新型小分子天然产物凝胶的发现与形成及其药物传输应用

发布时间：2020-05-10 22:36

【摘要】：天然产物是指生物经过次级代谢而产生的天然化合物。因其优异的药理活性及良好的生物相容性,天然产物已经作为功能活性成分被广泛应用于药物,食品以及化妆品等领域。然而,目前对天然产物的自组装功能研究及其作为材料的开发却是相对少的。在对药食同源的中药茯苓(Poria cocos)进行化学成分研究时我们观察到了一系列反常的实验现象,即“果冻状”物质。通过深入的研究该现象被证实正是由具有自组装能力的小分子天然产物(即天然产物凝胶质,NPGs)引起的。而此类天然产物能与溶剂通过自组装形成一种软物质——天然产物凝胶(NPG)。本文以此类从有机体(中药)中发现的小分子自组装天然产物为研究对象,开展了以天然产物化学为基础,超分子化学与材料化学为交叉的科学研究。该研究对于开发天然产物的新功能及应用而言是一次富有意义的探索。本论文主要开展的工作包括了新型天然产物凝胶的发现、形成及其在药物传输领域中的应用:首先,通过有目的去重现“果冻状”物质这一现象,两种凝胶性质的茯苓粗提物组分被确定。采用多种柱色谱技术,在凝胶活性指导下,两种凝胶性质的粗提物组分被进一步跟踪分离,并获得了2个责任化合物。通过UV,MS,IR以及NMR技术手段的联用,化合物1和2的结构分别被确定为茯苓新酸A(1,poricoic acid A)和松苓新酸(2,dehydrotrametenolic acid)。基于凝胶判定依据及分类依据,通过对凝胶的宏观状态观察,流变学性质测试以及凝胶质分子种类、大小及交联方式的比较,“果冻状”物质最终被确定为一种物理交联的天然小分子凝胶,即天然产物凝胶(NPG)。受茯苓中发现新NPGs的启发,一种获得NPGs的方法被提出:即从有机体(中药)中筛选出具有凝胶能力的粗提物并对该粗提物进行跟踪分离来获得新NPGs。市售且易购得的63种有机体(中药)被选择用来验证上述方法的可行性。结果显示63种粗提物中的16种粗提物具有凝胶能力。对其中5种代表性的粗提物进行跟踪分离最终又获得了4个新的NPGs(化合物3-6),分别是从Taraxacum mongolicum中获得的羽扇豆醇(3,lupeol),从Dioscorea nipponica中获得的薯蓣皂苷元(4,diosgenin),从Pleurotus ostreatus中获得的麦角甾醇(5,ergosterol)以及从Gastrodia elata中获得的天麻素(6,gastrodin)。上述NPGs 1-6的发现将现有NPGs的种类从2类别2类型拓展到了3类别7类型,并为研究不同类型的NPG提供了重要物质基础。然后,基于热力学基本理论中关于液体的阐述,以液体无法流动这一全新观点,我们将溶剂作为凝胶形成的“主角”提出了凝胶形成的新见解,并解释了“为什么凝胶”,即凝胶化的过程被认为是使溶剂分子被较长时间束缚于某一有序小区域的某一位置上的过程。这一全新的见解能帮助人们从另一个角度(溶剂角度)去思考凝胶到底是什么。基于上述新见解,结合已发现的多环结构NPGs,溶剂诱导凝胶形成假说被提出。在该假说中,外部条件的改变提供能量去启动凝胶化,溶剂经由特异性的诱导作用来引导凝胶质分子的排布,凝胶质分子通过自身结构中的起始结构和约束结构发生聚集和析出从而提供束缚溶剂分子的额外束缚作用,进而形成凝胶。该假说的提出全面地描述了凝胶形成时凝胶质和溶剂各自所发挥的作用,能够帮助研究人员更好地理解NPG的形成。最后,基于天然产物的药理活性优势以及凝胶的材料属性,三萜类NPG被构建为治疗肿瘤的原位凝胶药物传输体系。通过对具有凝胶乙醇水混合溶剂能力的中药茯苓(Poria cocos)和路路通(Liquidambar formosana)粗提物进行活性跟踪分离获得了符合体内应用的NPGs 1(poricoic acid A),14(dehydrotumulosic acid)和15(liquidambaric acid)。对1/NPG,14/NPG,15/NPG凝胶性能的表征显示三种NPG均能形成稳定且由三维网络纤维结构组成的凝胶。应用2D-NMR-NOESY、UV、IR和1D-~1H-NMR对NPG形成的相互作用研究揭示了NPG的形成不仅受到了NPGs自身的分子间相互作用,还受到了溶剂与NPGs之间的相互作用影响。通过考察自修复性、可注射性、抗炎活性以及体内致炎性,最终确定了具有优异物理性质、抗炎活性最强以及植入安全的15/NPG为后续的药物载体。盐酸多柔比星(DOX)作为模型药物通过掺入法被成功装载到15/NPG中(DOX-15/NPG)。体内外药物释放以及体外抗肿瘤活性研究表明,DOX-15/NPG具有优异的缓释效果以及强于游离药物3-20倍的抗肿瘤活性。利用荷4T1肿瘤的BALB/c小鼠动物模型研究了DOX-15/NPG对肿瘤的治疗效果。结果显示在所有治疗组中,DOX-15/NPG(i.t.)组对肿瘤的抑制效果是最好的(抑制率可达到97.6%)。并且DOX-15/NPG的治疗还能使荷瘤小鼠遭受的毒副反应最小、免疫功能更健全、机体健康状况更好、恢复功能更强以及具有更长的生存期。优异治疗效果的NPG药物传输体系的成功构建,为开发天然产物的新功能及新应用提供了一条可探索的道路。
【图文】：

茯苓,实验现象,化学成分,凝胶

图 1-1 研究茯苓化学成分时出现的反常实验现象Fig. 1-1 Abnormal experimental phenomena appearing in the study of Poria cocoschemical compositiona) “果冻状”物质；b) 干燥后的茯苓粗提物a) "Jelly-like" substance; b) Poria cocos crude extract after drying当观察到该现象时，我们首先联想到了“凝胶”。如日常生活中可食用冻、皮冻；护肤用的胶原蛋白、芦荟凝胶面膜；科学研究中使用的琼脂胶、明胶、SDS-聚丙烯酰胺凝胶以及柱层析实验时常用的硅胶、葡聚糖等。然而，依据已有的经验，上述的这些凝胶它们全部是由大分子化合包括天然的和合成的）形成的。而我们在研究茯苓中的化学成分时所研部位为有机溶剂氯仿提取部位，因此，这排除了是由大分子化合物造成现象的原因。随后，我们通过文献调研以及查阅书籍发现：在凝胶领域，还存在一小分子化合物形成的凝胶，即小分子凝胶（凝胶的分类见图 1-2）[35-37]小分子凝胶而言，该类型凝胶是上世纪 80 年代末才被研究人员偶然发

凝胶,白桦脂酸,果冻,有机合成

图 1-2 凝胶的分类Fig. 1-2 Classification of gels在目前已研究报道的小分子凝胶中，几乎全部都是由合成小分子化合建的[26, 35, 36, 40, 42-44]。应用天然化合物构建小分子凝胶的研究少之又少。在这仅有的报道中，与天然小分子化合物（天然产物）形成凝胶有关研是由分析研究人员 ACREE 和有机合成研究人员 Bag 分别于 1977 年和 20报道的。在他们的工作中，分析研究人员 ACREE 在研究胆固醇的溶解发现了胆固醇能够凝胶异丙醇，，并将该工作发表至了《nature》上。但是发现并没有引起足够的重视。在过去的 40 年间，该工作到仅得到 5 次的。而有机合成人员 Bag 在利用白桦脂酸作为合成小分子凝胶的构筑单元现，白桦脂酸在不需要修饰的情况下就直接能形成小分子凝胶了，由此了首个三萜类天然小分子凝胶的面目。然而，在天然产物领域，对于“果冻状”物质这一反常实验现象的研是未见有报道的。那么，在研究中药茯苓的化学成分时我们所发现的这果冻状”物质是凝胶吗？如果是，它们是否就是天然小分子凝胶呢？
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R943;TQ427.26

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