竹红菌素研究的进展
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【关键词】 竹红菌素；光敏作用；临床应用
竹红菌素(Hypocrellin)是在我国最早发现的一种新型光敏剂，它来自于自然界生物中，是目前已知的在可见光区内优良的光敏剂。这类化合物可经过普通生物合成途径产生，它们的结构具有立体化学的特征，表现出光动力学活性，具有显著的光疗作用，临床上已用来治疗皮肤病，如外阴白色病变和软化疤痕疙瘩。近年来，研究发现它具有优良的光敏杀伤肿瘤细胞和抑制艾滋病病毒HIV-1的作用，并且可作为新型的光活化农药和潜在的光电转换材料，研究和应用前景十分广阔。
1 竹红菌素的发现、分布、结构和性质
竹红菌素主要生长在我国云南西北部，是在海拔3 000～3 500 m高寒地区箭竹上生长的子囊菌纲肉座菌科（Hypocrellabambusae Sace）的真菌，我国首先发现并应用于临床治疗胃病和风湿性关节炎。1980年万象义，陈远藤[1]首次报道了一种新的光化学疗法药物-竹红菌甲素(HypocrellinA，简称HA)；1981年陈维新等[2]确定了竹红菌甲素的结构；1985年万象义等[3]从竹红菌中分离到竹红菌乙素(Hypocrellin B，简称HB)。张曼华等[4]用光谱方法鉴定了乙素的结构，梁丽等[5]用X-射线晶体衍射确定了它的结构：竹红菌中最重要的光敏成分是竹红菌甲素，同时也有少量的竹红菌乙素。竹红菌乙素相当于甲素失去一分子水，酸和碱催化都能使甲素转化为乙素。
据文献提到，竹红菌在全世界除斯里兰卡山区有报道发现以外，只有我国云南省西部产量最多。竹红菌甲素的纯品为红色晶体。熔点209℃～210℃，易溶于氯仿、吡啶、苯酮、二甲亚砜等有机溶剂中，难溶于水。其亲脂性使这种色素易于聚集在细胞膜上，竹红菌素的光谱特性，在二甲亚砜（DMSO）溶液中，其在可见光区均呈现三个吸收峰，波长为475、545、585 nm，它的吸收峰位不随浓度改变而位移，谱形亦无变化，只是吸收值随浓度的增加而增高，说明竹红菌素在高浓度下并不形成聚集态。竹红菌素和现在使用的血卟啉衍生物(HPD)相比具有许多优势，如原料易得，易纯化。不易聚集(聚集降低了HPD的光疗效果)、三重态氧量产率高，体内代谢快。对正常组织损伤小，文献报道竹红菌素及其一些衍生物能光敏损伤生物大分子(如DNA、蛋白质和脂类等)，表明竹红菌素有望用于光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)的临床冶疗。
2 竹红菌素研究的主要方向
2．1 生物学 探索竹红菌素对生物组织内蛋白质(包括氨基酸、多肽)、脂类、核酸(DNA、RNA)碱基等的光敏化机制，研究竹红菌素和生物物质反应的活性部位，了解竹红菌素对皮肤病和癌细胞的定位能力。
2．2 化学和光化学 从分子水平弄清竹红菌素主要成分的结构特征、物化性质、光敏特性和反应过程。通过对生物组织内活性物质的光动力作用研究，提出竹红菌素的光疗模式。结合热化学和光化学相辅相成的两个过程，造成对生物组织的影响，注意产物的光动力活性，进一步光敏造成对生物体的次级影响。
2．3 光疗应用 通过结构修饰改进，开发出新型药物和光敏化剂。为使药物易于达到生物体内的关键部位，在分子内引入极性基团，如一NH2、一COOH、一SO3H、一NO2等基团，改善竹红菌素本身的油脂性和水溶性比例，提高竹红菌素的吸光能力并使其吸收峰适当的位移。
2．4 药型 通过脂质体的包被或与单克隆抗体结合，以及使用其他导弹药物，使药物直达生物体内的靶体，从而提高疗效，消除不良反应。
3 竹红菌素的光敏活性及其光疗应用
自1975年我国云南省微生物所从云南西部山区采集到竹红菌子座，提取分离到竹红菌甲素，随后又分离到乙素。1981年罗子华等[6]研究了用竹红菌素软膏加光治疗外阴白色病变的组织变化。1982年梁睿媛等[7]用竹红菌素光化疗治肥厚性瘢痕。1985年王家壁等[8]用竹红菌素对原发性皮肤淀粉样变苔癣进行光化治疗。
1985年程龙生等[9]研究了竹红菌甲素对红细胞的光损伤，观察到红细胞在有HA存在并受光照时，膜蛋白-SH基含量迅速下降；膜蛋白氨基酸组分半胱氨酸、组氨酸、色氨酸的含量迅速下降；膜蛋白发生光交联；膜类脂多聚不饱和脂肪酸形成类脂过氧化物等化学变化。
1986年郑建华等[10]探讨了竹红菌甲素对红细胞膜光敏作用机理，说明HA对红细胞膜的光氧化机理涉及单重态氧和超氧阴离子，但也有可能是通过电子转移机理及其他的活化态氧在起作用。认为-SH基过氧化成-S-S-键可导致蛋白交联，膜类脂质过氧化不参与膜蛋白的交联；而蛋白质中的氨基酸残基对膜蛋白起重要作用。
1987年郭绳武等[11]的结果证明甲素接触到细胞并有一定晕的吸收后。主要集中在细胞膜和胞质中，膜的形态学上的改变是明显的，细胞膜是HA光动力靶体。HA的光动力敏化作用与可见光的波长密切相关，在460 nm以下波长的可见光不能明显激化HA的增敏效果。而在460～490 nm(恰好处于HA最大吸收475 nm的范围)波长的光就能使HA显示与全光照射同样的光敏效果(只是肩区稍有区别)。表明光能是HA本身所吸收，而不是被其所敏化的细胞内的生物物质所吸收。
1988年曹恩华等[12]对HA光敏作用所致的HeLa细胞DNA单链断裂进行了研究，发现细胞经γ射线和HA的光敏作用后，DNA产生单链断裂，细胞本身具有修复能力。当最初的单链断裂频率相等时，γ射线处理的细胞。其DNA单链断链重接能力高于光敏作用的细胞。细胞修复能力的差别表明了二种作用产生的单链断链的化学性质有重要差别。
1989年孙继山等[13]研究HA对红细胞膜上酶光敏失活作用。结果表明HA对Ca2+-Mg2+ATPase作用最强，HA还能引起膜蛋白巯基氧化，膜脂质过氧化，其中巯基氧化可能是ATPase光敏失活的主要原因，而脂质过氧化对ATPase的活力损伤作用不大。
1990年傅乃武等[14]用竹红菌素对小鼠红细胞膜的光氧化作用进行研究。认为竹红菌素在光激化下产生的氧自由基，对细胞膜产生光损伤，从而影响细胞的活动和功能，直至死亡，故细胞膜是HA光敏作用的一个靶部位。与此同时，杜健等[15]亦发现，由于细胞膜内含有丰富的不饱和脂肪酸，易受自由基的攻击发生过氧化作用而产生苯二醛(MDA)。苯二醛可交联蛋白质和磷脂的氨基生成Schiff氏碱，并伴有荧光的出现，使红细胞膜脆性增加，导致细胞膜损伤，通透性增加，K+释放增多，从而发生胶体渗透性溶血。1988年傅乃武等[16]用竹红菌甲素对培养的人癌细胞和小鼠移植实体肿瘤有明显的光动力治疗作用。1989年傅乃武和褚衍信[17]研究HA对癌细胞的光杀伤作用，在竹红菌甲素对肝癌细胞线粒体和微粒体的光动力效应中，发现线粒体和微粒体是HA的光动力作用的敏感靶体。
1990年伍振军等[18]研究了竹红菌甲素光敏反应机制，报道了HA的光敏反应中，原初反应产生了单重态氧（1O2）、超氧阴离子自由基(-O2)和H2O，在一些还原性底物(5-羟基色氨酸、色氨酸、蛋氨酸和赖氨酸等)的存在下，体系中形成的超氧阴离子大大增加，证明了体系中的单重态氧是通过三重态的竹红菌甲素和基态氧进行能量传递形成的；超氧阴离子自由基是体系中的甲素和基态氧进行单电子转移的结果，H2O是体系中的HA二价负离子还原基态氧的产物，在一些底物存在下，次级反应产生了羟基自由基(-OH)及一些有机自由基；HA光敏氧化一些生物基质的反应是1O2等活泼态氧和各种自由基反应综合的结果。
1994年，王家珍等[19]的HA对体外培养细胞光敏作用的试验，揭示了HA光敏化作用使细胞形态发生变化，细胞表面微绒毛丧失，细胞增殖受抑制，这些变化随光照剂量的增加而加剧，其中对肿瘤细胞的抑制作用较正常二倍体细胞更大，细胞群体中G1期细胞数目下降，S期细胞增多；同时，HA的光敏化作用还使胞质微管变稀疏。实验说明HA光敏作用对培养细胞的作用引起细胞膜、细胞骨架损伤，使细胞周期部分阻断在S期，从而抑制了细胞的增殖。
1995年许娜飞等[20]也证明了HA主要分布于细胞膜及胞浆中，只有少量的HA进入细胞核中。细胞在24 h内对HA的排出较快，24 h的排出量达50％，24 h后对HA的排出速度变慢、HA在不光照的条件下亦对细胞有毒性损伤作用，而HA吸收光后的光敏反应则对细胞有更强的杀伤作用、HA的光敏作用靶部位是细胞膜，而它引发的膜脂过氧化所产生的自由基和非自由基产物，特别是脂自由基的寿命较长和很高的反应活性，并能跨膜作用于DNA，可诱导DNA损伤，最终导致细胞死亡，通过测定光敏反应细胞脂质过氧化程度及其产物与细胞DNA形成的荧光产物，表明脂质过氧化在细胞DNA的损伤突变过程中起重要作用。证实了HA光敏反应对体外培养细胞具有诱变致突作用，能引起细胞DNA突变，并且此突变具有遗传稳定性。
1998年陈彬等[21]通过测定竹红菌素的单重态氧的时间分辨磷光光谱，提出竹红菌素的化学反应不仅来源于第一激发态氧分子，而且也来源于第二激发态氧分子。
陈彬认为：①竹红菌素光敏化时的主要产物为单重态氧而不是自由基；②激发波长对竹红菌素的单重态氧的产率几乎没有影响；③溶剂的可极化性对单重态氧量子产率没有影响；④竹红菌素是非常不良的单重态氧的淬灭剂；⑤经过化学修饰，竹红菌素将有可能成为一种良好的激化态氧分子敏化剂。
1999年何玉英等[22]，合成了一系列竹红菌乙素(HB)的衍生物，利用顺磁共振(EPR)和吸收光谱法研究了竹红菌乙素衍生物在缺氧条件下的光化学反应，发现在缺氧条件下，竹红菌乙素衍生物都能发生光诱导的电子转移反应，生成半醌负离子自由基，而它又是超氧阴离子自由基和羟基自由基的前体，在还原剂存在下，衍生物生成负离子自由基的能力大大增强。2000年时，何玉英等[23]发现在有氧情况下，竹红菌乙素衍生物的化学结构影响超氧阴离子自由基和羟基自由基的产生效率和单重态氧的量子效率。
2002年马岚[24]利用胚胎干细胞作为细胞模型进行痂囊腔菌素生物活性的研究，发现痂囊腔菌素。竹红菌素可通过特异地诱发肿瘤细胞凋亡而杀灭肿瘤细胞。表明竹红菌素具有显著的抗肿瘤生物活性，它们引起细胞凋亡的分子机制似乎是非活性氧所为。
4 竹红菌素的其他功效
竹红菌素除作为光动力药物外，还有下述用途：①HA可光敏杀灭革兰阳性细菌，对革兰阴性细菌无效；②HA的pKa=9．3，可作为弱酸的酸碱滴定指示剂和分析试剂；③竹红菌素有作为光敏氧化剂而可应用于光活化农药和光电转换材料上；④竹红菌素的荧光光谱明显受环境影响且有一定规律，因而可用于研究生物大分子环境和诊断癌组织的荧光探针。
5 结论与展望
竹红菌素是一种新型的光疗光敏剂，包括竹红菌甲素(HA)和竹红菌乙素(HB)。竹红菌素的光敏化作用可引起细胞膜蛋白交联、膜脂过氧化、膜流动性改变，诱导细胞内的生物大分子(DNA、蛋白质、脂类等)损伤和引起酶的失活，并导致细胞骨架的损伤，使细胞周期部分阻断于S期，因而对细胞具有明显的杀伤作用。它和现在使用的血卟啉衍生物相比具有原料易得、易纯化、不易聚集、三重态氧量产率高、体内代谢快、对正常组织损伤小等优势。临床上已用来治疗皮肤病。近年来发现竹红菌素及其一些衍生物具有光敏杀伤肿瘤细胞和抑制艾滋病病毒HIV-l的作用，并且可作为新型的光活化农药和潜在的光电转换材料，但是，竹红菌素都是脂溶性物质，在光疗窗口(600～900 nm)的吸收能力不够强，影响了其临床上的应用。为改善竹红菌素本身油脂性和水溶性比例，提高竹红菌素吸光能力并使其吸收峰适当的位移，探索其临床应用的能力。目前通过对竹红菌素进行化学修饰，合成了许多HA和HB的衍生物，对它们的光化学光动力的研究正在进行中。相信在不久的将来就能广泛应用于抗肿瘤、杀灭病毒的光动力疗法(PDT)临床治疗，以及应用于新型生物农药和光电转换材料之中。
参考文献
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