1. 引言
杯芳烃以其独特的结构和性质引起了科研工作者的浓厚兴趣，在主客体化学、超分子组装、化学催化和生物活性等领域都有着非常广泛的应用，尤其是作为药物载体，其对细菌、真菌、癌细胞等均具有一定的抑制活性。因此基于杯芳烃分子骨架的药物研发一直是该领域的研究热点。而酰胺、磺酰胺、胍、氨基酸、硫脲等已被验证具有抗病毒、抗菌和抗肿瘤等[1]-[4]生物活性，因此，含有以上特定基团的有机物可作为合成治疗药物的中间产物。本文试图总结近年来含氮有机物修饰的杯芳烃衍生物在生物活性方面取得的成就。
2. 含氮有机化合物的生物活性
2.1. 抗菌活性
Kushwaha等[5]在2011年报道了一系列由不同取代的芳基苯胺与氨基酸酯合成的酰胺衍生物，并对所有化合物进行了抗菌活性评价，实验结果表示，该文合成的一系列酰胺衍生物均具有抗菌活性，其中，化合物2c更是对实验所选的6种菌株均具有抑制活性。但该化合物的抑菌效果差强人意，抑菌圈实验系列化合物浓度均达到了1000 μg/mL，尽管如此，与250 μg/mL的标准药物氨苄西林相比还是有一定的差距。图1为酰胺衍生物的结构图。
Figure 1. The structure of amide derivatives synthesized by Kushwaha
图1. Kushwaha合成的酰胺衍生物的结构
2.2. 抗肿瘤活性
Warnecke等人[6]于2007年开发了一种甲氨蝶呤的白蛋白结合制剂，该制剂以肽序列D-Ala-Phe-Lys为底物，合成了一种高水溶性的甲氨蝶呤肽衍生物，可快速且具有选择性地与人血清白蛋白结合。该前药的白蛋白结合形式可以被组织蛋白酶B和纤溶酶有效地切割，在卵巢癌匀浆(OVCAR-3)中释放出甲氨蝶呤-赖氨酸衍生物，而在OVCAR-3异种移植模型中也可观察到，剂量为4 × 15 mg/kg的甲氨蝶呤相较于4 × 100 mg/kg的游离甲氨蝶呤，其抗肿瘤疗效更为显著。
2018年，Firdaus等人[7]认为大多数酚类化合物及部分含有苯乙基的化合物都具有潜在的抗癌活性，在化合物中结合酚基和苯乙基，可使化合物具有较强的抗癌生物活性。他们对阿魏酸进行修饰，通过结合醇和胺得到化合物5和6，并研究其对P388白血病小鼠细胞的抗癌活性。结果表明，这两个化合物的肿瘤抑制活性均比阿魏酸好，化合物5对小鼠肿瘤细胞的半抑制浓度值为10.79 µg/mL，6的半抑制浓度值甚至达到了29.14 µg/mL，是前者的三倍左右。图2为化合物5和6的合成路径。
Figure 2. Synthesis of compounds 5 and 6
图2. 化合物5和6的合成
2.3. 其他生物活性
2007年，Hegab等[8]以β-氯羧醛3a-c和不同的苯胺衍生物为原料合成了一系列喹啉4a~i和5a~c并对这些化合物进行生物活性的测试。结果表明，4b、5b和5c对角叉菜胶诱导的大鼠水肿有显著的抑制作用(p < 0.05)。在所有的化合物中，5b和5c无溃疡毒性，4a~c、4f和4i在100 mg/kg剂量时会导致轻度溃疡，而化合物5a在100 mg/kg (0.75 ± 0.06)时的致溃疡活性为(1.35 ± 0.18~2.1 ± 0.17)。图3为化合物5b的分子结构图。
Figure 3. The molecular structure of compound 5b
图3. 化合物5b的分子结构
2008年，Siddiqui等[9]合成了一系列新的含氮有机化合物，并在MES模型中进行抗惊厥活性筛选。与标准药物苯妥英钠和卡马西平进行比较后发现，在所研究的21种化合物中，除5e和5f外，其余所有化合物在300 mg/kg剂量时均具有活性。其中，4b、4e、4f、5b、5d、5g、6b、6d和6e在0.5 h后显示出与苯妥英和卡马西平相当的MES活性；且化合物5b在4 h后比卡马西平更有效；化合物4a、4c、4d、5a、5c、5e、5f、6f和6g的神经毒性均低于苯妥英钠。实验结果还表现出，当化合物中氨基的邻位有吸电子氯取代基时，化合物的活性显著增加，但毒性相对较大；当氨基对位存在一个较大的供电子甲氧基时亦会导致化合物的活性增加，其可能的原因是化合物的亲脂性增加。图4为一系列含氮有机化合物的分子结构图。
Figure 4. The molecular structure of a series of compounds
图4. 系列化合物的分子结构
2009年，Klaus Rehse等[10]合成了9种目标化合物，并在Born试验中研究了以胶原蛋白、ADP、肾上腺素和血小板活化因子(PAF)作为聚集诱导物的抗血小板活性。他们发现了三种半抑制浓度值低于100 μM的以胶原蛋白为诱导物的化合物(3b对ADP (IC50 = 9.4 nM)、3i对肾上腺素(IC50 = 5.8 nM)和3e对血小板活化因子(IC50 = 0.45 nM))。
3. 含氮有机物修饰的杯芳烃类衍生物的生物活性
3.1. 抗菌活性
Mourer等人[11]于2009年合成了四对胍乙基杯[4]芳烃的对胍乙基苯酚衍生物以及包含2,20-双噻唑基或2,20-联吡啶基甲基的远端二取代醚衍生物，并对它进行了革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的抗菌评价。结果表明：简单酚类物质的活性低于杯芳烃衍生物，证实了杯芳烃核心的组织作用，也证实了胍和杂环在大环支架上的空间组织可能产生协同效应的假说；大部分杯芳烃化合物在24 h时对真核细胞活力影响更大，而杯芳烃4、14、15和16在48和168 h时对于细胞的毒性依旧保持稳定，说明了结构对抗菌剂性能的影响。图5为四对胍乙基取代的杯[4]芳烃化合物4的结构图。
Figure 5. The structure of calix[4]arene compound 4 substituted with four pairs of guanidine ethyl groups
图5. 四对胍乙基取代的杯[4]芳烃化合物4的结构
2011年，Salem等[12]通过醚酯键将两个众所周知的抗生素杂环，萘啶酯和青霉素连接到对叔丁基杯[4]芳烃下缘的交替位置，对所得到的疏水分子药物组织者进行了充分的表征，并用2个革兰氏阴性和3个革兰氏阳性菌株对其进行了抗菌性能评估。试验结果表明，只有一个结合了一个青霉素V和一个萘啶酸亚基的青蒿素衍生物3，对金黄色葡萄球菌ATCC 25923株表现出了较高的活性。但对于杯芳烃在其中发挥的作用及其可能存在的协同效应，作者都没有进行更深入的研究。图6为结合了一个青霉素V和一个萘啶酸亚基的青蒿素衍生物3的结构图。
Figure 6. The structure of derivative 3
图6. 衍生物3的结构
值得注意的是，该文以纯DMSO为溶剂对5种细菌进行实验，结果发现纯DMSO对三株革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌ATCC 25923、金黄色葡萄球菌ATCC 29213、粪肠杆菌ATCC 29212以及革兰氏阴性菌大肠杆菌ATCC 25922均无抗菌作用，但对革兰氏阴性铜绿假单胞菌ATCC 27853有抑制活性，由此可见，DMSO可以作为已知药物的纯溶剂用于研究新物质的抗菌性能，但必须注意可能存在的协同效应。
Figure 7. Calix[4]arene modified by APA
图7. APA修饰杯[4]芳烃
2014年，Dilmaghani课题组[13]利用酰胺基团将含有β-内酰胺结构的6-APA与杯[4]芳烃连接，合成了具有高密度抗生素表面的新型化合物。与单体青霉素相比，合成的四聚体的抗菌性能显著提高。他们认为是杯芳烃边缘4个6-APA的结构和排列与细菌细胞壁相互作用产生协同效应，从而产生有效的抗菌活性。图7为6-APA修饰杯[4]芳烃的合成路径。
Figure 8. DNA/4A4Hex-calix[4]arene-AG nano-complexes
图8. DNA/4A4Hex-杯[4]芳烃-AG纳米复合物
Bono等[14]于2018年报道了一类新的多价阳离子脂质的合成和表征，通过将4A4Ex-杯[4]芳烃支架的上边缘与三种不同的氨基糖甙类化合物(AGs，即新毒胺、新霉素和巴龙霉素)连接，产生了在体外具有优异转染效率和对HeLa和U87-MG细胞具有弱细胞毒性的纳米组装体(DH ≈ 150 nm)。此外，DNA/4A4Hex-杯[4]芳烃-AG纳米复合物对革兰氏阴性菌株表现出明显的抗菌活性，甚至比未复合的4A4Ex-杯[4]芳烃-AG化合物更高，结果揭示4A4Hex-杯[4]芳烃-AGs作为具有独特抗菌特性的复合物，有很大的将其作为基因递送工具的研究价值。图8为DNA/4A4Hex-杯[4]芳烃-AG纳米复合物的作用结果图。
2019年，Kashapov课题组[15]合成了一系列下缘有不同化学基团组成的氨基葡萄糖基间苯二酚杯[4]芳烃衍生物，这些具有生物相容性片段的大环化合物在水溶液中表现出自聚集的趋势，其自组装能力取决于下缘的结构。Kashapov教授提出，间苯二酚杯[4]芳烃的体外细胞毒性和抗菌活性的大小揭示了其生物学特性与聚集能力的关系。与下边缘有甲基的大环相比，含有磺酸基的间苯二酚杯[4]芳烃具有非常相似的抗菌性能，但溶血活性降低了6倍以上。在某些方面，这是第一个揭示了观察到的溶血和抗菌活性依赖于杯[4]芳烃结构的亲脂性的例子。图9为上缘含有N-甲基-[4]-氨基葡萄糖基的间苯二酚杯[4]芳烃衍生物的合成路径。
Figure 9. Resorcinol calix[4]arene derivatives containing N-methyl-[4]-glucosamine in the upper rim
图9. 上缘含有N-甲基-[4]-氨基葡萄糖基的间苯二酚杯[4]芳烃衍生物
Noruzi等[16]在2020年设计合成了一种新型叔丁基杯[4]芳烃，并进一步研究了杯[4]芳烃缩氨基硫脲及其金属衍生物(Co2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+)的抗菌、抗真菌、抗肿瘤和细胞毒性活性，结果表明配体及其金属衍生物具有相当大的抗菌活性(特别是对大肠杆菌：MIC和MBC = 31.25 g/mL)，包含配体(MIC = 31.25 g/mL和MBC = 125 g/mL)及其Co2+衍生物(MIC = 62.5 g/mL)的所有化合物都显示出对测试的癌细胞的细胞毒性。
2020年，Shumatbaeva等[17]首次报道了在间苯二酚杯[4]芳烃-mpeg偶联物胶体溶液中形成Ag-AgCl纳米颗粒的方法。该偶联物为还原银离子和稳定获得纳米粒子提供了功能位点；它对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌表现出抗菌活性，并且在研究的浓度范围内对正常的人类细胞没有细胞毒性。图10为间苯二酚杯[4]芳烃-mpeg偶联物的结构图。
Figure 10. Resorcinol calix[4]arene-mpeg conjugated compound
图10. 间苯二酚杯[4]芳烃-mpeg偶联物
Figure 11. The structure of calix[4]arene derivatives
图11. 杯[4]芳烃衍生物的结构
2022年，广州医科大学的刘寿平教授和林水木教授课题组[18]通过对抗菌肽的结构性质和生物学功能的仿生模拟，设计并合成了一系列杯[4]芳烃衍生物作为抗菌剂。在引入阳离子亲水性部分和初步结构优化后，他们得到了一种先导化合物16。进一步研究发现，该化合物对所有检测的革兰氏阳性菌株均表现出优异的抗菌活性、对哺乳动物细胞的低毒性和较差的溶血活性。抗菌机制研究表明，化合物16可以直接破坏细菌细胞膜的完整性，从而导致细菌细胞内容物泄漏死亡。这种膜活性作用模式可有效降低细菌耐药的可能性，为开发新的膜活性抗菌剂提供了新的设计思路。图11为杯[4]芳烃衍生物的结构，图12为对叔丁基杯[4]芳烃基拓扑模拟物的合成路径。
Figure 12. Synthesis of p-tert-butyl calix[4]arene topology simulator
图12. 对叔丁基杯[4]芳烃基拓扑模拟物的合成
3.2. 抗肿瘤活性
2006年Mayo的课题组[19]报道了一种具有抗肿瘤活性的非肽拓扑拟合物的设计，该拟合物有着类似杯[4]芳烃的支架并在结构的两侧加入了疏水性和碱性化学基团，该类化合物通过抑制肿瘤血管的生成和生长达到治疗癌症的效果。图13为非肽拓扑拟合物的分子结构。
Figure 13. The molecular structure of non-peptide topological analogue
图13. 非肽拓扑拟合物的分子结构
Figure 14. The molecular formulas of PTX008, PTX009 and PTX013
图14. PTX008、PTX009和PTX013的分子式
在此基础上，该课题组又在2013年对杯[4]芳烃基拓扑模拟物(PTX008和PTX009)的疏水性和亲水性表面进行了化学修饰，合成了新的杯芳烃化合物[20]。其中，PTX013，在抑制几个人类癌症细胞系以及耐药癌症细胞的生长方面特别有效，PTX013 (0.5 mg/Kg)对肿瘤生长的抑制作用是亲本PTX008的约50倍，进一步研究还发现，PTX013表现出良好的体内暴露和相对较长的半衰期。图14为PTX008、PTX009和PTX013的分子式。
Figure 15. The structure of 3a and its inhibitory activity on different tumor cells
图15. 3a的结构及其对不同肿瘤细胞的抑制活性
2016年，扬州大学颜朝国教授课题组[21]合成了一系列杯[4]芳烃聚羟基胺衍生物，并研究其潜在的抗肿瘤活性。其中，3a能有效诱导人卵巢癌细胞死亡：它不仅在降低SKOV3细胞侵袭性方面起到了巨大的作用，还可以通过上调SKOV3细胞中的Caspase-3、p53蛋白，导致细胞凋亡死亡。图15为3a的结构及其对不同肿瘤细胞的抑制活性数据。
Figure 16. The structure and modification sites of CLX-4
图16. CLX-4的结构及其修饰位点
2021年，徐州医科大学药学院的黄统辉教授课题组[22]发现了一种具有显著抗肿瘤作用的杯芳烃聚羟胺衍生物CLX-4，并在此基础上保留了杯[4]芳烃结构和酰胺活性基团，对其他进行修饰以提高其体外抗肿瘤活性。图16为CLX-4的结构及其两个修饰位点。
3.3. 其他生物活性
2006年，Cherenok等[23]通过对手性杯[4]芳烃磷酸钠进行非对映选择性加成，去除手性辅助基团、轻度脱烷基化后得到的手性杯[4]芳烃α-氨基膦酸11a对猪肾碱性磷酸酶的抑制活性显著增加，这也是第一个α-氨基膦酸型的碱性磷酸酶抑制剂。Cherenok认为，这在很大程度上取决于α-碳原子的绝对构型，酶-抑制剂相互作用的强度是由合作效应和手性抑制剂对结合位点周围手性空间的拟合程度决定的。图17为化合物11a的分子结构。
Figure 17. The molecular structure of 11a
图17. 11a的分子结构
Figure 18. The molecular structure of a series of calixarene antagonists
图18. 一系列杯芳烃拮抗剂的分子结构
2006年Hamilton的课题组[24]报道了一系列杯芳烃拮抗剂对血小板衍生生长因子(PDGF)的抑制作用。实验结果表明：a) 杯芳烃结构中的间苯二甲酸酯基团的数量对PDGF抑制效果有着明显的差异：杯芳烃与PDGF的结合亲和力随着间苯二甲酸酯基团增加而增加；b) 重氮杯芳烃结构中同样四取代杯芳烃抑制效果略大于三取代；c) 下边缘基团的改变降低了分子量同时也提高了溶解度和生物利用度。图18为一系列杯芳烃拮抗剂的分子结构。
2006年，Paquet等人[25]首次将抗真菌药物AmB通过共价键连接在杯[4]芳烃支架上，合成了第一个基于杯[4]芳烃支架的离子通道，可以作为跨膜孔模型的一个起点。该课题组合成的偶联物不仅对酿酒酵母的抑制能力像天然AmB一样高，而且还保留了诱导囊泡K+泄漏的能力。图19为抗真菌药物AmB通过共价键连接杯[4]芳烃示图。
Figure 19. Antifungal drug AmB connects calix[4]arene by covalent bond
图19. 抗真菌药物AmB通过共价键连接杯[4]芳烃
Chini等[26]于2010年设计了烷基和芳基和芳烃衍生物1~11并将其作为潜在的组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACi)，对它们的抑制活性给出了良好的预测。根据计算得到的抑制常数合成了五种烷基或芳基氨基衍生物(3、7、8、9和11)并进行了测试。实验结果与理论预测定性一致，证实了适当取代的芳胺基杯[4]芳烃是活性HDACi。图20为杯芳烃衍生物1~11的分子结构图。
Figure 20. The structure of calixarene derivative 1~11
图20. 杯芳烃衍生物1~11的结构
4. 结束语
概括前述，杯芳烃作为超分子大环主体可以与客体药物分子包合，经过包合和键合的药物分子的性质得到改善；且基于杯芳烃分子的无毒无害性及其灵活的骨架一直是该领域的研究热点，目的是得到具有抗癌、抗病毒、抗细菌、抗真菌、抗结核等活性的药物。酰胺、磺酰胺、胍、氨基酸、硫脲等已被验证具有抗病毒、抗菌和抗肿瘤等生物活性，所以研究含氮有机物修饰的杯芳烃衍生物的性能，无疑有着非常重要的意义。
NOTES
*通讯作者。