阳光、维D和药物：细说那些来自维D的化合物

提到维生素，大家都不陌生，也都知道每天需要摄入足量的各种维生素，路边药店中各种维生素类保健品更是摆得琳琅满目。有一种维生素难以直接从食物中获取，而且还需要经常晒太阳，它就是与钙吸收和骨健康密切相关的维生素D。维生素D主要作用是调节钙稳态，维持骨骼矿化，调节免疫力，如增强细菌感染后的抵抗力，以及预防多发性硬化症在内的自身免疫性疾病。人体维生素D的含量与生活方式密切相关，直白点就是与晒太阳的时间长短有关。现代人大部分足不出户或者外出时也有衣服、防晒霜等防护，不能接受足量的紫外线照射，维生素D₃的转化率偏低，而且饮食中维生素D₃的含量也偏低。如有需要，可以根据实际情况考虑补充维生素D₃，以预防维生素D缺乏症，如骨折、自身免疫疾病、甚至心脑血管疾病等。不过，过量摄入维生素D也有可能导致组织钙化和高钙血症。除了维生素D，科学家也开发了大量的维生素D类似物用于治疗包括银屑病在内的多种疾病。东芬兰大学Carsten Carlberg等人最近在J. Med. Chem.杂志对近10年中重要的维生素D类似物进行了总结。

维生素D的生理活性基础

D族维生素分子中均含有19个碳原子组成的环状结构以及特征的三烯结构，不同的是17-位的脂肪侧链。D族维生素分子的结构类似于甾体化合物，它们的分子序号按照甾体规则，如1,25(OH)₂D₃的结构如下图所示。在UV-B（290-315 nm）作用下，人体皮肤将胆固醇前体7-去氢胆固醇转化为维生素原D₃后异构化为维生素D₃（calciferol 钙化醇）。类似的，一些植物和菌类也会在UV-B照射下将麦角固醇转化为维生素D₂（ergocalciferol，麦角钙化醇）。这两种甾醇并不具有很强的生理活性，羟基化后才能激活，先是25位上的羟基化，生成25-羟基维生素D₃（Calcidiol，也称“骨化二醇”，25(OH)D₃）和25(OH)D₂，然后是C-1位，转化为1,25(OH)₂D₃骨化三醇（Calcitriol）和1,25(OH)₂D₂。其中25(OH)D₃是最稳定含量也最多的维生素D代谢物，它的血清浓度可以作为维生素D在人体中的生物标记物。

25(OH)D₃在CYP27B1作用下转化为活性状态的1,25(OH)₂D₃，结合到维生素D受体（VDR）转录因子上。一旦结合后，配体结合域（LBD）构象发生变化，造成共激活蛋白的募集。辅抑制物蛋白从VDR-RXR（RXR即retinoid X receptor，视黄醇类X受体）异聚体中解离出来。与此同时，调节复合物和染色质修饰酶被募集到附近，作用于基因组VDR结合位点周围的局部核小体的组蛋白。最终影响人类基因组中依赖于1,25(OH)₂D₃的基因转录，使得维生素D靶基因表达增加或减少，并表现为细胞功能的变化，例如控制代谢物质（钙磷平衡）、调节免疫功能以及控制细胞生长和分化，如下图所示。

维生素D的生理活性基础。图片来源：J. Med. Chem.

VDR是人类基因组表达蛋白，受到亚摩尔级别的1,25(OH)₂D₃及类似物的调节。VDR基因主要分布在肠道、肾脏及骨骼中，同时也广泛存在于400多种其他组织中，这是维生素D具有多种生理活性的原因。1,25(OH)₂D₃和VDR-LBP（受体结合口袋）复合物晶体结构如下图所示。

1,25(OH)₂D₃和VDR-LBP复合物晶体结构。图片来源：J. Med. Chem.

维生素D相关药物及活性衍生物

目前，人们相继开发了三千多种维生素D的衍生物，用来治疗各种癌症等增生性疾病、骨质疏松等骨病以及银屑病。截至目前，已上市的药物如下图所示。

维生素D代谢物及上市衍生物。图片来源：J. Med. Chem.

基于1,25(OH)₂D₃开发衍生物是相关药物研发的重点。主要修饰位点在侧链、A环、三烯及C环，目的是提高VDR的亲和能力同时增强代谢稳定性。维生素D的结构修饰可以分为6大类：（1）侧链修饰，（2）A环修饰，（3）三烯系统修饰，（4）A环和侧链一起修饰，（5）侧链、D环和A环修饰，（6）非甾体VDR类似物。原文中列举了很多例子，本文选择部分进行介绍，完整内容请阅读原文。

侧链修饰

侧链修饰的化合物16a-16c，与1,25(OH)₂D₃相比，可以显著激活依赖VDR的转录。C-17位被二炔基团取代的17a和17b也有更好的结合能力。具有2个取代侧链的Gemini系列，虽然分子体积增加，也仍然可以很好地结合VDR的LBP。而邻碳硼烷代替25-羟基的（1,25cD₃，化合物24）同样有效，VDR结合强度是1,25(OH)₂D₃的两倍。这些化合物结构如下图所示。

侧链修饰的维生素D衍生物。图片来源：J. Med. Chem.

A环修饰

C-2β位修饰的化合物25-30，对血清维生素D结合蛋白（DBP）的亲和力更高，但对VDR的亲和力偏弱。化合物33a和33b对VDR的亲和力弱于 1,25(OH)₂D₃，33b的活性要好些。以2-亚甲基-1,25(OH)₂D₃（35, 2MD）为先导化合物，获得的化合物34b与VDR的亲和能力与1,25(OH)₂D₃相似，诱导HL-60 细胞分化能力更强。A环修饰的维生素D衍生物，目前看来并不算非常成功。这些化合物结构如下图所示。

A环修饰的维生素D衍生物。图片来源：J. Med. Chem.

三烯体系修饰

化合物36-39在C-5/C-6双键边上具有（E）式侧链，但它们只有中等活性，在抑制HL-60细胞增殖的能力仅为1,25(OH)₂D₃的10%-15%，1,25(OH)₂D₂的20–30%。化合物结构如下图所示。

三烯结构修饰的维生素D衍生物。图片来源：J. Med. Chem.

侧链和A环修饰

一系列C-23构型不同、C24单取代或双取代以及C-2α取代类似物（化合物40-73）通过锁定VDR-LBD区，而不影响到其他共作用蛋白。如在晶体结构中发现内酯衍生物TEI-9647，共活化蛋白的β因子要远高于1,25(OH)₂D₃。构效关系表明，内酯上的环外亚甲基基团是不可或缺的，C-23S构型活性更高，C-24和C-2α取代基的适当组合，获得了最高的拮抗能力。

侧链和A环结构修饰的维生素D衍生物（I）。图片来源：J. Med. Chem.

Gemini类似物74和75，具有三键、三氟甲基、氘代甲基等官能团，其抑制MCF10CA1细胞增殖浓度是1,25(OH)₂D₃的百分之一到千分之一，R型活性更高，诱导NB4细胞分化能力与1,25(OH)₂D₃类似，但钙化能力较弱。VDR-LBD与化合物80-83的共晶结构解析确认了这些化合物开启了新的构象。Eldecalcitol的20-epi修饰物84，抑制U937白血病细胞增殖的活性是1,25(OH)₂D₃的50倍。

侧链和A环结构修饰的维生素D衍生物（II）。图片来源：J. Med. Chem.

侧链、D环和A环修饰

化合物138-149，它们具有不饱和的D环和C-20环丙基结构。其中化合物149的抗炎活性最好，活性高于1,25(OH)₂D₃，能抑制细胞因子干扰素-γ（IFNG）和肿瘤坏死因子（TNF）的分泌。化合物结构如下图所示。

侧链、D环及A环结构修饰的维生素D衍生物。图片来源：J. Med. Chem.

非甾类VDR配体

非甾体结构的维生素D衍生物种类较多（下图）。LG190178（154）是第一个报道的非甾体维生素D类似物。通常来说，基于双苯环母核并具有γ-羟基羧酸结构的维生素D衍生物具有激动剂活性，引入氟元素可以增强活性。具有苯基吡咯基戊烷母核的化合物159，具有抗MCF-7细胞增殖的作用，侧链修饰后活性进一步提高。化合物结构如下图所示。

非甾体维生素D衍生物。图片来源：J. Med. Chem.

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Vitamin D and Its Synthetic Analogs

J. Med. Chem., 2019, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b00208