葫芦素作为多靶点药理学调节剂：化学结构、生物合成、分子靶点、调控性细胞死亡及转化挑战，重点聚焦葫芦素B与葫芦素I

《Biochemical Pharmacology》：Cucurbitacins as multitarget pharmacological modulators: chemistry, biosynthesis, molecular targets, regulated cell death, and translational challenges, with emphasis on cucurbitacin B and I

　　

摘要：葫芦素是一类高度氧化的四环三萜类化合物，具有依赖背景的药理作用。本综述主要聚焦于葫芦素B（CuB）和葫芦素I（CuI）——家族中研究最为深入的成员——同时考察整个葫芦素家族的更广泛结构多样性。我们将其化学性质、生物合成以及构效关系与分子靶点结合的结构解释及转化可行性进行了整合。我们重点阐述亲电性α,β-不饱和酮、C-17侧链、乙酰化及糖基化如何影响其效力与选择性。在机制层面，我们评估了间酪氨酸激酶2/信号转导及转录激活因子3（JAK2/STAT3）信号通路、涉及溶质载体家族7成员11（SLC7A11）与谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的铁死亡、PTEN诱导的激酶1–泛素化蛋白依赖性线粒体自噬、胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白1（IGF2BP1）的变构调节，以及NOD样受体家族吡啉结构域相关蛋白3（NLRP3）炎性小体抑制作用。我们讨论了抗炎与保肝作用、肿瘤相关巨噬细胞的重极化，以及对免疫检查点阻断的增敏作用。实验测定的蛋白质结构为所提出的共价结合与变构相互作用提供了依据，但这些模型仍需要直接的靶点验证与生物标志物。我们区分了化合物特异性的发现与家族层面的推论。相关效应可能随化合物、剂量和疾病背景而异。通过将上述通路与冬瓜基因组资源及合成生物学方法相联系，我们探讨了葫芦素可持续生产的机会。然而，水溶性低、清除迅速、肝毒性及治疗窗狭窄等因素制约了其临床转化。我们评估了纳米颗粒制剂、固体分散体和基于结构的类似物开发等可能的解决方案。与以葫芦素B为中心的综述不同，本综述在结构药理学、受调控的细胞死亡、免疫调节和生物合成工程之间进行了整合，并构建了一条优先强调靶点验证、生物标志物和临床前评估的研究路线图。

引言：葫芦素是植物三萜类化合物中药理学意义最为重大的类别之一。自20世纪50年代从葫芦科植物中首次分离以来，经过七十多年的深入研究，其已确立为具有广泛治疗潜力的高效活性天然产物地位 [1]。葫芦科植物约含95个属、965种，包括黄瓜（Cucumis sativus）、甜瓜（Cucumis melo）、西瓜（Citrullus lanatus）、南瓜（Cucurbita pepo）、苦瓜（Momordica charantia）和冬瓜（Benincasa hispida）[2]。目前已鉴定出200多种葫芦素，并被分为A至T十二个结构组，其中葫芦素B、D、E和I研究最为广泛 [1]。药用植物——包括葫芦科植物在内——是结构多样且具有药理学活性的天然产物取之不竭的来源，而持续对这类植物进行植物化学探索仍然是获得新治疗先导化合物最富成效的途径之一。

冬瓜（又称寒瓜、白瓜）已在亚洲栽培超过4000年，在中医药（TCM）、阿育吠陀及东南亚传统医学体系中占据重要地位 [3]。在中医中，冬瓜性味甘、淡、凉，归肺、脾、膀胱经 [4]。其干燥外果皮（冬瓜皮）尤受重视，具有利尿、抗炎和解热功效。果肉被用作热病时的清热食物，而种子则作为驱虫药使用。近期的药理学研究为许多传统用途提供了科学验证。Singh等 [5] 通过整合转录组学与蛋白质组学分析证明，冬瓜的醇水提取物可恢复糖尿病小鼠肾脏的结构与功能完整性，并揭示其对PI3K/Akt、AMPK和PPARγ信号通路的调节作用。Kaewmeesri等 [6] 报道葫芦素B通过靶向Src蛋白表现出对胆管癌细胞抗转移活性。Yang等 [7] 证明葫芦素B通过SLC7A11/线粒体氧化应激通路在口腔白斑中诱导铁死亡。从营养学角度看，含葫芦素的葫芦科果实也是受重视的食物：未成熟的冬瓜果实是一种低热量、高水分的蔬菜，富含膳食纤维、矿物质和维生素；葫芦素——连同伴随的黄酮类、酚酸和多糖——构成了许多亚洲国家传统饮食的一部分，摄入这些苦味三萜类化合物被认为有助于葫芦果实所具有的化学预防和促进健康的作用。

冬瓜的经济重要性超出了其药用应用范畴。仅在中国，冬瓜年产量就超过1500万吨，是产量最高的五种蔬菜作物之一 [8]。该作物表现出极端的表型可塑性，果实大小从约1千克的小品种到长度超过80厘米、重量超过20千克的巨型品种不等，是蔬菜作物中最大的果实之一 [9]。该作物对多种环境条件的适应性、对多种病害的抗性以及在适当条件下长达12个月的采后储存寿命，共同赋予其农业意义 [10]。

本综述旨在对目前关于葫芦素和冬瓜药用化合物的知识进行一次全面、整合的综合阐述，涵盖植物化学、药理学、生物合成、基因组学和合成生物学。具体目标包括：(1) 汇总葫芦素的结构多样性及植物化学性质；(2) 阐明从甲羟戊酸途径经CYP介导修饰的完整生物合成途径；(3) 批判性评估葫芦素的分子药理机制，包括铁死亡和免疫调节方面的最新发现，重点强调靶点结合的结构与分子细节；(4) 分析指导合理药物设计的构效关系；(5) 考察使葫芦素发现与工程化成为可能的冬瓜基因组资源；(6) 评估可持续生产的合成生物学方法；(7) 评估临床转化挑战和制剂策略。本综述共分九个部分，包括引言、植物化学、生物合成、药理学、冬瓜基因组、合成生物学、临床转化、未来展望和结论。已有数篇近期综述全面总结了葫芦素B的药理学和化学性质 [71]、[72]；为避免重复，本综述围绕其独特贡献进行了刻意安排——(i) 对共价结合与变构靶点结合的整合、基于结构的分析；(ii) 跨家族的机制汇聚，将铁死亡、线粒体自噬、IGF2BP1变构、炎性小体调节和免疫代谢联系起来；(iii) 葫芦素生物合成与冬瓜基因组和转化开发的接口。

章节片段

结构分类与多样性：葫芦素以葫芦烷骨架为特征，该骨架源自lanostane支架的19(10→9β)-abeo重排。该重排形成一个特征性的环戊烷并四氢菲环系统，其中原本位于C-10的甲基移至C-9，从而产生独特的葫芦烷骨架 [1]。基本骨架含30个碳原子，但由于各位置的氧化脱甲基化而产生29碳衍生物。

甲羟戊酸途径与萜类前体供应：葫芦素的生物合成起源于甲羟戊酸（MVA）途径，该途径提供通用的三萜前体异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）[14]。该途径以硫解酶催化的两个乙酰辅酶A分子缩合形成乙酰乙酰辅酶A开始，随后由HMG-CoA合酶加入第三个乙酰辅酶A，产生3-羟基-3-甲基戊二酸辅酶A（HMG-CoA）。整个途径的限速酶HMG-CoA……

抗癌活性：分子靶点与结构基础：葫芦素通过涉及关键信号通路调控的多靶点机制发挥抗癌作用。借助结构生物学数据的整合，这种多靶点药理学现在可以在原子分辨率下得到理解。蛋白质晶体学和冷冻电子显微镜的最新进展阐明了若干葫芦素主要靶点的三维结构，使得对药物–靶点相互作用进行详细分析成为可能。

冬瓜基因组与生物合成潜力：冬瓜基因组（Benincasa hispida）为理解葫芦素生物合成和工程化提供了基础性资源。该基因组已在染色体水平组装，总大小约925 Mb，注释了37,239个蛋白编码基因 [9]。该基因组编码23个OSC基因、312个CYP基因和165个UGT基因——远多于其他已测序的葫芦科基因组——为三萜类化合物多样化提供了出色的生物合成工具包。比较基因组……

合成生物学与代谢工程：合成生物学方法为葫芦素生产提供了变革性潜力，解决了植物提取的低产率、季节波动和资源密集型纯化等限制 [52]。通过在酿酒酵母中工程化MVA途径，已成功实现葫芦素前体的异源生产 [60]、[61]。过表达截短的HMGR（tHMGR）和UPC2-1转录因子突变体提高了角鲨烯和2,3-氧角鲨烯的生产……

临床转化：挑战与制剂策略：尽管葫芦素的抗癌活性具有令人信服的临床前证据，其临床转化却受到多种药学挑战的阻碍：(1) 水溶性差限制了口服生物利用度；(2) 全身清除迅速，血浆半衰期短；(3) 剂量限制性的肝毒性和胃肠道毒性；(4) 治疗窗狭窄，需要精确的剂量优化；(5) 对正常增殖细胞的非特异性细胞毒性 [54]、[71]、[72]（图8）。

未来展望与战略路线图：来自冬瓜的基因组资源、先进的合成生物学工具、来自PDB的结构生物学数据以及对葫芦素药理学的深入理解相互汇聚，使本领域具备实现变革性进展的条件。我们提出一条战略路线图，包含未来研究的五个优先方向：(1) 多组学整合用于途径发现：共表达网络分析、基因簇分析、代谢组全基因组关联研究（mGWAS）以及比较转录组学。

结论：葫芦素是一类在结构和药理学上均引人注目的植物三萜化合物，在肿瘤学、炎症、代谢性疾病和肝病方面具有重要的治疗潜力。七十多年的研究已确立其强大的生物活性，通过经典的JAK/STAT3、PI3K/AKT/mTOR和NF-κB信号通路介导。近期的进展极大地拓展了这一机制图谱：通过STAT3/SLC7A11/GPX4诱导铁死亡……

伦理审批与参与同意：不适用。本综述完全基于已发表的研究，不涉及任何新的数据收集或实验；因此无需伦理审批。

发表同意：不适用。

资助：无可用资助。

未引用参考文献：[26]、[28]、[29]、[30]、[31]、[34]、[53]、[62]、[63]、[64]、[65]、[67]、[68]、[70]。

利益冲突声明：作者声明以下可能被视作潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Qiancheng Mao报告统计分析由中山大学提供。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢：不适用。

Suyun Li | Tianhe Fang | Qiancheng Mao