ACS-中科院1区: 传统中药当归盲区成分研究取得突破，为骨质疏松防治提供全新药物分子骨架！

随着人口老龄化的加剧，与年龄相关的疾病如骨质疏松已成为全球范围内威胁人类生命健康的重要问题。目前市场上防治骨质疏松的药物，包括双磷酸盐类、降钙素类、激素类、补充剂以及抗体类药物等。然而，这些药物尚存在副作用明显、疗效不稳定或价格高昂等问题。寻找新型、高效、副作用小的抗骨质疏松药物或治疗策略具有重要社会意义和广阔市场前景。骨质疏松症在中医理论中属于“骨痿”、“骨枯”和“骨痹”范畴。中医对其认知已有两千多年历史，积累了丰富的理论基础和临床经验，形成了许多疗效显著的临床方药。从中医药中发掘新型、高效、副作用小的抗骨质疏松药物具有巨大潜力，同时也将为全球骨质疏松防治贡献“中国力量”。

当归（Angelica sinensis）是著名的传统中药，有着妇科圣药的美誉，临床上广泛应用于治疗妇科疾病、心脑血管疾病、骨疾病，尤其在治疗妇女绝经后骨质疏松方面疗效显著。高昊教授课题组长期聚焦常用中药药效物质研究，前期研究发现当归中仍存在大量未被认知的“盲区成分”，制约着当归药效物质基础和科学内涵的全面阐明。

2024年2月21日，暨南大学中药及天然药物研究所高昊教授课题组联合中国科学院深圳先进技术研究院王新峦研究员课题组，在ACS Central Science（IF = 18.2, 中科院-1区）上以封面文章发表了题为“Discovery of a Potent Antiosteoporotic Drug Molecular Scaffold Derived from Angelica sinensis and Its Bioinspired Total Synthesis”的研究。该研究遵循中医骨疾病理论，以临床高频使用的中药当归为研究对象，突破其盲区成分研究瓶颈，发现了一类新结构类型的苯酞“法卡林苯酞”（falcarinphthalide A-B (1-2)），法卡林苯酞A具有显著抗骨质疏松活性。文章报道了该类成分的结构解析、生源推测、体外活性、初步机制及化学合成。这项研究不仅为骨质疏松防治提供了全新药物分子骨架，也为传统中药药效物质解析和科学内涵阐明奠定了基础。

图1：法卡林苯酞及其生源前体结构式

首先，作者运用核磁共振技术鉴定了该类化合物的平面结构。随即开展了该类化合物立体构型的确定，以化合物1（falcarinphthalide A）为例，作者首先通过简化结构计算电子圆二色谱（ECD）推断其绝对构型为（3'R, 8'S）。为进一步确证ECD推断的结果，作者同时还采用了计算振动圆二色谱（VCD）进行验证。鉴于化合物1的VCD cotton效应相对较弱，作者采用化学衍生化策略，在保持手性不变的前提下，对化合物1中手性源上的羟基进行了酯化修饰，引入对溴苯甲酰氯基团，显著增强VCD cotton效应，通过对酯化衍生物1a进行简化结构计算VCD，指向的绝对构型与ECD计算结果相印证。

图2：法卡林苯酞类化合物立体构型的确定

关于该类化合物的生源机制，从结构上看，法卡林苯酞类成分的形成主要依赖于其生源前体——藁本内酯（(Z)-ligustilide (4)）与法卡林二醇（(3R, 8S)-falcarindiol (3)）发生的Diels-Alder和retro-Diels-Alder反应。为排除法卡林苯酞是人工产物的可能，作者进行了一系列实验。首先采用95%乙醇在暗处对新鲜当归进行冷提取。随后，利用液相色谱-质谱联用技术（LC-MSn）对法卡林苯酞标准品（falcarinphthalide A-B）和冷提物进行分析。结果表明，法卡林苯酞类成分的色谱保留时间和质谱信息均能在冷提物中找到，提示该类成分并非人工产物。通过DFT计算模拟，发现生成法卡林苯酞类成分的反应尽管在热力学上是有利的，但其整体反应能垒较高（31.4 kcal/mol），这暗示着该反应过程应需要酶的参与，这为深入理解法卡林苯酞类化合物的生物合成途径提出了新的科学问题，也提供了重要科学线索。

图3：法卡林苯酞类化合物生源推测

随后，作者对法卡林苯酞A-B（falcarinphthalide A-B (1-2)）及其生源前体法卡林二醇（(3R, 8S)-falcarindiol (3)）和藁本内酯（(Z)-ligustilide (4)）进行了抑制破骨细胞活性测试。结果表明，化合物1、3和4能显著抑制破骨细胞分化，进而影响破骨细胞F-actin环的形成，最终抑制破骨细胞的吸收功能，且呈剂量依赖性。而化合物2则不显示上述活性，提示不同杂聚的连接方式对法卡林苯酞发挥抑制破骨细胞活性至关重要。

图4：法卡林苯酞类化合物及其生源前体抑制破骨细胞活性评价

作者还对法卡林苯酞及其生源前体抑制破骨细胞的初步机制进行了研究。化合物1、3和4能有效抑制破骨分化关键转录因子NFATC1、c-Fos及其下游相关蛋白integrin-β3的表达，并下调DC-STAMP、OSCAR、TRAP的基因表达水平。值得一提的是，化合物1和4还表现出对NF-κB p65核易位的抑制作用，而化合物3在这一途径中未显示类似效果。与前述结果相符，化合物2在这些通路中没有显示出任何明显的作用。由此，法卡林苯酞A（falcarinphthalide A (1)）通过同时下调NF-κB和c-Fos信号通路，抑制RANKL诱导的破骨细胞分化。

图5：法卡林苯酞类化合物及其生源前体抑制破骨细胞的分子机制

受生源机制的启发，作者还完成了法卡林苯酞A的全合成。最初，作者尝试将法卡林二醇（(3R, 8S)-falcarindiol (3)）与藁本内酯（(Z)-ligustilide (4)）进行直接反应。然而，由于法卡林二醇作为亲双烯体的反应活性较低，这些尝试均未能成功。为了克服反应活性低的问题，作者设计了一系列吸电子官能团活化的炔基亲双烯体结构。通过DFT计算模拟，发现化合物7（硅烷基作为活化基团）能够高效的与藁本内酯发生逆电子Diels-Alder/retro-Diels-Alder反应，具有高度的区域选择性，从而生成关键中间体8。在量化计算指导下，作者成功实现了法卡林苯酞A的克级全合成，10步反应简洁高效，为法卡林苯酞类药物研发提供了药源保障和物质实体供应。

图6：法卡林苯酞A的化学全合成

综上，法卡林苯酞A-B（falcarinphthalides A-B (1-2)）是从传统中药当归中分离鉴定的一类具有全新碳骨架的苯酞类化合物。这一发现增加了中药化学成分新的类别，拓展了天然产物中苯酞类化合物的化学空间。生物实验表明，法卡林苯酞A及其生源前体（3和4）显示出显著的抗破骨体外活性，主要通过抑制NF-κB和c-Fos通路干预RANKL诱导的破骨细胞生成。在生源机制启发和DFT计算驱动下，我们以Diels-Alder/retro-Diels-Alder级联反应为关键步骤，通过10步反应实现了法卡林苯酞A的克级全合成。这为后续的生物学研究和药物研发提供了物质实体的来源保障。法卡林苯酞A的独特结构和作用机制与现有的双膦酸盐和雌激素药物不同，为骨质疏松防治提供了全新药物分子骨架。研究工作不仅丰富了天然产物的结构多样性，更凸显了中药活性分子在骨质疏松防治方面的巨大潜力。

暨南大学中药及天然药物研究所邹剑副研究员为第一作者，暨南大学中医学院/中国科学院深圳先进技术研究院邱佐成副教授为共同第一作者，暨南大学中药及天然药物研究所高昊教授和中国科学院深圳先进技术研究院王新峦研究员为通讯作者。此外，暨南大学中药及天然药物研究所姚新生院士和中国科学院深圳先进技术研究院秦岭教授对该工作给予了大力支持和指导。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、广东省基础与应用基础研究基金粤深联合基金、中华中医药学会青年人才托举工程等项目支撑。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.3c01414

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