薯蓣皂苷元衍生物的合成及生物活性研究

薯蓣皂苷元衍生物的合成及生物活性研究

林佳艳，薛迎凤，肖复耀，张洪波，李维岗，黄楠楠 *

（ 黑龙江中医药大学，哈尔滨， 150040 ）

摘要:薯蓣皂苷元具有多种药理活性，根据薯蓣皂苷元表现出不同的生物活性，以薯蓣皂苷元为起始原料采取酯化、还原等化学反应进行适当结构修饰，得到多种类型的薯蓣皂苷元衍生物，可减少薯蓣皂苷元的毒副作用，增加其抗血栓、抗炎及松弛支气管平滑肌的药理活性，使薯蓣皂苷元在临床的应用更加广泛，为薯蓣皂苷元更进一步的研究及利用提供一些新的思路。

关键词:薯蓣皂苷元衍生物 合成 生物活性 抗血栓 抗炎

薯蓣皂苷元（diosgenin，简称Dio）主要是从薯蓣科植物穿龙薯蓣^[1]Dioscorea nipponica Makino中得到的甾体皂苷元，俗称皂素。它是由C₂₇螺甾烷皂苷组成的一类具有广泛生物活性的中药，在临床中常用作一些药物的半合成原料，在制药工业中常用作合成甾体激素类药物和甾体避孕药^[2]。薯蓣皂苷元主要通过促进细胞凋亡、降低氧化应激、抑制促炎因子等来发挥抗肿瘤、抗炎、保护心血管、松弛平滑肌等作用^[3]。然而，薯蓣皂苷元的脂溶性强，口服生物利用度较低，几乎很难吸收入血，很大程度上影响了药理作用的发挥。在C-3位置引入酯或醚键可显著增大薯蓣皂苷元的极性及溶解度，同时保持其原有的优势^[4,5]。因此有必要对其进行适当的结构改造，使薯蓣皂苷元的溶解性及溶出度在一定程度上增加，从而增强其生物活性。本文就近年来以薯蓣皂苷元为基础原料进行适当结构改造，得到一系列薯蓣皂苷元衍生物并对其相应的生物活性进行了归纳总结，以期提供更有意义的参考来进一步研究及利用薯蓣皂苷元。

1 薯蓣皂苷元的结构修饰及其抗血栓形成活性

乙酰水杨酸即阿司匹林，在临床上常作为解热镇痛药使用，研究表明其小剂量使用时具有防止血栓形成作用，可作为预防血管疾病的药物在临床上使用，但其会造成出血风险、胃黏膜损害和耐药性等不良反应^[6,7]。据报道，薯蓣皂苷元具有保护胃肠道黏膜的功能，但其不溶于水导致吸收差影响了其应有的疗效，因此要采取适当增溶措施，以增强薯蓣皂苷元抗血栓形成活性，并减轻胃肠道不良反应。薯蓣皂苷元衍生物的合成可显示出与阿司匹林相似的抗血栓活性，且细胞毒性低，具有良好的药代动力学特征，可能替代阿司匹林作为新型抗血栓药物^[8]。

1.1 薯蓣皂苷元酯类衍生物

付晓丽^[9]等以薯蓣皂苷元为先导物，采用酯化反应的方法对其结构中C-3位羟基进行修饰，得到薯蓣皂苷元酯类衍生物，并在建立的血栓模型中证实3β-薯蓣皂苷元丁二酸单酯抗血栓形成活性较好。在此基础上的另一研究^[10]发现薯蓣皂苷元引入阿魏酰和乙酰水杨酰基合成的化合物3β-乙酰水杨酸阿魏酸酯酰薯蓣皂苷元以及引入双水杨酰基合成的化合物3β-双水杨酰薯蓣皂苷元有比母体化合物薯蓣皂苷元更强的抑制活性。由此可知，薯蓣皂苷元A环中C-3位适当引入亲水性活性基团能够增强其抗血栓形成活性。类似地，Zheng HJ等^[11]通过阿司匹林结构上的羧基与薯蓣皂苷元以酯化反应合成了乙酰水杨酸薯蓣皂苷元，证明该衍生物能浓度依赖性减少二磷酸腺苷(ADP)诱导的血小板聚集并调节因子VIII的激活延长凝血时间，在体内表现出类似于阿司匹林的抗血栓形成活性，而优于薯蓣皂苷元。

1.2 薯蓣皂苷元螺缩酮衍生物

Huang BZ等^[12]以薯蓣皂苷元为起始原料，合成了一系列薯蓣皂苷元缀合物，其中带有6-氨基己酸残基的螺缩酮结构的化合物，表现出比薯蓣皂苷元更高的抗血栓形成活性，并且表现出与呋喃甾烷类似物通过促进血栓形成相反的效果。研究也表明薯蓣皂苷元类似物中直链氨基酸残基的苷元结构和碳链长度对类似物的抗血栓活性很重要。

2 薯蓣皂苷元的结构修饰及其抗炎活性

炎症是临床常见病理过程，通过不断释放炎症介质来抵抗机体对于组织及器官损伤或微生物感染的反应，产生炎症时常伴有红肿热痛等表现^[13]。目前使用最为广泛的抗炎药物，如非甾体类和肾上腺皮质激素类，虽然抗炎作用明显，但均报道易引起一定的不良反应，因此亟需寻找更加安全有效的抗炎药物^[14,15]。薯蓣皂苷元毒副作用小且具有较好的抗炎效果，将其合成衍生物增加了水溶性，有助于增强抗炎的药理活性。

2.1 薯蓣皂苷元酯类衍生物

马茂华等^[16]先将乙酰水杨酸进行酰氯化，然后与薯蓣皂苷元发生酯化反应，制得具有孪药性质的3β-2-乙酰氧基苯甲酰薯蓣皂苷元酯 (ABDE)，在二甲苯诱导的耳廓肿胀和醋酸扭体实验中表明新合成的ABDE有抗炎和镇痛作用，并与阿司匹林作用相当。

2.2 薯蓣皂苷元胺衍生物

Cai B等^[17,18]以薯蓣皂苷元为原料先合成甲氨蝶呤-薯蓣皂苷共轭物，再通过Boc的去保护制备薯蓣皂苷元伯胺衍生物(3β，2 5R)-螺甾-5-烯-3-氧基(2 (( 2-(2-氨基乙基)氨基)乙基)氨基)乙基)氨基甲酸酯(DGP)，并证实DGP通过阻断JNK MAPK和NF-κB信号通路显著抑制脂多糖(LPS)刺激的小胶质细胞BV2而发挥抗炎作用。

2.3 薯蓣皂苷元二苯乙烯衍生物

通过吡啶催化一系列氨基酸与阿司匹林和薯蓣皂苷元配位合成了一系列氨基酸二苯乙烯酯和水杨酸二苯乙烯酯共轭物^[19]，这些二苯乙烯类衍生物显著抑制了二甲苯导致的耳水肿，在与薯蓣皂苷元和阿司匹林参照时，发现抗炎活性与二者相当甚至更佳。同时，还进行了氨基酸二苯乙烯酯和水杨酸二苯乙烯酯共轭物构效关系的初步研究，结果表明后者具有比前者更强的抗炎活性。

3 薯蓣皂苷元的结构修饰及其舒张气管平滑肌活性

在气管平滑肌上分布的受体主要有β₂肾上腺素受体、M型胆碱受体和5-HT受体^[20]。已有研究报道薯蓣皂苷元对气管平滑肌有一定的药理作用但其作用效果并不显著，通过采取一定的方法合成薯蓣皂苷元衍生物，将一定程度上增加薯蓣皂苷元对气管平滑肌的舒张作用。刘超等^[21]通过酰化和还原反应，在薯蓣皂苷元3位碳原子上进行适当改造合成多个化合物，结果表明这些衍生物均在一定程度上舒张了豚鼠的离体气管平滑肌，但总的来说芳香酯类活性优于烷基酯类，推测前者可能因苯环上取代基的供电作用而表现出更优的松弛气管平滑肌的活性，而后者虽然活性较弱，但可因结构中碳链的适当延长而使活性得到一定增强。在上述实验的基础上，万剑飞等^[20]推测这些化合物对平滑肌的作用可能是由于和M3受体相互拮抗，故将化合物与受体分子M₃对接，结果提示了在针对M₃受体进行进一步薯蓣皂苷元结构改造时，氨基酸残基居于活性位置能够使化合物与M₃受体的结合能力增强，使增加气管平滑肌舒张活性。

4. 总结与展望

作为一种天然存在的成分，薯蓣皂苷元具有多种生物活性，目前随着薯蓣皂苷元的开发，多种食品和药品中含有这类成分，并在一定程度上起到预防和治疗疾病的作用。然而，薯蓣皂苷元成分的溶解性差，导致口服效果不佳，这在很大程度上限制了药物的临床应用和最佳生物活性的发挥。通过对薯蓣皂苷元进行结构修饰可使水溶性改善以实现薯蓣皂苷元发挥最优效果，但目前主要是在3-羟基及F环上进行修饰，各种新的结构修饰方法还需要进一步探索和改进。大量研究表明进行一些改造后得到的薯蓣皂苷元衍生物体现出比母体薯蓣皂苷元活性更高、毒性更低的特点，通过对薯蓣皂苷元的开发利用，进一步进行薯蓣皂苷元结构修饰的探索，并研究其在生物体内药代动力学过程及生物转化过程，从而寻找到高效低毒的衍生物，将会促进薯蓣皂苷元这一中药的应用及相关新药的发展。

黑龙江中医药大学大学生科技创新实验项目(2020-12)

通讯作者：黄楠楠，主要从事有机化学教学和药用植物生物学研究

参考文献

1. 国家药典委员会. 中华人民共和国药典:一部[S]. 北京:中国医药科技出版社, 2020:279-280.

2. 何焱,王继双,张鹏,等. 薯蓣皂苷元药理作用及其机制研究进展[J]. 中草药, 2013,44(19):126-132.

3. Chen Y, Tang YM, Yu SL, et al. Advances in the pharmacological activities and mechanisms of diosgenin[J]. Chin J Nat Med, 2015,13(8):578-587.

4. Wang S, Wang F, Yang H, et al. Diosgenin glucoside provides neuroprotection by regulating microglial M1 polarization[J]. Int Immunopharmacol, 2017,50:22-29.

5. Cai D, Qi J, Yang Y, et al. Design, Synthesis and Biological Evaluation of Diosgenin-Amino Acid Derivatives with Dual Functions of Neuroprotection and Angiogenesis[J]. Molecules, 2019,24(22):4025.

6. Rafiq S., Steinbruchel D. A., Lilleor N. B., et al. Antithrombotic therapy after bioprosthetic aortic valve implantation: Warfarin versus aspirin, a randomized con-trolled trial[J]. Thromb Res, 2017,150:104-110.

7. van Soest E. M., Valkhoff V. E., Mazzaglia G., et al. Suboptimal gastroprotective coverage of NSAID use and the risk of upper gastrointestinal bleeding and ulcers: an observational study using three European databases[J]. Gut, 2011,60:1650-1659.

8. Wu FC, Jiang JG. Effects of diosgenin and its derivatives on atherosclerosis[J]. Food Funct, 2019,10(11):7022-7036.

9. 付晓丽,韩英梅,张士俊. 薯蓣皂苷元衍生物的合成及其抗血栓形成活性[J]. 现代药物与临床, 2011,26(1):46-49.

10. 付晓丽,韩英梅,张士俊. 薯蓣皂苷元衍生物的合成及抗血栓形成活性研究(Ⅱ)[J]. 中草药, 2011,42(9):1683-1688.

11. Zheng H J, Wei Z L, Xin G, et al. Preventive effect of a novel diosgenin derivative on arterial and venous thrombosis in vivo[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2016,26(14):3364-3369.

12. Huang BZ, Xin G, Ma LM, et al. Synthesis, characterization, and biological studies of diosgenyl analogs[J]. J Asian Nat Prod Res, 2017,19(3):272-298.

13. 于倩,张荣榕,沈颖昕,等. 黄连膏体外透皮吸收及抗炎活性研究[J]. 中国医院药学志, 2021,1-9.

14. Long B, April MD, Koyfman A. Non-steroidal anti-inflammatory drug use for more than 72 hours in adult long-bone fractures: the risks outweigh the benefits[J]. Ann Emerg Med, 2020,76(5):676-678.

15. 刘梦萱,张风霞. 薯蓣皂苷元抗炎作用及其机制研究进展[J]. 湖南中医杂志, 2016,32(6):205-207.

16. 马茂华,吴晓华,何杨,等. 盾叶薯蓣总皂苷及苷元衍生物的抗炎镇痛活性研究[J]. 四川大学学报(医学版), 2011,42(4):494-497.

17. Cai B, Liao A, Lee KK, et al. Design, synthesis of methotrexate-diosgenin conjugates and biological evaluation of their effect on methotrexate transport-resistant cells[J]. Steroids, 2016,116:45-51.

18. Cai B, Seong K J, Bae S W, et al. A synthetic diosgenin primary amine derivative attenuates LPS-stimulated inflammation via inhibition of NF-κB and JNK MAPK signaling in microglial BV2 cells[J]. Int Immunopharmacol, 2018,61:204-214.

19. Huang B, Du D, Zhang R, et al. Synthesis, characterization and biological studies of diosgenyl analogues[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2012,22(24):7330-7334.

20. 万剑飞,刘超,王珍珍,等. 薯蓣皂苷元衍生物与M₃受体的分子对接研究[J]. 华西药学杂志, 2012,27(3):244-246.

21. 刘超,王珍珍,郑微,等. 薯蓣皂苷元衍生物的制备及对豚鼠离体气管平滑肌的作用[J]. 华西药学杂志, 2009,4(5):483-486.