常白楊, 汪建明, 王 敏, 王彤彤
1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所, 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點實驗室, 北京 100081; 2.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院, 天津 300457
煙曲霉素及其衍生物生物活性研究進(jìn)展
常白楊1,2, 汪建明2, 王 敏1*, 王彤彤1*
1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所, 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點實驗室, 北京 100081; 2.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院, 天津 300457
煙曲霉素是一種從煙曲霉菌(Aspergillusfumigatus)提取液中分離出來的具有多種生物活性的抗生素。因其具有多種生物活性,已有多種衍生物被合成,并被應(yīng)用于多種領(lǐng)域。主要介紹了煙曲霉素及其3種衍生物Fumagillin B、TNP-470和CKD-732的分子結(jié)構(gòu)及生物活性,并總結(jié)了煙曲霉素及其衍生物在治療蜜蜂和魚類的微孢子蟲病以及人類癌癥和肥胖癥等方面的作用。
煙曲霉素;衍生物;生物活性
煙曲霉素(fumagillin)又名抗阿米巴藥,是一種由C、H、O 3種元素組成的白色晶狀固體,屬于有機酸性物質(zhì)。它是從煙曲霉菌(Aspergillusfumigatus)中分離出來的一種有效的真菌代謝物[1],可作為天然的不溶于水的抗生素[2],用于控制由蜜蜂微孢子蟲(Nosemaapis)引起的真菌病害[3,4]。Hanson和Eble[5]于1949年第一次從一種特定的H-3曲霉菌株中將其分離出來,后來該菌株被命名為煙曲霉菌。由于其在防治微孢子蟲病方面取得了顯著的效果而被用作治療此病的抗生素類藥物。1990年,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),煙曲霉素還可有效地抑制血管生成[6]。血管生成抑制劑具有巨大的潛在醫(yī)用價值,由此,煙曲霉素及其合成衍生物的生物活性成為探討的熱點。本文將介紹衍生于煙曲霉素骨架的幾種衍生物,其能夠在體內(nèi)和體外對內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)揮抑制生長和細(xì)胞毒性作用,用于治療多種癌癥。然而,我國尚未授權(quán)煙曲霉素類藥物的使用,相關(guān)藥物合成的研究也相對較少,因此,對于煙曲霉素類相關(guān)的研究進(jìn)展加以總結(jié)是十分必要的。
煙曲霉素(圖1)是從煙曲霉菌(Aspergillusfumigatus)中分離的天然產(chǎn)物[7],是一種2型甲硫氨酸胺基肽酶(methionine aminopeptidase-2,MetAP-2)抑制劑的原型。MetAP-2是一種位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的酶[8],它的作用是移除新合成的蛋白質(zhì)N端的甲硫氨酸,從而讓蛋白質(zhì)可以進(jìn)行后續(xù)修飾,這是蛋白質(zhì)保持穩(wěn)定性、活性和進(jìn)行正確的細(xì)胞定位所需的。起初,煙曲霉素應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、人體和獸醫(yī)中抗微生物活性的研究中[4]。1990年,研究發(fā)現(xiàn)了其具有抑制血管生成的特性[6]。煙曲霉素可共價結(jié)合和修飾MetAP-2的活性位點,而不抑制MetAP-1[9],主要用于治療蜜蜂和魚類的微孢子蟲病,同時在治療癌癥、減肥等方面具有一定的作用[9,10]。
圖1 煙曲霉素的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fumagillin.
1.2.1Fumagillin B Fumagillin B是由煙曲霉素與二環(huán)己基胺(DCH)以1∶1合成的胺鹽(圖2)。在獸醫(yī)學(xué)中,它主要用于治療蜜蜂和魚的微孢子蟲病等,在臨床醫(yī)學(xué)中用于治療由艾滋病(AIDS)和其他免疫缺陷引發(fā)的腸內(nèi)阿米巴病、微孢子蟲角膜結(jié)炎和腸道微孢子蟲病[11]。
圖2 Fumagillin B的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Fumagillin B.
1.2.2TNP-470 TNP-470(或AGM-1470)是Ingber等[6]將煙曲霉素堿性水解后得到的一種煙曲霉素醇類(圖3)。TNP-470的不穩(wěn)定性和毒性可能是由于化學(xué)結(jié)構(gòu)上存在3個不穩(wěn)定的官能團而導(dǎo)致的代謝不穩(wěn)定[12]。這種化合物的半抑制濃度為10 pg/mL,可以對內(nèi)皮細(xì)胞增殖產(chǎn)生抑制作用,其活性比母體煙曲霉素高出50倍。TNP-470僅在相當(dāng)高濃度下(1 μg/mL)才可觀察到細(xì)胞毒性。盡管TNP-470具有強效的抑制血管生成作用,且在體內(nèi)僅有較少的毒副作用,但其對內(nèi)皮細(xì)胞的作用機制尚不明確。
圖3 TNP-470的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of TNP-470.
1.2.3CKD-732 CKD-732(圖4)是煙曲霉素的一種新的衍生物,該化合物在腫瘤治療中具有抗血管生成的活性[13]。與TNP-470相比,它對MetAP-2具有更高的親和力,并且具有更好的抑制腫瘤生長的功效[14],同時,對減肥以及心血管、中樞神經(jīng)和呼吸系統(tǒng)等方面的疾病也有一定的作用[13]。
圖4 CKD-732的結(jié)構(gòu)式Fig.4 Structure of CKD-732.
Woyke[15]和Webster[16]在防治由蜜蜂孢子蟲引起的蜜蜂孢子蟲病的過程中,發(fā)現(xiàn)煙曲霉素在10~50 mg/群的使用濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出有效的治療效果。該劑量范圍內(nèi)的煙曲霉素不僅不會對蜂群造成負(fù)面影響,還可增強越冬蜂的群勢、提高蜂蜜產(chǎn)量。當(dāng)煙曲霉素的濃度過低時,其對N.apis的感染僅起到短暫的抑制作用[17];而當(dāng)濃度過高時,又易導(dǎo)致蜜蜂的死亡[18]。Higes等[19]以120 mg/群的劑量對感染東方蜜蜂微孢子蟲(Nosemaceranae)的蜂群進(jìn)行為期4周的治療,發(fā)現(xiàn)煙曲霉素不僅能夠在長達(dá)1年的時間內(nèi)有效控制N.ceranae的感染水平,同時能明顯改善患病蜂群的群勢。
微孢子蟲是引發(fā)海水養(yǎng)殖鮭魚嚴(yán)重鰓病的病原體。Kent等[20]對Fumagillin B控制微孢子蟲(Lomasalmonae)感染的功效進(jìn)行了研究。鮭魚在海水池中感染了L.salmonae,初次感染1周后,給兩缸魚(12條/缸)飼喂藥物Fumagillin B,10 mg/(kg·d),共30 d;其他2缸感染L.salmonae的魚缸作為未處理對照。處理44 d后,檢測顯示,22條存活的煙曲霉素喂養(yǎng)的魚均無感染跡象,而未用煙曲霉素喂養(yǎng)的21條存活的魚中有13條被感染。研究初步表明,F(xiàn)umagillin B可能是控制L.salmonae感染的有效治療劑。
Lijnen等[7]用飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠模型研究了煙曲霉素抗肥胖的效果。給高脂肪飲食(HFD)的11周齡雄性C57BI/6小鼠(組1)以1 mg/kg·d的煙曲霉素劑量喂食4周,和自由進(jìn)食的11周齡雄性C57BI/6小鼠(組2)進(jìn)行比較。試驗結(jié)束后,研究發(fā)現(xiàn)飼喂煙曲霉素(組1)的小鼠與對照組(組2)的小鼠相比,體重以及皮下和性腺脂肪質(zhì)量均顯著降低,且脂肪組織中的脂肪細(xì)胞較小,而脂肪細(xì)胞密度較高,并且脂肪細(xì)胞周圍的血管密度較低。在和對照組相同的體重和脂肪量的小鼠中,短期給予煙曲霉素也出現(xiàn)了脂肪細(xì)胞肥大的現(xiàn)象,但不影響血管大小或密度。因此,用煙曲霉素飼喂可以降低肥胖小鼠體重,可能與脂肪細(xì)胞中血糖水平的降低相關(guān),但對脂肪組織的血管生成沒有影響。
TNP-470可選擇性地抑制內(nèi)皮細(xì)胞生長和血管生成[21]。TNP-470的血管抑制機制涉及內(nèi)皮細(xì)胞中MetAP-2的抑制,從而防止細(xì)胞增殖[9,22]。Br?kenhielm等[23]評估了TNP-470對飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠的抗肥胖功效。TNP-470可能是通過減少小鼠脂肪組織中血管的生成來抑制肥胖的。服用TNP-470導(dǎo)致血清中低密度脂蛋白膽固醇的水平降低,此外,胰島素水平降低和胰島素敏感性增加表明TNP-470可以控制Ⅱ型糖尿病的發(fā)展[23]。
Kim等[24]在不同劑量下利用各種動物模型對CKD-732的抗肥胖功效進(jìn)行了評價研究。在皮下連續(xù)7 d注射CKD-732后,所有動物的食物攝入量和體重都下降了,在更大程度上減少了肥胖模型。用CKD-732處理的小鼠核心體溫高于對照組小鼠,這表明小鼠經(jīng)CKD-732處理后能量消耗增加。用CKD-732處理的 II型糖尿病(otsuka long-evans tokushima fatty,OLETF)和同種系非糖尿病(long-evans tokushima otsuka,LETO)大鼠中,區(qū)域脂肪重量(特別是附睪和腸系膜脂肪墊和脂肪細(xì)胞的重量)顯著減少。為了評價其中樞性厭食作用,在下丘腦弓狀核(hypothalamic arcuate nucleus,ARC)損傷的小鼠和ob/ob小鼠的腦室內(nèi)注射CKD-732。雖然在正常同窩幼仔中沒有發(fā)現(xiàn)食欲減退的現(xiàn)象,但是24 h后的體重以及4 h、24 h的食物攝入量顯著降低。
Sheen等[25]研究發(fā)現(xiàn)了煙曲霉素對治療大鼠肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)具有一定的作用及其可能機制。將成年雄性LEW/SsN大鼠分為3組,每組25只。A組為對照組,B組和C組分別給予二乙基亞硝胺5 mg/(kg·d)。此外,向C組大鼠腹膜內(nèi)注射煙曲霉素30 mg/(kg·d)。每組在第6周、第12周、第18周、第20周和第24周分別處死5只,以評價HCC的發(fā)展和轉(zhuǎn)移。在第24周時,比較A組、B組和C組大鼠肝組織中的MetAP-2 mRNA、凋亡抑制蛋白Bcl-2 mRNA、端粒酶mRNA和端粒酶的活性。結(jié)果表明A組無HCC存在,但第18周時,B組和C組大鼠中存在腫瘤。在第20周和第24周時,B組肝臟平均重量為0.64 g和0.79 g,C組為0.37 g和0.39 g,C組大鼠肝臟平均重量明顯低于B組。此外,MetAP-2 mRNA水平為C組>B組>A組;Bcl-2 mRNA水平為C組>B組>A組;端粒酶mRNA水平為C組和A組都低于B組。煙曲霉素在大鼠體內(nèi)可有效抑制肝腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移,可能是由于煙曲霉素抑制了MetAP-2,而MetAP-2在內(nèi)皮細(xì)胞增殖中起重要作用。MetAP-2的抑制也導(dǎo)致了Bcl-2和端粒酶活性的抑制。
TNP-470是常規(guī)抗癌治療中抑制血管生成分子,且可非常有效的抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖。Yanase等[27]和Yamaoka等[28]報道了TNP-470對嚙齒類動物腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移具有抑制作用。TNP-470對腺癌具有較強的誘導(dǎo)活性,但在臨床表現(xiàn)上,由于其具有神經(jīng)毒性,在Ⅱ期試驗時停止發(fā)展[29]。目前使用TNP-470的臨床試驗對象包括宮頸癌、兒科實體瘤、淋巴瘤、急性白血病和艾滋病相關(guān)的卡波西氏肉瘤(Kaposi’s sarcoma)的患者[29]。使用TNP-470、內(nèi)皮抑制素和其他血管生成抑制劑可能是一種避免癌癥治療中的耐藥性的可行方法。
研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)全身給藥時,TNP-470抑制小鼠體內(nèi)實體瘤的生長,這些腫瘤包括Lewis肺癌、B16黑素瘤細(xì)胞、M5076網(wǎng)織細(xì)胞肉瘤、MethA纖維肉瘤、結(jié)腸-26癌荷瘤及Engelbreth-Holm Swarm肉瘤等[6]。AGM-1470可特異性地抑制內(nèi)皮細(xì)胞和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cell,HUVEC)的增殖[30]。并且,AGM-1470與靶向腫瘤細(xì)胞順式二氨二氯合鉑(CDDP)試劑具有聯(lián)合作用效果,當(dāng)在AGM-1470治療期結(jié)束時給予CDDP,可增加抗轉(zhuǎn)移作用;當(dāng)停止使用AGM-1470后,HUVEC立即恢復(fù)活性[31,32]。研究表明,TNP-470和絲裂霉素C(Mitomycin C,MMC,代表性抗腫瘤劑)對異種移植的人結(jié)腸癌TK-4的抗腫瘤和抗轉(zhuǎn)移作用[33]。Wang等[34]研究了TNP-470對肝星狀細(xì)胞(hepatic stellate cell,HSC)的抑制作用,其可能用作抗纖維化藥。在大鼠體內(nèi)研究四氯化碳(CCl4)和二甲基亞硝胺誘導(dǎo)肝纖維化的大鼠模型,在兩種模型中,按每千克體重注射了30 mg TNP-470之后,纖維化面積顯著降低。
Chun等[14]報道了4種高效的甲硫氨酸氨肽酶2(MetAP-2)抑制劑:IDR-803、IDR-804、IDR-805和CKD-732對血管生成和腫瘤生長的抑制作用。這些抑制劑在2.5 nmol/L的濃度時能夠抑制HUVEC的生長,使其生長率降低50%以上,并阻止有絲分裂G1期的生長,還可觀察到p21WAF1/Cip1蛋白在細(xì)胞內(nèi)積累。此外,4種MetAP-2抑制劑在較高濃度(25 nmol/L)時,可明顯誘導(dǎo)相同的HUVEC培養(yǎng)物凋亡。使用SNU-398肝癌細(xì)胞系檢測這些抑制劑可能的抗癌作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與未處理的對照組相比,用這些抑制劑進(jìn)行預(yù)處理能夠使凋亡細(xì)胞的數(shù)目增加60%以上。此外,利用體內(nèi)異種移植的鼠模型,這些抑制劑可抑制腫瘤的生長??傊?,這4種抑制性化合物可有效地發(fā)揮抗血管生成作用來抑制體內(nèi)癌癥細(xì)胞的生長,并且可以用于治療多種癌癥。
Shin等[35]利用伊立替康(irinotecan)作為化療藥物在9名轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌患者中進(jìn)行了I期臨床試驗,以評估CKD-732與卡培他濱(capecitabine)和奧沙利鉑(oxaliplatin,XELOX)的安全性、耐受性和藥代動力學(xué)。使用劑量遞增方案,每周施CKD-732兩次,以2 mg/m2·d、5 mg/m2·d、10 mg/m2·d劑量持續(xù)2周,其后1周暫停施用。用藥療程共3周,第1天給藥奧沙利鉑(Oxaliplatin)130 mg/m2,然后口服卡培他濱(capecitabine,用量1 000 mg/m2,2次/d)14 d。在給予10 mg/m2·d劑量的組中,2名患者經(jīng)歷劑量限制毒性(一名患有3級惡心、失眠和疲勞;另一名患者具有3級失眠)。最大耐受劑量為10 mg/m2·d,并且CKD-732與XELOX組合的臨床推薦劑量為5 mg/m2·d。CKD-732對卡培他濱和奧沙利鉑衍生鉑的藥代動力學(xué)沒有顯著影響。CKD-732 II期推薦劑量測定為5 mg/m2·d,并且該劑量與常規(guī)劑量的卡培他濱和奧沙利鉑在患者群體可以安全地組合。而在更大的人群中,可進(jìn)一步研究CKD-732與XELOX和其他化療結(jié)合的效果。
Zbidah等[36]研究了煙曲霉素對紅細(xì)胞死亡的刺激作用,發(fā)現(xiàn)煙曲霉素誘導(dǎo)細(xì)胞死亡或凋亡至少部分是有效的。類似于有核細(xì)胞的凋亡,紅細(xì)胞也會有自我凋亡過程,特點是細(xì)胞收縮、細(xì)胞膜紊亂、膜上的磷脂層外露。誘導(dǎo)紅細(xì)胞凋亡的途徑包括胞內(nèi)Ca2+的活性增強和神經(jīng)酰胺增加。研究探索了煙曲霉素(5~100 μmol/L)是否可以誘導(dǎo)紅細(xì)胞凋亡。為此,使用Fluo3熒光來估測Ca2+的活性,用特異性抗體來估測神經(jīng)酰胺量,用電子前向散射來估測細(xì)胞容量,用膜聯(lián)蛋白V的結(jié)合來估測磷脂層的β外露,用血紅蛋白釋放量來估測紅血球溶解程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),煙曲霉素處理48 h后,Ca2+的活性增強(藥物濃度10 μmol/L),神經(jīng)酰胺量增加(藥物濃度100 μmol/L),誘發(fā)了膜聯(lián)蛋白V結(jié)合(藥物濃度10 μmol/L),電子前向散射程度減弱(藥物濃度10 μmol/L)。煙曲霉素處理后,紅血球的溶解現(xiàn)象顯著增強。移除細(xì)胞外的Ca2+能夠顯著地抑制煙曲霉素(100 μmol/L)引發(fā)的膜聯(lián)蛋白V的結(jié)合效應(yīng),但不能完全消除這一影響。研究結(jié)果揭示了煙曲霉素的一種獨特效應(yīng),即誘導(dǎo)紅細(xì)胞凋亡,伴隨著Ca2+的進(jìn)入、神經(jīng)酰胺的形成、磷脂層的暴露和細(xì)胞體積的減小。
Didier等[32]的研究表明了TNP-470可在體外抑制腸球菌(Encephalitozoonintestinalis)和角膜炎菌(Vittaformacorneae)的繁殖,顯示出其抑制微孢子蟲的廣譜功效。而Coyle等[2]已經(jīng)證明,TNP-470在體外和體內(nèi)都具有高度的活性,具有抑制腦炎蟲(E.cuniculi和E.hellem)繁殖的作用。另外,TNP-470被發(fā)現(xiàn)可抑制鮭魚中N.salmonis和L.salmonae的繁殖[37]。Chen等[38]報道過煙曲霉素與TNP-470能夠抑制惡性瘧原蟲(Plasmodiumfalciparum)和杜氏利什曼蟲(Leishmaniadonavani)在體外的生長,并觀察到它們的功效是源于對MetAP-2酶的抑制。煙曲霉素以及TNP-470能夠選擇性地抑制MetAP-2酶的活性,這是通過與酶活性位點上的組氨酸231(His231)不可逆地、共價地結(jié)合而實現(xiàn)的。它們具有廣譜的抗蟲性,能夠抗瘧原蟲、錐蟲。更重要的是,煙曲霉素及TNP-470在體內(nèi)顯示了對小鼠瘧原蟲(P.berghei)的抗性,這也證實了煙曲霉素和TNP-470的抗寄生蟲功效。
Kim等[13]研究CKD-732對心血管、中樞神經(jīng)、呼吸系統(tǒng)和其他器官系統(tǒng)的影響。以10 mg/kg、30 mg/kg、40 mg/kg和50 mg/kg的劑量靜脈注射,最高劑量(50 mg/kg)延長了己糖胺誘導(dǎo)的休眠時間。CKD-732(50 mg/kg)也可使體溫在15~120 min內(nèi)降低,240 min后恢復(fù)。在研究CKD-732對胃酸分泌的作用中發(fā)現(xiàn),CKD-732可誘導(dǎo)pH的增加和總酸度的降低。然而,CKD-732除了大鼠心臟、呼吸、平滑肌、腸道運輸和腎臟功能外,CKD-732對一般行為、自發(fā)性運動、運動協(xié)調(diào)、鎮(zhèn)痛、抽搐、平均動脈壓和心臟功能沒有影響。基于以上結(jié)果,CKD-732在臨床劑量1.75 mg/kg下具有藥理學(xué)安全性。
煙曲霉素主要是通過從煙曲霉菌中分離提純得到天然產(chǎn)物,可以優(yōu)化分離提純的過程,縮短生產(chǎn)周期,從而解決我國在煙曲霉素合成及應(yīng)用方面的欠缺,使煙曲霉素國產(chǎn)化。
煙曲霉素及其衍生物的活性部分的主要是三元氧環(huán)部分,對其的開發(fā)可以保留煙曲霉素的活性部位,從而合成多種煙曲霉素衍生物,防止生物體產(chǎn)生抗藥性,以及減少對生物體產(chǎn)生的毒副作用。應(yīng)該注意煙曲霉素及其衍生物的使用劑量,低劑量條件下達(dá)不到治療效果,而高劑量情況下又可能產(chǎn)生副作用。
煙曲霉素以及衍生物能夠選擇性地抑制MetAP-2酶的活性,這是通過與酶活性位點上的組氨酸231(His231)不可逆地、共價地結(jié)合而實現(xiàn)的,可以抑制新細(xì)胞的生成,達(dá)到控制微孢子蟲病、治療癌癥和減肥等功效。但是其研究大多處于實驗階段,尚未應(yīng)用到臨床實踐中,因此需要加快其研究進(jìn)程,解決長期困擾的癌癥難題,以及微孢子蟲病的蔓延情況。
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ProgressontheBioactivityofFumagillinanditsDerivatives
CHANG Baiyang1,2, WANG Jianming2, WANG Min1*, WANG Tongtong1*
1.KeyLaboratoryofAgro-foodSafetyandQuality,MinistryofAgriculture,InstituteofQualityStandardandTestingTechnologyforAgro-products,ChinaAcademyofAgricultureSciences,Beijing100081,China; 2.CollegeofFoodEngineeringandBiotechnology,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300457,China
Fumagillin is a kind of antibiotic isolated from the extracting solution ofAspergillusfumigatuswith a variety of biological activities. As it exhibits many bioactivities, many derivatives have been synthesized and used in multiple areas. This paper introduced fumagillin and its three derivatives, such as Fumagillin B, TNP-470 and CKD-732, including their molecular structures and bioactivities. We also summarized the effects of fumagillin and its derivatives in the treatment of bee and fish microsporidiosis, as well as in the treatment of cancer, obesity, and so on.
fumagillin; derivatives; bioactivity
2017-04-24;接受日期2017-05-23
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項目資助。
常白楊,碩士研究生,研究方向為食品工程。E-mail: changbaiyang15@163.com。*通信作者:王 敏,研究員, 主要從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全科研及管理工作。E-mail:wangmincaas@126.com;王彤彤,助理研究員,博士,研究方向為有機合成。E-mail:wangttong123@126.com
10.19586/j.2095-2341.2017.0028