®【回首页】【科技文献】【科学研究】【专利成果】【技术开发】【生产技术】【产品辞典】【交易中心】【技术市场】®【回首页】【科技文献】【科学研究】【专利成果】【技术开发】【生产技术】【产品辞典】【交易中心】【技术市场】
金属钒化合物作为胰岛素模拟物的研究进展
钒元素在植物和动物细胞中浓度仅为10-8mol/L。钒有三价、四价、五价等化合态，通常以钒氧键的形式存在，与氮和硫也容易形成较强的配位键。钒有多变的立体化学配位结构，从四面体和八面体到三角双锥、五角双锥等。由于不同价态的钒之间存在不同的氧化还原电位，使其在生物体内环境中呈多种存在形式，虽然不是某个酶的主要组成部分，但五价钒却是一些过氧化酶必须的辅助成分，因此，在哺乳动物代谢中起很重要的作用。近年来发现，在药理生理浓度下，钒化合物可作为一个潜在的治疗试剂。
1 金属钒化合物的胰岛素样活性
1.1 胰岛素的作用机制
胰岛素是一种信号激素，由胰岛B细胞产生和分泌的一类蛋白类物质，它在哺乳动物体内对脂肪和碳水化合物的代谢起重要作用。人的胰岛素由51个氨基本能组成，A、B两条肽链，借助两个地硫键联结起来，分子量约为5800道尔顿。胰岛素能促进肝糖原和肌糖原的合成；又能抑制肝糖原的异生并抑制肝糖原分解为葡萄糖。胰岛素对糖类代谢作用的最终效果是：使一部分葡萄糖作为燃料得到充分的利用；使另一部分葡萄糖变为糖元而贮藏，因此，能够使血糖浓度降低，并维持在一定水平。胰岛素对脂肪代谢的作用是促进脂肪的合成并抑制其分解。
胰岛素对各种物质的代谢作用是通过受体机制实现的，胰岛素受体是整合在细胞膜上的一个糖蛋白，由两个α亚基（135kd）和两个β亚基（95kd）通过三个二硫键联结而成，α亚基处于细胞外侧，β亚基穿过细胞膜。胰岛素受体本身所包含的酷氨酸激酶结构域处于受体β亚基细胞质侧部分中，胰岛素结合位点在受体的α亚基上，一旦胰岛素结合到受体的结合位点上，就启动了受体的酷氨酸激酶添性，并引发出一系列磷酸化和去磷酸化的级联放大反应，来调节物质的各种代谢。
1.2 钒化合物的胰岛素样活性
1980年Schecher等道德发现VO2+有很好的体外胰岛素样活性，用低浓度的VO2+作用于大鼠的脂肪组织细胞，能够促进细胞内的葡萄糖氧化分解；其次，mmol级的Na3OV4或VO2+能够刺激大鼠肝和膈膜中糖原的合成，抑制肝的葡萄糖异生。1985年，McNeill等[4]报道了钒化合物的体内胰岛素样活性，其使用的动物模型为链脲佐菌素（STZ,streptozotocin）诱导的糖尿病大鼠。STZ作为一种抗生素，能够专一作用于动物胰腺中分泌胰岛素的B细胞，STZ诱导的糖尿病大鼠动物模型是通过给正常大鼠注射一定剂量（45~75mg/kg）的STZ而获得的，这时动物体内胰素分泌减少，血糖浓度升高，STZ诱导的糖尿病大鼠在没有外界胰岛素的情况下仍能正常存活。McNeill的实验表明，通过给STZ糖尿病大鼠口服一定剂量的Na3OV4后，大鼠体内的血糖浓度与正常大鼠没有明显不同；相反，没有服用Na3OV4的大鼠其血糖浓度比正常大鼠升高3倍；但Na3OV4不易被肠胃吸收，毒性较大。McNeill又口服一定量的[VO（H2O）5]SO4（H2O）x 对STZ糖尿病大鼠也具有降血糖和血脂的功能。尔后一系列的动物体内实验表明，口服一定剂量的五价钒酸盐，其肝和肌肉组织中与糖原合成和糖原分解的某些酶的活性都能部分或全部地得到恢复，便却能促使胰岛素的合成。虽然VOSO4较Na3VO4的毒性低，但也不易吸收，因此科学家们把精力集中在延长药物作用时间和降低药物的毒性上，通过选择适当的配体与钒化合形成四价或五价无机钒及有机钒化合物，1992年，Orvig等报道了BMOV[Bis(maltklato)oxovanadium(IV）]是一个潜在的胰岛素功能模拟药物，通过给STZ糖尿病大鼠服用6个月，没有发现毒性表现，其作用是VOSO4的3倍。从此具有胰岛素的活性样的钒化合物揭开了新一页。
2 胰岛素样活性钒化合物的类型
钒作为VB族过渡金属，在化合物中有-3、-1、0、+1、+2、+3、+4和+5等不同的氧化态。在生理条件下（pH=3~7，空气中，水相，室温），以+5、+4、+3价存在较多，+2、+3价的钒盐主要存在于一些海洋被囊动物中，在一些简单的水相体系中以钒酸盐（HVO42-/H2VO4）和VO2+形式存在，在细胞培养基和细胞匀浆中，无论是五价钒或四价钒都能很快的与谷光甘肽、柠檬酸、儿茶酚胺及一些血清蛋白，如转铁蛋白形成化合物。四价钒（VO2+）和五价钒（VO43-）无机盐已证实在体内和体外均有类似胰岛素的功能，随着研究的不断深入，许多不同配位结构的四价氧钒化合物和五价过氧钒化合物被发现有很好的胰岛素样活性。
2.1 金属氧钒（Ⅳ）化合物
2.1.1 具有双氧配体结构的氧钒（Ⅳ）化合物二-3-羟基-2-甲基-4-吡喃酮氧钒化合物BMOV[Bis(matolato)oxovanadium(IV）,VO(ma)2]已被证实是一个很有潜力的胰岛模拟制剂，双氧配体能够增加药物的溶解度，去质子化基因能使其与VO2+形成中性的金属化合物，从而具有很好的口服活性。VO（ma）2的几何结构为四方棱锥，在一些有机溶剂和水中有mmol级的溶解度。动物实验表明，当开始以0.4mmol.kg-1.day-1的剂量给STZ糖尿病大鼠口服，直到保持在0.2mmol.kg-1.day-1剂量水平，在6个月内未发现STZ大鼠有毒性表现，面临因糖浓度降低50%。
2.1.2 具有VO（N2O2）配位结构形式的氧钒（Ⅳ）化合物二-吡啶甲酸氧钒化合物VPA[oxobis(picolinato)vanadium],在水中溶解度极低，且易被空气中的氧所氧化，其固态在惰性气体条件下或溶在5%的阿拉伯胶中较稳定。当以剂量0.2mmol.kg-1.day-1口服，在7天内能够使STZ糖尿病大鼠的血糖浓度正常，在以后的30天内，大鼠在没有接受到治疗的情况下仍能够维持正常的血糖浓度。
二-甲基吡啶甲酸氧钒化合物VO-MPA[bis(methylpicolinato)oxovanadium]，其体内外的胰岛素样活性已被证实，VO-MPA溶在5%的阿拉伯胶中以10mgV.kg-1.day-1给STZ糖尿病大鼠口服，终止给药后，其降血糖作用能持续80天左右，但伴随时有动物体重减轻，胆红素水平升高等副作用，通过降低剂量到5mgV.kg-1.day-1,这种状况很快得到改善，当腹腔注射VO-MPA其降糖效果较口服更显著。其次，VO（N2O2）类型的一些钒化合物包括一些氨基酸，乙二胺可作为双氮配体和二个甘氨酸或甲硫氨硫及N-吡啶甲基天冬氨酸与四价钒共配，此类化合物能够促进艾氏腹水肿瘤细胞对2-脱氧葡萄糖的摄取和抑制大鼠脂肪组织对脂肪酸的释放。
N，N`-双邻羟基苯亚甲基乙二胺氧钒化合物VO-SALEN[(N,N`-Disalicylideneethylenediamine)oxovanadium(Ⅳ)，其在固态为平面四方锥，在DMSO中为八面体构型，被证实有很好的口服降糖活性。
2.1.3 具有VO（N2S2）配位形式的氧钒（Ⅳ）化合物 二-半胱氨酸甲酯氧钒化合物VCME[VanadylBis(cyxteine methyl eter)]可于室温下在0.2mol.L-1的硼酸溶液中将盐酸半胱氨酸甲酯和VOSO4（物质的量之比5:1）的混合物搅拌5~6h合成（空气状态下）。VCME的几何结构为平面四方锥，其红外光谱（KBr压片），V=0在956cm-1和945cm-1处有两个伸缩振动吸收峰，说明其存在着顺式和反式异构体。VCME在5%的阿拉伯胶中以5mgV.kg-1.day-1的剂量给STZ糖尿病大鼠口服，在24h内能使血糖浓度正常化，且没有明显的毒性表现。
二-N-辛基半胱氨酸酰胺氧钒化合物Naglivan[oxobis(N-octylcysteineamido)vanadium(Ⅳ)]在水中不溶，但可溶在3%的阿拉伯胶中以剂量5~15mgV.kg-1.day-1口服，Naglivan能够有效地使STZ糖尿病大鼠的血糖浓度恢复正常。
2.1.4 VO（S4）配位形式的氧钒（Ⅳ）化合物 二-吡啶-N-二硫代羧酸氧钒化合物V-P[Oxobis(pyrlidine-N-carbodithioato)],将吡咯烷-N-二硫代羧酸铵（ammonium pyrrolidine-N-carbodithoate)和VOSO4（物质的质量之比2:1）在乙醇中反应而得，化合物在吡啶、DMSO、DMF中有一定的溶解度，在水、甲醇、乙醇、乙醚中不溶，而且在空气中不稳定，通常溶在5%的阿拉伯胶中测其活性。在一系列的V-N、V-O、V-S配位模型的四价氧钒化合物中，V-P化合物对抑制大鼠脂肪细胞组织释放脂肪酸最为有效。
2.1.5 VO（N4）配位形式的氧钒（Ⅵ）化合物 去质子化的二齿双胍作为硬Lewis碱能够与作为硬Lewis酸的VO2+牢固地结合。通常双胍作为配体有很大的一级解离常数和较小的二级解离常数，由于分子内的氢键使键合的双键系统形成一个稳定的六元环与金属螯合，使化合物呈现较好的热动力学稳定性，全化合物结构一物结构一般为平面四方锥型。二甲基双胍（Metformin）是一个觉的促胰岛素药物，可以单独使用或与一些低血糖药（如磺酰脲类药）一起使用，它和VOSO4化合形成VO（metf）2.H2O。IV 0.12mmol.kg-1的VO（metf）2.H2O溶在3%的阿拉伯胶中，通过腹腔注射给STZ糖尿病大鼠，有明显的降血糖效果，但出现诸如腹泻的毒性效应；当以0.60mmol.kg-1剂量作用时，在24h内血糖水平正常化，不过这种作用不能持续很长时间，而单独的Metformin没有这种功能。
2.2 过氧钒（Ⅴ）化合物
2.2.1 [VO（O2）2（L-L`）]n-类型过氧钒（Ⅴ）化合物 已报道的吡啶甲酸二过氧钒钾K2[VO（O2）2（pic）]和3-羟基吡啶甲酸二过氧钒钾K2[VO（O2）2（PHpic）]两种化合物在固态下较稳定，在水溶液中易分解，它们有畸变的双锥几何结构，这两种化合物都能刺激肝肿瘤细胞胰岛素受体激酶的活性，同时可抑制大鼠肝核内体磷酸酷氨酸磷酸酶（PTPase）的活性[11]。通过比较12种不同的 [VO（O2）2（L-L）]n-类型的化合物，1，10-邻菲咯啉二过氧钒钾[bpV(phen)]最为稳定，而且其胰岛素活性最高，bpV(phen)大鼠（一种动物模型）体内以6μmol.kg-1的bpV(pic)、bpV(phen)、bpV(Mephen)(甲基邻菲咯啉过氧钒钾)无论是静脉注射或腹腔给药，对B大鼠（一种动物模型）都有很好的胰岛素样活性，而且20~200μmol.kg-1的bpV(phen)有很好的口服活性，同时了现0.05mmol/L的bpV(pic)能够提高正常大鼠脂肪细胞对胰岛素的亲和力（对NIDDM型人脂肪细胞没有作用），可能是由于提高了胰岛素受体激酶（PTPase）和刺激胰岛素受体激酶（IRKase）活性[11]。已知配体的极性对其功能有很大关系，当配体极性增大（对bpV(bipy)羧基化）或非极性增大（对bpV(phen)甲基化）都能使对胰岛素受体激酶（IRKase）的刺激降低，当对邻菲咯啉配体甲基化程度增大，配合物对磷酸酪氨酸磷酸酶（IRKase）的抑制减弱，充分说明辅助配体对化合物的专一性和功能有很大影响。
2.2.2 [VO（O2）2（him）]-类型过氧钒（Ⅴ）化合物 六配位的咪唑二过氧钒化全物其结构是由5个V—O键，一个V—N键组成的五角锥形，在人的肝细胞培养基中，溶解在水中的化合物使胰岛素受体发生自动磷酸化，浓度为1μmol/L~1mmol/L的化合物能够提高肝组织对葡萄糖的转运。
2.2.3 [VO（O2）（H2O）2（L-L）n-]类型过氧钒（Ⅴ）化合物 各种单过氧化钒化合物的体外活性最近被证实，二水合的吡啶甲酸单过氧钒化合物MPV（PIC）使STZ诱导的糖尿病大鼠的血糖浓度降低20%。
3 金属钒化合物胰岛素样活性机理的研究
20世纪70年代后期，Cantley等[14]发现Na3VO4是 Na -K+ ATP酶的抑制剂，但Dubyak等的研究表明Na3VO4的胰岛素样活性并不是因为其对Na+、-K+ATP酶的抑制，而且发现当Na3VO4被红细胞摄取后，在胞浆中很快被还原为四价钒，以VO2+的形式存在。体处试验表明，两种酶系统与胰岛素的信号转导相关：磷酸酪氨酸磷酸酶（PTPase）和酪氨酸受体激酶（IRKase），它们结合在胰岛素受体（INSR）上起着重要的调节作用，当胰岛素结合在INSR的胞外部分，激活胞内INSR的酪氨酸受体激酶（IRKase），使其酪氨酸磷酸化，进而引发一系列的级连放大么应。而磷酸酪氨受体激酶（TP-Pase）则是通过对INSR的去磷酸化而逆向调节INSR的活性，使其处于某种平衡。酪氨酸受体激酶（TRKase）和磷酸酪氨酸磷酸酶（PTPase）对钒的激活和抑制很敏感，从这一点上可以解释其胰岛素活性机制。
病理学研究表明，当胰岛素缺乏时，组织磷酸酪氨酸磷酸酶（PTPase）的活性会升高。研究还发现，磷酸酪氨酸磷酸酶（PTPase）的活性受锌离子、镍离子和钒酸盐的抑制，其中钒酸盐的作用最显著。通过使用抑制剂对（PTPase）活性的抑制可消弱磷酸酪氨酸碗酸酶（PTPase）对INSR的去磷酸化作用而使INSR保持活性，这样抑制剂就起到了类似胰岛素的作用。钒作为一种过渡金属，从热力学和动力学的角度考虑主要以V3+、V4+、V5+的形式存在于生物体内，而且可以以阳离子、阴离子的形式来发挥其生物效应，它可以直接进入或通过取代酶中其它金属间接进入生物大分子体系中以发挥其生物学功能；同时，钒酸根可以作为磷酸根的类似物在一些体系中模拟磷酸酯的功能。Tracey等的研究表明钒化合物能酯化玫些羟基基团而开形成酯，从功能上讲，认为其与磷酸酯有相似的作用，能够作为一些酶的底物，这一观点可以解释钒化合物激活胰岛素受体上酪氨酸激酶的分子机制。钒化合物的模拟胰岛素的功能可能源于VO2+与有机硫的结合而抑制了磷酸酪氨酸激酶（PTPase）的活性，使INSR激酶被激活最近Denu等报道了一种含有VO43-的Yessina PTPase的晶体结构，其中钒与403-Cystein残基上的硫之间有键合。近年来，发现过氧钒化合物（pV）在体内外均有显著的降血糖活性[11]，现已初步阐明过氧钒化合物在体内外降血糖效应的作用机制是：过氧钒化合物主要是通过抑制与胰岛素信号转导相关的磷酸酪氨酸磷酸酶（PTPase），进而激活参与胰岛素信号转导途径的胰岛素受体激酶（IRKase）。1997年，Huyer等用生物质谱研究了过氧钒化合物（钒酸盐和过氧化氢水溶液形成的过氧钒水合化合物）与提纯的重组人胎盘磷酸酪氨酸磷酸酶（PTPase）活性中心Cys的巯基起作用。便是关于这类化合物的构效关系规律和构效关系分子机制研究，至今仍是空白。周兴旺等研究了4种含不同化学结构有机配体的过氧钒化合物bpV(ox),bpV(bipy),bpV(phen),和bpV(pic)对牛酪氨酸磷酸酶（BHPTPase）的作用，通过比较它们有机配体的结构特征和对BHPTPase抑制的强弱，对抑制效应所存在的某些规律性提出一些初步的构效关系推测：首先，在bpV(ox),bpV(bipy)和bpV(pic)这3种化合物中，有机配体氧氧配位的bpV(ox)抑制效应最强，氧氮配位的bpV(pic)抑制效应稍弱，氮氮配位的bpV(bipy)抑制效应最弱。这可能与不同有机配体影响pV的氧化能力有关，由于氧的吸电子能力较氮强，吸电性效应使得在这3种配合物中，钒原子电子云密度减小的顺序为bpV(bipy)＞bpV(pic)＞bpV(ox)。其次，化合物bpV(phen)和bpV(bipy)中51V NMR的化学位移值接近（这表明钒原子电子云密度接近），但抑制强度bpV(phen)明显比bpV(bipy)小，这可能是bpV(phen)有机配体的空间位阻较大而影响它与酶活性中心的接近，以致减弱了其抑制强度，在此空间位阻可能起了很大作用。总之，由于磷酸酪氨酸磷酶（PTPase）和酪氨酸受体激酶（IRKase）分别对钒氧化合物和过氧钒化合物的抑制和刺激非常敏感，通常用来解释钒化合物的胰岛素功能机理。
4 金属钒化合物对糖尿病治疗的监床试验
糖尿病作为一种监床常见病，其发病机制目前尚未完全阐明，根据共与胰岛素的关系，可分为胰岛素依赖型糖病（IDDM，Ⅰ型）和胰岛素非依赖型糖尿病（NIDDM，Ⅱ型）两类。随着人们对这一问题研究的不断深入，对糖尿病的理解开始从血糖、血胰岛素和其受体的基因水平，特别是胰岛素受体基因的突变和Ⅱ型糖尿病的关系倍受重视。最近，对Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病患者一睦局部的监床试验结果如下：
表1 金属钒化物治疗糖尿病的局部监床试验结果
──────────────────────────────────────────────
化合物 试验对象 剂量/md.-1 治疗时间/周 结果
──────────────────────────────────────────────
Na3VO4 IDDM(型Ⅰ) 125 2 2组葡萄糖代谢提高，对胰岛表素需求降低，胆固醇降低
（5组）
Na3VO4 NIDDM（型Ⅱ） 125 2 5组葡萄糖代谢均提高
（5组）
VOSO4 NIDDM（型Ⅱ） 100 3 对胰岛素的敏感性提高，肝糖产量下降葡萄糖代谢率提高，胰岛素功能维持两周
（5组）
VOSO4 MIDDM（型Ⅱ） 100 6 3组对胰岛素的敏感性提高
（5组）
──────────────────────────────────────────────
5 结论
随着胰岛素调节机制的阐明，这样将有助于设计出理想的高活性胰岛素模拟药物。作为一个较理想的有生物功能、能替代激素的金属化合物，应该有很好的口服活性，合理、明确的药理、药效，能够准确地到达胰岛素富集的组织部位，如肝、肌肉、胰腺等组织，有一个持续的吸收、保留方式和低剂量需求特点。另外，随时着对V（Ⅲ）、V（Ⅳ）、V（Ⅴ）配位化学情态的了解，搞清不同类型钒化合物的组织摄取、分布、排泄方式，进一步确定这些化合物的代谢途径也显得同样重要。总之，在将来的10~20年，金属钒化合物作为胰岛素模拟剂将对糖尿病治疗剂的发展起到巨大的推动作用，它们对阐明胰岛素的作用机制和各种糖尿病的发病原因也将起着非常重要的作用。
<返回>