且神经毒性要比长春碱和长春新碱低[37]。目前，长春地辛已应用于临床。

四 紫 杉 醇

紫杉醇（Taxol, 32）是近年来发现的疗效显著的抗癌药物之一，它是1992年获美国FDA批准上市，用于治疗卵巢上皮癌，也可用于转移性乳腺和小细胞肺癌及头颈部癌的治疗。

NHBzPh

O

OH

32

微管是真核细胞独特的组成部分，具有重要的细胞功能包括有丝分裂染色体的移动、细

胞形成的调节、激素的分泌、颗粒的运输、膜上受体的固着和细胞活动。紫杉醇所以引起世界上各相关学科的科技人员的关注是由于：首先是它的独特的作用机制，它通过促进极为稳定的微管聚集，并阻止微管正常性的生理解聚，从而避免了癌细胞的快速分裂，使其停止在C2期和M期，直至死亡，并抑制组织再生；对化学家而言，分子中含有多个不同位置和立体取向的含氧取代基，母核含九个手性中性，侧链含两个手性中心，同时其分子骨架呈“笼状”结构，使得经常会出现重排反应和邻位基团参与反应，为研究选择性反应提供了很好的机会。另外，紫杉醇在植物体内含量极低，目前临床上紫杉醇用药靠植物中提取，或由植物中含量较高的10 去乙酰白卡亭III（10 Deacetyl baccatin III, 10 DAB III, 33）半合成转化而成。由于该类植物生长缓慢，天然资源有限；紫杉醇也存在水溶性差、对某些癌症无效、

易产生多药耐受性等缺点，因此进行构效关系和结构修饰优化研究，以求寻找高效低毒、抗瘤谱广、综合

H33

性能好又不依赖自然资源的新一代紫杉醇类抗癌药具有重要意义[38]。

紫杉醚（Taxotere, 34）[49]是3 N

上修饰改造最

成功的代表，其活性甚至高于紫杉醇[41]。NMR，X 单晶衍射及计算机分子模型计算均表明3 N 酰基与2 苯甲酰基均很靠近，这种相似的构象解释了类似的活性。

OPh

OH

34

NH

O

紫杉醚是10 去乙酰基巴卡亭III的衍生物。将适当保护的10 去乙酰基巴卡亭III与全

合成的具有活性的侧链（35）连接，然后去保护而生成结晶的紫杉醚，合成路线见图21 10[42]。

ClCCHOCOCl

Pyridine/C2H4Cl2

yew needlesHO

+

Boc

H

O

Boc

O

Boc

图21 10 紫杉醚合成路线

迄今为止，紫杉醚是紫杉醇结构改造惟一被批准生产上市的新药，它是所有紫杉醇结构修饰衍生物中最成功的例子。

体外实验表明，在缺少鸟苷三磷酸(GTP)的情况下，紫杉醚具有较强的诱导微管聚合的

功能。作为微管解聚抑制剂，紫杉醚不但具有很强的活性，而且不改变微管原丝体的数目，它能使多重阵式的无规则微管呈束状平行排列。

鼠和人体的几个细胞培养系被用来测定紫杉醚的细胞毒性，减少增殖细胞的50%(IC50)范围为4~35 ng/ml，此浓度也适合于临床试验。抗增殖反应的测定采用与临床相关浓度的紫杉醚对新鲜的外植人体肿瘤品种和克隆单位(胸、肺、卵巢、结肠癌和黑素瘤)的细胞毒性进行测试。实验结果表明紫杉醚对外植人体肿瘤具有广泛的生物活性，对增殖细胞的毒性要强于非增殖细胞，且毒性的强弱取决于增殖细胞的生长时间和浓度。

小鼠药代动力学研究显示双相组织消除时最终半衰期为2.2~4.5 h，而肿瘤存活显著延长时消除最终半衰期为22 h。毒性主要表现为神经运动毒性(小鼠)、胃肠道毒性(狗)和造血机能毒性(所有物种)。狗是表现最敏感的物种。临床给药剂量为5 mg/m2，这是基于狗低毒性剂量(15 mg/m2)的三分之一而确定。

紫杉醚几种不同疗程的治疗方案已经被用于一系列I期临床研究，注入延续时间的增加或者一个5天的疗程，引起了粘膜炎发生率增加而抗肿瘤活性没有明显的提高。较短的注入时间与更加频繁的皮肤反应有关。根据可接受毒性最大剂量，II期临床的推荐剂量为100 mg/m2，1 h注入延续3周。临床研究表明，紫杉醚用于治疗乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌、非小细胞肺癌和头颈部癌等疾病，疗效显著[57]。并已于1996年得到美国FDA批准上市。

有关紫杉醇的结构修饰详见第七章。

五 斑 蝥 素

斑蝥（Mylabris phalerata Pallas）是鞘翅目芒青科的一种昆虫，我国常用动物中药，功能是攻毒，逐淤。外用治恶疮、顽癣、口眼歪斜；内服治瘰疬、狂犬咬伤。其主要活性成分是斑蝥素（Cantharidine, 36）。

动物实验证明斑蝥素对小鼠腹水型肝癌、网织细胞肉瘤有一定的抑制作用，对小鼠免疫状态的实验研究指出没有明显的免疫抑制作用。

临床治疗原发性肝癌有一定的疗效，不降低周围血象中的白细胞。在临床应用中，比较明显的不良反应是泌尿系统和消化道系统的毒副反应。因此，以此为先导化合物进行大量类似物合成，以寻找降低其毒副作用的新化合物成为斑蝥素的替代品。

斑蝥素为酸酐化合物，经氢氧化钠水解，所成斑蝥酸钠对小鼠艾氏腹水癌细胞有明显的

抑制作用，临床治疗肝癌和膀胱癌有效，但有泌尿道和消化道副作用。将酸酐与各种胺作用，可生成带不同取代基的酰亚胺，水解将慢于酸酐，逐渐释放斑蝥酸，毒性自应降低。

迄今为止，已经合成了许多类似物，其中去甲斑蝥素（norcantharidine, 37）和羟基斑蝥胺（N hydroxycantharidine, 38）两者毒性均已较大地降低。氮上带有多种其他取代基的酰亚胺化合物对艾氏腹水癌皮下型和肉瘤180腹水型等也有不同程度抑制作用，但分子内二个角甲基或环内氧桥去除便失去活性。小鼠静脉注射斑蝥素、去甲斑蝥素、羟基斑蝥胺的LD50分别为2.1 mg kg 1、11.8 mg kg 1、1037 mg kg 1。目前，这两种化合物已用于临床治疗原发性肝癌[43]。

O

OH

37

38

六 靛 玉 红

靛玉红（Indirubin, 39）是从中药青黛（Indigofera tinctoria L.）分离得到的有效成分，青黛是成药当归芦荟丸11味中药中的一味，此成药有活血化淤和消肿，中医用作治疗慢性粒细胞白血病取得一定效果，后来拆方研究发现其中主要为青黛有抗白血病活性，最后从中分离得到活性成分为双吲哚类化合物 靛玉红。

O

21'

1

N

H

NH

O39

靛玉红无论对动物移植肿瘤及人体肿瘤都有一定的治疗作用，经临床证实其对慢性粒细胞白血病有一定疗效，但其水溶性与脂溶性均低，口服吸收受到限制，因而临床生效较慢，部分病人引起腹痛、腹泻，甚至便血等胃肠道刺激症状，另外，其结构比较新型，引起人们的兴趣，因此对靛玉红进行构效关系和结构修饰研究，寻找疗效更好、毒副反应低的类似物。经合成了大量的类似物和抗肿瘤试验后得出如下构效关系：双吲哚骨架无论在2，3位、2，2位或3，3位相连，均能保持其疗效；N1’位取代能增该类化合物的抗癌活性，但取代基链

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kpii.html