CN101235061A - 一类新的α-淀粉酶抑制剂阿卡他定系列化合物及其应用 - Google Patents

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Abstract

一类新的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂,阿卡他定系列化合物,具有如右通式(I)的结构,其中,m为0~7的整数,n为1~4的整数,q为0~3的整数。所述通式(I)所示的阿卡他定系列化合物的混合物和单体均为白色无定形粉末,易溶于水和DMSO,微溶于甲醇、乙醇和丙酮,不溶于其它有机溶剂。本发明提供的阿卡他定系列化合物分子中分别含有不同重复次数的acarviosine-葡萄糖结构单元和还原性葡萄糖末端,尤其高重复次数的化合物其化学结构与迄今已发现的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂有明显区别,因此是一类新的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂。可将其应用于制备治疗糖尿病、肥胖症等疾病的药物中。

Description

一类新的α-淀粉酶抑制剂阿卡他定系列化合物及其应用
【技术领域】
本发明涉及的是一类新的α-淀粉酶抑制剂即阿卡他定系列化合物,以及该系列化合物在治疗糖尿病等疾病的药物方面的应用。
【背景技术】
糖尿病是由胰岛素分泌不足和/或胰岛素作用受损引起的一组以高血糖为特征的代谢性疾病。其表现为血液及尿液中葡萄糖浓度异常升高,血糖、尿糖过高时可出现典型的“三多一少”症状,即多饮、多尿、多食及体重减轻,且伴有疲乏无力。糖尿病一般分为1型糖尿病、2型糖尿病和妊娠糖尿病等几种类型。2型糖尿病不仅可以引起微血管并发症,如周围神经病变、眼部病变、糖尿病肾病等,而且也可以引起严重的大血管并发症,如心肌梗死、中风、下肢血管阻塞性病变等。这些并发症危害极大,降低了人们的生活质量,给人们带来了沉重的经济负担。因此治疗糖尿病、控制糖尿病并发症的发生和发展已显得越来越重要。
流行病学的研究表明,空腹血糖水平与餐后血糖水平这两大血糖指标中,餐后血糖水平尤为重要,它是葡萄糖耐受受损(IGT)的病人发展为2型糖尿病的重要因素。而且,餐后血糖水平是引起糖尿病人大血管并发症和微血管并发症的重要因素,而这些并发症是引起糖尿病死亡率增大的一个主要原因。所以,严格控制餐后血糖对糖尿病的防治具有非常重要的意义,而能够显著降低餐后血糖水平的抗糖尿病药物具有很大的应用价值。
食物中的碳水化合物绝大部分是淀粉。与膳食一起进食后,α-淀粉酶抑制剂可与淀粉竞争而与唾液和胰液中的α-淀粉酶结合,占据酶上淀粉结合位点,使淀粉的消化受阻。未被消化的碳水化合物被运送至小肠中下段及结肠,从而碳水化合物的消化吸收发生在整段小肠中,延缓和延长了餐后单糖(葡萄糖)的吸收,餐后血糖的增高被显著减小。
迄今已发现的天然α-淀粉酶抑制剂分为多肽和拟低聚糖两大类。多肽类α-淀粉酶抑制剂广泛存在于粮食作物的种子和微生物代谢产物中,由于其在人体胃肠道易被蛋白酶水解失活而难以作为有效药物进行开发。而拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂多数为放线菌的次生代谢产物,在人体胃肠道内稳定性好,具有药用价值。阿卡波糖(acarbose)即为德国拜耳公司于二十世纪七十年代发现并成功开发上市的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂,商品名拜糖平(glucobay),目前已成为临床治疗糖尿病的一线药物。另外一些拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂也先后于二十世纪七十年代后被报道,如adiposins,trestatins,amylostatins,oligostatins,isovalertatins等。因此,开发高效的并具有自主知识产权的新型拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂具有潜在价值和广阔前景。
【发明内容】
本发明的目的即提供一类新的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂,阿卡他定系列化合物,并将其应用于治疗糖尿病、肥胖症等疾病的药物中。
本发明提供的一种新的α-淀粉酶抑制剂即阿卡他定系列化合物,具有如下通式(I)的结构:
Figure A20071005955400041
其中,m为0~7的整数,n为1~4的整数,q为0~3的整数。
在上述阿卡他定系列化合物中,优选的是其中m为0,n为1、2、3或4,q为3的化合物,它们分别被称作阿卡他定I03、II03、III03、IV03;而其中m为1或2,n为2,q为3的化合物也可作为选择,它们分别被称作阿卡他定II13和II23。
其中最优选的是m为0,n为3,q为3的化合物,如化学式(II)所示:
上述通式(I)所示的阿卡他定系列化合物的混合物和单体均为白色无定形粉末,易溶于水和DMSO,微溶于甲醇、乙醇和丙酮,不溶于其它有机溶剂。
本发明的有益效果:
本发明提供的阿卡他定系列化合物分子中分别含有不同重复次数的acarviosine-葡萄糖结构单元和还原性葡萄糖末端,尤其高重复次数的化合物其化学结构与迄今已发现的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂有明显区别,因此是一类新的拟低聚糖类α-淀粉酶抑制剂。
阿卡他定系列化合物以I03、II03、III03、IV03四个化学单体为主要组分。四个单体均强烈抑制哺乳动物来源的α-淀粉酶,包括人唾液和血液(源于胰脏)α-淀粉酶,猪胰α-淀粉酶。
阿卡他定I03、II03、III03、IV03对枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),大肠杆菌(Escherichia coli),铜绿色假单胞菌(Psedomonas aeruginosa),白假丝酵母(Candidaalbicans),黄青霉(Penicillium chrysogenum)等微生物均无抗菌活性。
阿卡他定混合物对鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)无致突变作用。
阿卡他定混合物口服后几乎不经胃肠道吸收。
阿卡他定混合物对小鼠以40g/kg体重的剂量灌胃给药,未观察到动物死亡及任何异常表现。
【附图说明】
图1是阿卡他定混合物的HPLC图;
图2是代表化合物阿卡他定III03的红外光谱图;
图3是阿卡他定I03m/z 970([M+H]+)的ESI-MS/MS质谱裂解原理图;
图4是阿卡他定II03m/z 1435([M+H]+)的ESI-MS/MS质谱裂解原理图;
图5是阿卡他定III03m/z 1900([M+H]+)的ESI-MS/MS质谱裂解原理图;
图6是阿卡他定IV03m/z 1183([M+2H]2+)的ESI-MS/MS质谱裂解原理图;
(上(a):全图;下(b):m/z 950至m/z 1200局部放大);
图7是阿卡他定III03的1H NMR谱图;
图8是阿卡他定III03的13C NMR谱图;
图9是阿卡他定III03的TOCSY NMR谱图;
图10是阿卡他定III03的HMQC NMR谱图。
实施本发明所涉及的菌株ZG0656为天蓝黄链霉菌南开变种ZG0656(Streptomycescoelicoflavus var.nankaiensis ZG0656),已于2007年6月27日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”(北京市海淀区中关村北一条13号,中国科学院微生物研究所),其保藏号为CGMCC No.2097。
【具体实施方式】
阿卡他定系列化合物的分离制备,结构分析,生物学活性以及应用实例
实施例1:阿卡他定系列化合物的分离制备
以500mL三角瓶培养发酵种子,每瓶装液体培养基100mL,其中含:燕麦片2%,硝酸钾0.1%,氯化钠0.05%,磷酸氢二钾0.05%,硫酸镁0.05%,硫酸亚铁0.001%。以NaOH调pH至7.2~7.5,121℃高压蒸汽灭菌20分钟,冷却后接种菌株ZG0656斜面孢子[即天蓝黄链霉菌南开变种ZG0656(Streptomyces coelicoflavus var.nankaiensis ZG0656),保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”(北京巿海淀区中关村北一条13号,中国科学院微生物研究所),其保藏号为CGMCC No.2097],于空气浴摇床200rpm 28℃培养48小时后作为发酵种子。在10L不锈钢机械搅拌全自动型发酵罐中投入7.5L相同组分的培养基,121℃高压蒸汽灭菌30分钟后冷却,以5%接种量接入种子,开始发酵,搅拌转速200rpm,通气量3L/min,温度28℃,共发酵50小时。
将取发酵液(约5L)超滤过滤去除了菌丝体,大部分可溶性蛋白,培养基和部分色素。再经纳滤膜进一步浓缩,并脱盐脱色,除去部分单糖,大量无机盐等小分子杂质,得到澄清浓缩液。滤液直接过装填有X-5型非极性大孔吸附树脂的玻璃色谱柱,吸附α-淀粉酶抑制剂。以大量蒸馏水冲洗后,用40%乙醇溶液洗脱,收集具有α-淀粉酶抑制反应的阳性洗脱部分。取上述洗脱液过装填有001×7型强阳离子交换吸附树脂的玻璃色谱柱吸附α-淀粉酶抑制剂,经去离子水充分冲洗后,用1M氨水溶液洗脱,收集α-淀粉酶抑制反应阳性部分,冷冻干燥后得到α-淀粉酶抑制剂粗品。再采用半制备型HPLC从上述混和物中分离得到各阿卡他定单体。色谱柱:C18(250×10mm,10μm);流动相:乙腈-1.5mM氨水(7∶93);流速:3.0mL/min;检测:紫外210nm。图1为色谱图,每一色谱峰对应一种阿卡他定单体,其中保留时间为5.9,9.2,9.7,10.9,19.2,36.0分钟的色谱峰对应的阿卡他定单体分别为I03,II23,II13,II03,III03,IV03。收集各馏分后浓缩冻干,所得固体粉末即阿卡他定单体。
实施例2:阿卡他定单体I03、II03、III03、IV03的化学结构。
阿卡他定单体I03、II03、III03、IV03的理化性质如表1所示。其中分子式和分子量以高分辨率质谱(+)ESI-FTMS分析。代表化合物III03的红外光谱见图2。
表1.阿卡他定的理化性质与分子特征
                阿卡他定I03       阿卡他定II03      阿卡他定          III03阿卡他定IV03
外观            白色粉末          白色粉末          白色粉末          白色粉末
紫外光谱        末端吸收          末端吸收          末端吸收          末端吸收
红外光谱        3385,1029cm-1    3385,1041cm-1    3416,1044cm-1    3405,1039cm-1
[α]18 D         +159°            +165°            +168°            +153°
分子式          C37H63NO28        C56H94N2O40       C75H125N3O52      C94H156N4O64
分子量          969.361           434.54            1899.74           2363.92
通式(1)中m值    0                 0                 0                 0
n值             1                 2                 3                 4
q值             3                 3                 3                 3
四个单体的ESI-MS/MS质谱分析与1H,13C,TOCSY,HMQC核磁共振谱分析证实了其化学结构。为表述方便,以下结构鉴定分析采用如下通式(III)表示阿卡他定I03、II03、III03、IV03四个单体的化学结构,其中对应的u为0、1、2、3。四个单体的ESI-MS/MS质谱裂解图见图3~6,核磁共振数据碳氢归属见表2~4,代表化合物III03的1H,13C,TOCSY,HMQC NMR图谱见图7~10。
表2阿卡他定I03的1H,13C NMR数据归属(D2O)
  δC   δH   δC   δH   δC   δH
  A1α   93.0   5.16   B1,C1,G1   ~100.7   ~5.33   H1   101.0   5.24
  A2α   72.2   3.50   B2,C2,G2   ~72.2   ~3.52   H2   70.7   3.68
  A3α   74.4   4.01   B3,C3,G3   ~74.4   ~3.86   H3   73.8   3.52
  A4α   79.3   3.56   B4,C4,G4   ~78.0   ~3.57   H4   66.0   2.40
  A5α   71.0   3.91   B5,C5,G5   ~71.9   ~3.76   H5   70.7   3.72
  A6α   61.5   ~3.69   B6,C6,G6   ~61.5   ~3.76   H6   18.4   1.27
  A1β   96.8   4.58   I1   57.1   3.46
  A2β   75.1   3.22   I2   74.0   3.60
  A3β   77.3   3.63   I3   73.8   3.66
  A4β   77.8   3.58   I4   72.2   3.96
  A5β   75.6   3.50   I5   140.1   -
  A6β   61.5   ~3.70   I6I7   62.6124.8   4.07/4.155.82
注:表中数据由TOCSY,HMQC NMR图谱支持。
表3阿卡他定II03的1H,13C NMR数据归属(D2O)
Figure A20071005955400072
Figure A20071005955400081
注:表中数据由TOCSY,HMQC NMR图谱支持
表4阿卡他定III03和IV03的1H,13C NMR数据归属(D2O)
  III03   IV03   III03   IV03
  δC   δH   δC   δH   δC   δH   δC   δH
  A1α   93.0   5.16   92.9   5.17   B1,C1,D1   ~100.9   ~5.34   ~100.9   ~5.34
  A2α   72.2   3.50   72.2   3.51   B2,C2,D2   ~72.2   ~3.54   ~72.2   ~3.54
  A3α   74.6   4.02   74.6   4.02   B3,C3,D3   ~74.4   ~3.90   ~74.4   ~3.91
  A4α   79.3   3.56   79.4   3.56   B4,C4,D4   ~77.9   ~3.57   ~77.9   ~3.58
  A5α   71.0   3.92   71.1   3.92   B5,C5,D5   ~71.8   ~3.77   ~71.8   ~3.77
  A6α   61.5   ~3.70   61.5   ~3.70   B6,C6,D6   ~61.5   ~3.77   ~61.5   ~3.77
  A1β   96.8   4.59   96.9   4.60   D’1,G1   98.5   5.31   98.5   5.32
  A2β   75.1   3.21   75.1   3.21   D’2,G2   72.2   3.54   72.2   3.54
  A3β   77.3   3.64   77.3   3.64   D’3,G3   74.4   3.87   74.4   3.88
  A4β   77.9   3.57   77.9   3.58   D’4,G4   77.9   3.57   77.9   3.58
  A5β   75.6   3.51   75.6   3.52   D’5,G5   71.8   3.85   71.8   3.85
  A6βE1   61.5100.9   ~3.725.27   61.5100.9   ~3.725.28   D’6,G6H1   61.5100.9   ~3.815.27   61.5100.9   ~3.805.28
  E2   70.6   3.69   70.7   3.69   H2   70.6   3.69   70.7   3.69
  E3   73.6   3.53   73.6   3.53   H3   73.6   3.53   73.6   3.53
  E4   65.2   2.40   65.2   2.41   H4   66.1   2.40   66.1   2.41
  E5   70.5   3.74   70.5   3.75   H5   70.5   3.74   70.5   3.75
  E6   18.4   1.26   18.4   1.27   H6   18.4   1.26   18.4   1.27
  F1   56.1   3.47   56.1   3.47   I1   57.1   3.47   57.1   3.47
  F2   72.6   3.73   72.6   3.73   I2   74.0   3.60   74.0   3.61
  F3   71.8   4.09   71.8   4.09   I3   73.7   3.66   73.7   3.67
  F4   77.0   4.16   77.0   4.16   I4   72.2   3.97   72.2   3.97
  F5   137.5   -   137.5   -   I5   140.0   -   140.1   -
  F6F7   63.1127.4   4.09/4.125.90   63.1127.4   4.09/4.135.91   I6I7   62.6124.8   4.07/4.125.82   62.6124.9   4.07/4.135.82
注:表中数据由TOCSY,HMQC NMR图谱支持
实施例3:阿卡他定在酶学水平对α-淀粉酶活性的抑制
以0.05~2%可溶性淀粉为底物,将450μL含不同浓度底物和不同浓度α-淀粉酶抑制剂组合的溶液37℃预孵10分钟后,加入50μL 5U/mL猪胰α-淀粉酶(Sigma公司产品)启动反应,每5分钟取样50μL,加50μL 3M NaOH中止反应。还原糖的测定以麦芽糖为标准,样品加75μL 1%3,5-二硝基水杨酸后沸水浴5分钟,适当稀释后测490nm光吸收值。以时间为横坐标,还原糖的产量为纵坐标作图,所得直线斜率即为反应初速度。
双倒数曲线和Dixon曲线作图表明,四个单体对猪胰α-淀粉酶的抑制作用类型均为可逆混合型非竞争性抑制,既形成酶-抑制剂(EI)二元复合物,又形成酶-底物-抑制剂(ESI)三元复合物,抑制常数如表5所示。其中阿卡他定III03的综合抑制效果最强,阿卡他定II03次之。
表5阿卡他定对猪胰α-淀粉酶的抑制常数
 抑制剂   抑制类型   Ki(μM)a   Ki’(μM)b   相对抑制强度c
 阿卡波糖   混合型   2.077±0.463   2.066±0.681   1
 阿卡他定I03   混合型   0.346±0.141   8.057±1.778   6
 阿卡他定II03   混合型   0.013±0.002   0.018±0.003   160
 阿卡他定III03阿卡他定IV03   混合型混合型   0.008±0.0020.033±0.009   0.018±0.0070.011±0.004   26063
注:aKi为抑制常数,定义为[E][I]/[EI]
bKi’为抑制常数,定义为[ES][I]/[ESI]
c相对抑制强度由阿卡波糖的Ki值除以阿卡他定的Ki值计算得到
实施例4:阿卡他定II03和III03在离体水平对淀粉水解与葡萄糖吸收的抑制
取体重120~140g Wister雄性大鼠,处死,在十二指肠末端切开并取出小肠。剥离肠系膜,用预冷生理盐水冲洗肠内容物。把小肠切成3.5~4cm的小段,并反转小肠。反转的肠囊一端用棉线结扎,在另一端放一结扎线将200μL Krebs-Henseleit缓冲液灌入肠囊后结扎。将肠囊放于盛有4mL 1%淀粉溶液的试管中,其中添加或不加待测样品。在37℃震荡水浴中温孵60min。加入10μL 1mol/L HCl终止反应。分别收集试管中的液体(即肠囊外液),以及肠囊里的液体(即肠囊内液),离心后用3,5-二硝基水杨酸法测定肠囊外淀粉的水解程度,用葡萄糖体外诊断试剂盒测定肠囊外、内液葡萄糖的释放和吸收水平。反转肠囊外液样品与空白的比值(E/E0)反应了药物对淀粉水解和葡萄糖生成的抑制效果,反转肠囊内液样品与空白的比值(E/E0)反应了药物对葡萄糖吸收的抑制效果。如表6所示,阿卡他定II03和III03表现出与阿卡波糖相似的抑制淀粉水解,葡萄糖生成和葡萄糖吸收的作用,与空白对照相比较其抑制百分率均有极显著差异(P<0.01)。
表6阿卡他定的反转肠囊实验结果
Figure A20071005955400101
与空白对照组相比,**,P<0.01;(n=5)
实施例5:阿卡他定III03在体内水平对餐后血糖升高的抑制
以阿卡波糖为正对照,生理盐水为空白对照,考察阿卡他定对正常小鼠糖耐量的影响。将正常小鼠按体重随机分为正对照组(阿卡波糖组)、空白对照组(生理盐水组)和给药组,每组各8只。试验前16h禁食不禁水,分别取一定浓度的阿卡他定或阿卡波糖,同一定剂量的淀粉(3g/kg)对小鼠灌胃给药。分别在给药后0,30,60,90min尾静脉采血测定血浆葡萄糖水平。结果如表7所示,阿卡他定III03可以降低正常小鼠的餐后血糖水平,给药30min后,给药组与空白对照组相比,血糖值有显著差异(P<0.05)。
表7阿卡他定III03对正常小鼠糖耐量的影响
Figure A20071005955400102
与空白对照组相比:*,P<0.05;**,p<0.01;(n=8)。

Claims (6)

1. 一种新的α-淀粉酶抑制剂即阿卡他定系列化合物,具有如下通式(I)的结构:
其中,m为0~7的整数,n为1~4的整数,q为0~3的整数。
2. 根据权利要求1所述的阿卡他定系列化合物,其特征是m优选为0、1或2,q优选为3。
3. 根据权利要求2所述的阿卡他定系列化合物,其特征是m更优选为0。
4. 根据权利要求3所述的阿卡他定系列化合物,其特征是n优选为3,其结构如化学式(II)所示:
Figure A2007100595540002C2
5. 一种根据权利要求1所述的阿卡他定系列化合物的应用,其特征在于该化合物用于制备治疗糖尿病或肥胖症的药物。
6. 一种根据权利要求1所述的阿卡他定系列化合物的制备方法,其特征在于该化合物由微生物发酵产生,并经分离纯化获得。
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