独家原创|食欲抑制剂孕甾皂苷 P57 和果同尼皂苷 F 的研究进展

博士，特聘研究员，博士生导师，在糖化学领域已经有超过十年的研究经历，主要从事以药物研发为导向的活性糖类化合物的合成、构效关系、靶点探索以及相关的化学生物学和方法学研究。2005 年毕业于武汉大学化学与分子科学学院，获得化学和生物科学双学位。同年进入中国科学院上海有机化学研究所，在俞飚研究员的指导下进行活性甾醇和皂甙的合成研究，于 2010 年获得博士学位，并获得 2010年 Eli Lilly Asia Outstanding Graduate Thesis Award 一等奖。之后赴美国约翰霍普金斯大学医学院刘钧教授课题组进行博士后工作，主要从事 rapafucin 化合物库的构建和相关的化学生物学研究。2012 年年底回到上海有机所担任副研究员，2018 年 5 月以特聘研究员职位被引进到中国药科大学。迄今已在 Chemical SocietyReviews、Angew Chem Int Ed 和 J Am Chem Soc 等国际重要科学期刊上发表论文多篇。

李国龙，李微 * 

（中国药科大学药学院药物化学系，江苏 南京 211198）

[摘要]P57 和果同尼皂苷 F 是从南非火地亚仙人掌中分离得到的孕甾皂苷类化合物，具有抑制食欲的活性。主要针对 P57 和果同尼皂苷 F 的化学合成、生物活性和作用机制研究进行综述，旨在为相关的健康产品和药物研发提供参考。

肥胖是威胁人类健康的危险因素之一，可引起糖尿病、心血管疾病及血脂异常等多种严重的疾病。进入 21 世纪以来，随着世界上超重和肥胖人口比例的不断攀升，肥胖的预防、控制和治疗已经成为各国医疗健康的研究重点。除了通过日常饮食控制和加强运动外，口服食欲抑制剂等减肥产品或药物也是控制体质量的有效途径。火地亚（Hoodiagordonii）是一类生长在非洲南部沙漠地区的仙人掌类植物，作为一种天然的食欲抑制剂被当地土著在漫长的狩猎过程中食用已有上千年历史，其功效和安全性都有所保障。实际上，火地亚提取物曾是风靡西方国家的减肥药，被认为能够用于治疗超重、肥胖等相关疾病。然而火地亚的产量不足与成分过于复杂等因素，限制了相关产品开发的后续进展。研究表明，孕甾烷型皂苷是火地亚提取物的主要成分，而其中的孕甾皂苷 P57（1）则被认为是抑制食欲的有效成份，作为候选药物被研究多年。2014 年，Zhang 等报道指出，从火地亚中分离得到的果同尼皂苷（gordonoside）F（2）也是食欲抑制的活性成分。果同尼皂苷 F 与 P57 结构类似，具有相同的苷元 hoodigogenin A（3）和相似的磁麻糖（cymarose）糖链，区别仅在于磁麻糖个数和末端糖基的不同。但令人感到意外的是，果同尼皂苷 F作用的靶蛋白却与 P57 不同，提示火地亚食欲抑制活性存在着多种不同的机制。由于火地亚中的皂苷种类繁多，且在植物体内含量过低，依靠天然提取来进行分离纯化十分困难。为了明确火地亚仙人掌中皂苷类食欲抑制成分，以求得到相应的药物先导化合物，人们对 P57 和果同尼皂苷 F 进行了相关的化学合成，以及开展了生物活性和作用机制方面的研究。本文就上述研究进展进行综述。

1 P57 的合成研究 

1.1 Van Heerden 等利用氟代糖给体合成 P57

P57 的苷元 hoodigogenin A 具有少见的 C/D 环顺式结构，在 12 位和 14 位都连有 β-OH，且 12-OH被惕格酰基所衍生化；而其糖链由 2 个酸敏感的高脱氧糖磁麻糖（cymarose）与 1 个黄夹竹桃糖（thevetose）通过非热力学稳定的 β-(1 → 4)-糖苷键连接而成，合成有很大难度。类似的糖链结构在多种天然药物或活性化合物中都能找到，例如地高辛、洋地黄毒苷和杠柳苷 periploside A 等。

1998 年，Van Heerden 等在一篇专利上报道了 P57 的合成研究（见图 1）。他们首先通过微生物发酵的方法，利用链霉菌 Alonectria decora（ATCC14767）在黄体酮（4）上引入 12β-OH 和 15α-OH，得到关键中间体双羟基黄体酮（5）。在经 2 步反应消除 15-OH 而得到 Δ14, 15 -黄体酮（6）后，他们利用乙酰氯和乙酸酐反应体系，成功地将 3 位酮羰基烯醇化，从而构建出 5、6 位双键，随后用乙二醇保护所得双乙酰化底物的 20 位酮羰基，以 53% 的产率得到甾体 7。接下来，使用硼氢化钠还原甾体7 上的 3 位烯酯成醇，再与对甲苯磺酰氯反应得到甾体 8。以甾体 8 为底物，利用乙酸钾试剂构建了三元环保护结构，接着利用四氢铝锂脱去乙酰基，得到二醇甾体 9。随后，使用 N-溴代乙酰胺和吡啶将 14、15 位的双键氧化成 β 构型的环氧，然后经四氢铝锂区域选择性开环，以达到在 14 位引入 β-OH的目的。然而，在接下来用盐酸脱除 20 位缩酮保护基的时候，Van Heerden 等发现 17 位乙酰基的构型发生了异构化，只能以约 15% 的产率得到目标产物10。尽管甾体 10 的 14-OH 和 12-OH 的大位阻使得选择性对 3-OH 进行糖苷化成为可能，然而 VanHeerden 等利用氟代糖给体 11 与甾体 10 进行氯化亚锡催化的糖苷化时，却只能以 15% 的产率得到所需的糖苷 12。再经过苷元 12-OH 的惕格酰化和磁麻糖 4-O-苯甲酰基的脱除得到化合物 13 后，他们将其与二糖给体 14 进行糖苷化，后续脱除保护基得到 P57。这些后期步骤的具体实验条件和相应的产率在专利中并未被明确报道。

1.2 Miesch 课题组合成苷元hoodigogenin 

2011 年，Miesch 课题组的 Geoffroy 等以孕甾烷衍生物 15 为原料，经 11 步以 0.04% 的收率得到了 P57 的苷元（见图 2）。首先，选择性脱去甾体15 的 3 位乙酰基，然后经氧化得到二酮 16。接下来，使用溴/乙酸条件在 4 位引入溴后，所得溴化物在氯化锂作用下可以转化成 α，β-不饱和酮 17。利用与 Van Heerden 等类似的策略，Geoffroy 等在成功地将 3 位酮羰基烯醇化以构建出 5、6 位双键后，选择用乙二醇保护所得双乙酰底物的 20 位酮羰基，从而得到甾体 18。接着他们先利用硼氢化钠还原得到 3αOH，然后再用氢氧化钾水解 12 位乙酰基得到甾体二醇 19。利用 3β-OH 与 12α-OH 的位阻差异，Geoffroy等首先成功地用乙酰基选择性地保护了 3β-OH，然后用戴斯-马丁试剂将裸露的 12α-OH 氧化成羰基。以所得到的甾体 20 为底物，课题组借助 Norrish TypeI-Prins 反应在 14 位引入 β-OH 而得到甾体 21，遗憾的是此关键步骤副产物较多，产率只有 25%。最后在 12 位引入惕格酰基并用较为温和的碳酸钾脱除 3位乙酰基后，即可得到苷元 hoodigogenin A。

1.3 俞飚课题组基于金催化的糖苷化策略合成 P57 

2012 年，俞飚课题组的 Zhang 等利用金催化的糖基邻己炔基苯甲酸酯给体糖苷化方法完成了P57 的化学合成。常规的糖苷化反应多使用强酸性催化剂，并且伴随着亲核性副产物生成，导致反应效率不高，底物耐受性不好。而以一价金复合物为催化剂的糖苷化反应具有条件中性温和、无亲核物种、产率高、实用性广等优点。按照图 3 所示的逆合成分析，鉴于 P57 的糖苷键构建的难度，该课题组将 P57 逆向断裂成糖苷 22 和二糖邻己炔基苯甲酸酯给体 23。其中糖苷 22 可进一步逆向断裂成苷元 3 和单糖邻己炔基苯甲酸酯给体 24，给体22和23都可以从商业易得的原料葡萄糖转化而得，而苷元 3 则可以由洋地黄毒苷（25）获得。现就上述工作进行详细介绍。 

1.3.1 苷元 hoodigogenin A 的合成 从 Van Heerden和 Geoffroy 等的工作中可以发现，对苷元 14β-OH的引入存在着步骤过长或者产率不佳等缺点，因此Zhang 等选择具有 12α，14β-OH 结构的洋地黄毒苷（25）为原料来进行苷元 hoodigogenin A 的合成。如图 4 所示，他们依次通过选择性乙酰化、糖链酸解和叔丁基二苯基硅基（TBDPS）保护反应得到甾体 26，随后用臭氧裂解和锌粉/乙酸还原得到所期望的甲基酮 27。在完成 20 位羰基的保护和 3 位羟基的去保护以及氧化后，课题组利用双（三甲基硅基）胺基锂/三甲基氯硅烷/三乙胺条件，将底物28 的 3 位羰基烯醇化，然后通过乙酸钯氧化成功地以 2 步 79% 的产率完成了 4、5 位双键的引入。所得产物 29 可以在叔丁醇钾存在的条件下再次发生烯醇化，促使双键迁移到需要的 5、6 位，然后再借助四氢铝锂还原烯醇，得到具有 Δ5,6-3β-OH 结构的产物 30。值得注意的是，这个过程中的烯醇中间体对氧气极为敏感，因此反应需要在无氧环境中才能顺利进行。课题组通过 3β-OH 的选择性保护、惕格酸与 12β-OH 的酯化反应得到 31，最后脱除相关保护基，合成得到了苷元 hoodigogenin A。

1.3.2 糖基邻己炔基苯甲酸酯给体的合成 糖基给体24 的合成是以 α-D-葡萄糖甲苷（32）作为原料进行的。经过多步反应得到磁麻糖甲苷（33）。随后将 4 位羟基乙酰化，然后在 80% 乙酸、加热的条件下，水解甲苷得到相应的半缩醛 34，最后与邻己炔基苯甲酸缩合成酯得到给体 24（见图 5）。

在二糖给体 23 的合成方面，Zhang 等以双丙酮-D-葡萄糖（35）作为原料。如图 6 所示，多步反应后得到半缩醛 36。随后通过相应的条件，分别制得了 Schmidt 给体（37）和邻己炔基苯甲酸酯给体（38）。然后，他们将 Schmidt 给体与 α-D磁麻糖甲苷在三氟甲磺酸三甲基硅酯（TMSOTf）催化下进行糖苷化反应，以 85% 的总产率生成二糖39。尽管此反应是在－ 40 ℃的低温下进行，却能够观察到产物 39 的异头位甲氧基有显著的异构化现象，所得到的 β-构型比 α-构型更多。而将邻己炔基苯甲酸酯给体 38 应用于此糖苷化时，在室温下用三苯基膦金（Ⅰ）三氟甲磺酸盐（Ph3PAuOTf）进行催化，产物 39 也同样发生了异构化。但是此条件更为温和，所以导致的异构化程度明显小于 Schmidt给体，所得到的 α-构型比 β-构型更多，产率也有一定提升。接下来，课题组将苯甲酰基替换为乙酰基，以确保在合成的最后能选择性脱除而不影响 12 位的惕格酸酯。随后水解甲苷 40，并与邻己炔基苯甲酸反应得到相应的二糖给体 23（见图 7）。

1.3.3 通过金催化糖苷化合成 P57 由于磁麻糖缺失 2位羟基，因此无法利用经典的邻基参与来控制 P57分子中糖苷键的 β-构型。以邻己炔基苯甲酸酯为给体的金催化糖苷化，由于在反应过程中存在一种相对稳定的 α-构型中间体 41（见图 8），因此有可能通过类 SN2 反应接受受体的进攻而表现出 β-选择性。如图 9 所示，Zhang 等以 Ph3PAuOTf 为催化剂，二氯甲烷为溶剂，发现在室温下 hoodigogenin A 与邻己炔基苯甲酸酯给体（24）的糖苷化的确表现出了良好的β-选择性，所得产物的β-构型/α-构型为3.5∶1，以 58% 的产率得到糖苷 42。随后用弱碱碳酸钠有效脱除糖苷 42 非还原端的乙酰基，所得醇 22 再与二糖给体 23 在 Ph3PAuOTf 促进下完成糖苷化。遗憾的是此处并未表现出明显的 β-选择性，所得产物的 β-构型 /α-构型为 1∶1。最后他们选择性脱除了43β 的乙酰保护基制得糖苷 P57。

1.3.4 通过三糖糖烯合成 P57 

尽管上述路线利用金催化糖苷化策略通过 20 步反应合成了 P57，但在最后的糖苷化中并没有表现出 β-选择性，在很大程度上影响了合成效率。2018 年，Liu 等报道了利用三苯基膦氢溴酸盐（TPHB）催化糖烯给体合成 P57的方法，在最后的糖苷化中表现出了令人满意的 β选择性（β-构型 /α-构型 = 6∶1）。如图 10 所示，给体 44 上的 2 个大位阻 TBDPS 能够有效屏蔽糖环的α 面，从而以高 β-选择性和高产率完成二糖 45 的制备。通过二丁基氧化锡对二糖 45 的 4'-位平伏羟基进行苄基保护，所得化合物 46 可以通过几步反应转化成磁麻二糖 47，随后在三苯基膦金双三氟甲磺酰亚胺（PPh3AuNTf2）催化下与黄夹竹桃糖邻己炔基苯甲酸酯给体 38 反应，生成三糖 48。接下来，该课题组使用温和的吡啶甲酸银试剂脱去异头位的对甲氧基酚（MP）保护基，然后通过三氟甲磺酸酐/N，N-二异丙基乙胺条件（iPrNEt）消除异头位羟基，得到三糖糖烯给体 49。在关键的糖链与苷元hoodigogenin A 的拼接上，他们使用 TPHB 在室温下反应 18 h，以 70% 的总得率和较高的立体选择性（β-构型 /α-构型 = 6∶1）完成骨架拼接。最后选择性脱除 50β 乙酰基，再次完成了 P57 的合成。

2果同尼皂苷 F 的合成研究

果同尼皂苷 F 也是从火地亚中分离出的一种四糖皂苷，与 P57 有着相同的苷元 hoodigogenin A。其糖链由一个 D-齐墩果糖和 3 个 D-磁麻糖通过β-(1 → 4)-糖苷键连接而成。2013 年，马玉勇首次报道了果同尼皂苷 F 的全合成。这一合成路线效率较高，能够以克级规模合成目标化合物，但最后的四糖片段和 hoodigogenin A 的糖苷化立体构型仍然难以控制。

2.1 三糖糖链的合成 

果同尼皂苷 F 的四糖糖链部分可通过磁麻糖三糖片段 51（见图 11）和 2- 碘代齐墩果糖给体 52（见图 12）通过糖苷化拼接而成。如图 11 所示，P57 合成路线中的中间体 45 经由原乙酸三甲酯保护和区域选择性开环，可以实现对 3 位直立羟基的选择性乙酰化。所得化合物 53 作为受体，可以顺利地与TBDPS 位阻控制的炔酸给体 44 在 Ph3PAuOTf 的催化下进行立体专一的 β-选择性糖苷化，以 95% 的高产率转变成三糖 54。随后马玉勇将 TBDPS 保护基脱除得到 55，然后经由选择性苄基保护、甲基化和苄基脱除得到三糖受体 51。

2.2 果同尼皂苷 F 的合成 

如图 12 所示，果同尼皂苷 F 末端齐墩果糖的合成首先是以三乙酰葡萄糖糖烯（56）为原料，经由8 步反应制备成糖烯 57。利用 N-碘代丁二酰亚胺/乙酸条件，马玉勇分别在糖烯的 1 位和 2 位引入乙酰氧基和碘原子，以 54% 的产率得到碘代物 58。然后选择性脱去异头位乙酰基，与三氟乙酰亚胺氯反应得到给体 52。利用碘原子的邻基参与作用，给体 51 与三糖片段 50 在叔丁基二甲硅基三氟甲磺酸酯（TBSOTf）作用下，以 97% 的高产率专一性地生成 β-构型的四糖 59。接下来再用自由基还原脱除齐墩果糖残基的 2 位碘原子，用吡啶甲酸银试剂脱除异头位的 MP 保护基，然后与邻己炔基苯甲酸进行缩合得到四糖给体 60。最终苷元 hoodigogenin A与四糖给体 60 的糖苷化，依然是在 Ph3PAuOTf 的催化下进行，以高产率生成四糖皂苷 61（β-构型：50%，α-构型：48%）。遗憾的是由于缺乏有力的 β构型导向性基团，此反应几乎没有立体选择性（β构型 /α-构型 = 1∶1）。脱除 61β 末端的乙酰基即完成了果同尼皂苷 F 的合成。

3 P57 和果同尼皂苷 F 的活性研究进展

由于火地亚中的皂苷种类繁多，在植物体内含量很低，分离纯化十分困难，所以对其减肥活性的作用机制研究大都浅尝辄止。其中 P57 由于被发现较早，其作用机制研究相对较多，但是目前依然没有统一的结论。MacLean 等对大鼠下丘脑神经元原代细胞给予 P57 后，观察到下丘脑神经元中 ATP含量升高 50%~150%。在对大鼠脑第三脑室给药后，他们发现大鼠 24 h 内食物摄入量下降 40% ~ 60%，从而推断 P57 可以增加下丘脑神经元的 ATP 含量，降低食欲，从而达到减肥的目的。Van Heerden 等对大鼠灌胃给予 P57（剂量为 6.25 ~ 50 mg · kg-1），发现与对照组相比，接受 P57 的大鼠其食物摄入量均明显减少，体质量亦减少。在与阳性药芬氟拉明（一种减肥药）对比时发现，P57 能使大鼠食欲降低从而引起体质量减少，而芬氟拉明随着大鼠食物摄入量的减少却能引起大鼠体质量的增加，表明 P57 在抑制食欲和减肥方面有着优越性。该课题组认为P57 抑制食欲可能和 MacLean 等所报道的通过增加下丘脑神经元的 ATP 含量降低食欲相关。 

Le Neve 等报道，在人胚胎肾 HEK 293 细胞中，P57 能够选择性地激活苦味受体 TAS2R7 和TAS2R14 的异源表达，导致 HEK 293 细胞内 Ca2+浓度增加，促使胆囊收缩素（CCK）分泌，继而通过迷走神经传入肠壁，产生饱腹感，从而发挥抑制食欲的作用。当将 P57 的糖基或惕格酰基脱除后，则此活性丧失。因此该课题组认为 P57 能通过激活苦味受体的表达促进 CCK 分泌，进而发挥抑制食欲的作用。Smith 等报道，对 Wistar 大鼠灌胃给予火地亚提取物（每克火地亚含有 21.3 mg 的P57），发现大鼠的体质量均明显下降，其脂肪细胞和肌纤维细胞均变小。课题组认为 P57 是通过减少脂肪和肌肉从而达到减肥效果。而 Tsoukalas 等则报道对小肠内分泌 STC-1 细胞给予 100 μmol· L-1的 P57 后，细胞胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的分泌量升高 130%。GLP-1 除了具有降糖作用之外，还可以增加饱腹感，减少食物的摄入量。因此课题组认为 P57 可通过增加 GLP-1 的分泌来增加饱腹感，从而达到减肥目的。 

GPR119 是一种与代谢密切相关的 G 蛋白偶联受体，主要在胰岛 β 细胞和胃肠道 L 细胞表达。GPR119 激动剂通过增加细胞内环磷酸腺苷（cAMP）的水平刺激葡萄糖依赖性的胰岛素和 GLP-1 的释放，降低血糖水平和保护胰岛 β 细胞活力，能够有效地改善患者体内的血糖平衡。因此 GPR119 可作为靶点用于发现具有减肥活性的药物。2014 年，Zhang 等对火地亚中的皂苷进行筛选，发现只有果同尼皂苷 F 可以特异性激活 GPR119，而其他化合物包括 P57 则不能激活 GPR119。在稳定表达GPR119 的 HEK293 细胞中，果同尼皂苷 F 能激活GPR119 介导的信号转导，表现为 cAMP 的积累、细胞内钙离子的活动、ERK 的磷酸化与受体的脱敏和内化。通过激活 GPR19，果同尼皂苷 F 能刺激胰岛素和 GLP-1 的分泌。而在 GPR119 敲除小鼠离体胰岛中，果同尼皂苷 F 则丧失了刺激胰岛素分泌的能力。在小鼠的食物摄入量实验中发现，当给小鼠灌胃给予果同尼皂苷 F 200 mg · kg-1 后，小鼠 24 h食物摄入量显著降低；而在敲除 GPR119 的小鼠中，果同尼皂苷 F 并不能降低 24 h 内食物摄入量。因此，课题组认为果同尼皂苷 F 能通过激活 GPR119 刺激GLP-1 和胰岛素的分泌，降低食欲，进而达到减肥的效果。另一方面，敲除 GPR119 会部分降低天然火地亚提取物的功效，说明 GPR119 是火地亚提取物活性的重要靶点之一。

4 结语 

尽管火地亚提取物曾是风靡西方的减肥药，但市场销售的各类火地亚提取物产品成分复杂，P57含量很低，甚至根本不含有 P57。通过化学合成 P57及其同系物虽然不失为一个好办法，但是该类化合物的复杂结构在合成上具有很大的挑战性。尽管目前已经有方法来合成得到克级的化合物，但是依然存在着路线过长、某些反应不够高效等缺点。特别是最后的糖苷化，由于底物缺失相关官能团的调控，无法利用经典的方法得到满意的 β-选择性，显著降低了整体合成路线的效率。尽管利用 TBHP 促进的三糖糖烯糖苷化可以达到不错的选择性（β-构型 /α构型 = 6∶1），但因糖烯制备效率欠佳、稳定性不高等缺点，这一方法是否能够应用于此类化合物的大规模制备还有待确认。此类高度酸敏感的脱氧糖β-选择性糖苷化，依然有待开发一些新的合成策略，例如新型离去基、添加剂、调控基团，甚至酶法合成来提升效率。 

果同尼皂苷 F 能通过激活 GPR119 来抑制小鼠食欲，而 P57 则不能激活 GPR119，表明火地亚提取物是通过多种机制来共同达到显著的食欲抑制效果，可能还存在其他的有效成分和未知的作用机制。对于这些机制的研究有希望为新型肥胖治疗药物的开发提供更为安全有效的新靶点。目前有限的构效关系数据表明，这一家族化合物的糖链，特别是末端糖基对化合物的活性和作用机制有着非常重要的影响。因此在后续的类似物合成和优化研究中，可以考虑从替换末端糖基和缩减糖链长度这 2 个方面出发，同时辅以简化苷元部分（例如对合成造成很大困扰的 4、5 位双键和 14 位羟基），进行更为系统的构效关系研究。

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