編者按
骨質(zhì)疏松是一種全身性骨代謝疾病，以骨量減少、骨組織微觀結(jié)構(gòu)破壞為特征，導(dǎo)致骨脆性和骨折風(fēng)險增加。隨著人口老齡化的加劇，骨質(zhì)疏松已成為全世界面臨的最嚴重、最普遍的健康問題之一。據(jù)統(tǒng)計，全世界約有2億人患骨質(zhì)疏松，給社會帶來了嚴重的經(jīng)濟負擔。目前，臨床上對骨質(zhì)疏松的治療策略主要包括鈣管理、維生素補充、雌激素受體調(diào)節(jié)、促進骨形成、抑制骨吸收及藥物防治等。然而，大多數(shù)靶向治療存在安全性問題，長期使用會引起中風(fēng)、肌肉骨骼疼痛、惡心、高血壓，甚至癌癥等。因此，亟需尋找高效、副作用小的新一代骨質(zhì)疏松藥物。
今天，我們特別回顧一項2023年2月由西北農(nóng)林科技大學(xué)高錦明教授團隊發(fā)表在 《Angewandte Chemie International Edition》（IF=16.1）上的研究成果，該研究首次揭示了從青海地區(qū)的高山苔蘚相關(guān)真菌中分離出的環(huán)狀骨架十元內(nèi)酯低聚體聚酮分子TricrilactonesA-H（1-8），并利用斑馬魚評估了化合物1-7的抗骨質(zhì)疏松作用及其機制，表明這些化合物均具有顯著的抗骨質(zhì)疏松作用，為尋找新型抗骨質(zhì)疏松藥物先導(dǎo)化合物奠定了理論基礎(chǔ)。該研究由環(huán)特生物提供斑馬魚技術(shù)服務(wù)。
文章題目
Tricrilactones A–H, Potent Antiosteoporosis Macrolides with Distinctive Ring Skeletons from Trichocladium crispatum, an Alpine Moss-Associated Fungus
雜志：Angewandte Chemie International Edition（IF=16.1）
發(fā)表時間：2023年2月21日
作者：韓文博副教授、翟怡杰、徐功教授、高錦明教授等
單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)等
圖1 圖形摘要
01、研究亮點
1. 新穎結(jié)構(gòu)化合物的發(fā)現(xiàn)：
研究首次揭示了青藏高原特殊環(huán)境真菌中一系列骨架新穎、結(jié)構(gòu)多樣的聚酮型十元內(nèi)酯低聚體，豐富了聚酮結(jié)構(gòu)類型，并為新型抗骨質(zhì)疏松藥物的研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)多樣的候選分子。研究中，十元內(nèi)酯低聚體聚酮類化合物（tricrilactones A–H）的分子具有多環(huán)骨架（如6/6/5/5環(huán)系），部分化合物還包含罕見的16元大環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)。
2. 利用斑馬魚直觀驗證了其顯著的抗骨質(zhì)疏松活性：
本研究通過斑馬魚模型，首次揭示了青藏高原特殊生境真菌中新型聚酮類代謝產(chǎn)物的抗骨質(zhì)疏松作用，驗證了tricrilactones G（化合物7）對地塞米松誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松表現(xiàn)出顯著治療效果，療效優(yōu)于臨床藥物阿侖膦酸鈉；通過調(diào)控堿性磷酸酶（ALP）和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）表達，重塑骨形成與骨吸收的動態(tài)平衡，激活骨發(fā)育相關(guān)基因（如sox9a和col2a1），促進軟骨與骨骼發(fā)育。
3. 生物合成途徑的解析：
該研究通過綜合應(yīng)用核磁共振、X-射線單晶衍射、量子化學(xué)計算、殘余偶極耦合(RDC)，以及不對稱合成等方法準確鑒定了該類化合物的結(jié)構(gòu)，提出了這些代謝產(chǎn)物的生物合成途徑。 該類化合物骨架可能通過聚酮合酶（PKS）催化形成，并通過氧化修飾及環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建多環(huán)體系，可能激發(fā)化學(xué)家合成中等大小的內(nèi)酯，開啟發(fā)現(xiàn)和表征更多的真菌大環(huán)化酶參與形成10元內(nèi)酯的一個有趣方向。
4. 明確該化合物后續(xù)研發(fā)潛力：
該研究不僅拓展了聚酮類天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣性，還為抗骨質(zhì)疏松藥物的開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)新穎、活性顯著的候選分子tricrilactones，為天然產(chǎn)物藥物研發(fā)提供了重要理論依據(jù)，同時凸顯了極端環(huán)境微生物資源在藥物發(fā)現(xiàn)中的獨特價值，該化合物的低毒性與高效性使其有望成為新一代治療藥物的先導(dǎo)化合物。
02、研究背景
骨質(zhì)疏松是一種全身性骨代謝疾病，以骨量減少、骨組織微觀結(jié)構(gòu)破壞為特征，導(dǎo)致骨脆性和骨折風(fēng)險增加。隨著人口老齡化的加劇，骨質(zhì)疏松已成為全世界面臨的最嚴重、最普遍的健康問題之一。據(jù)統(tǒng)計，全世界約有2億人患骨質(zhì)疏松，給社會帶來了嚴重的經(jīng)濟負擔。目前，臨床上對骨質(zhì)疏松的治療策略主要包括鈣管理、維生素補充、雌激素受體調(diào)節(jié)、促進骨形成、抑制骨吸收及藥物防治等。然而，大多數(shù)靶向治療存在安全性問題，長期使用會引起中風(fēng)、肌肉骨骼疼痛、惡心、高血壓，甚至癌癥等。因此，亟需尋找高效、副作用小的新一代骨質(zhì)疏松藥物。
大環(huán)內(nèi)酯類化合物，特別是中環(huán)內(nèi)酯類（8- 11元）由于其合成難度大和具有良好的生物活性，而不斷受到藥理學(xué)家和化學(xué)家的關(guān)注。其中，10元大環(huán)內(nèi)酯代表了一大群主要來源于真菌的次生代謝物，如decarestrictiines。然而，除了thiobiscephalosporolide A和cordycicadins A-D，從10元內(nèi)酯衍生的二聚體很少被發(fā)現(xiàn)。一些二聚體天然產(chǎn)物的藥用價值已通過市場上的藥物得到證實，如抗病毒鬼藻毒素、抗腫瘤的他司他汀和抗抑郁的金絲桃素。
本研究探究了一種以前未被探索的真菌物種——與高山苔蘚相關(guān)的Trichocladium crispatum，并從這種真菌（Trichocladium crispatum）中鑒定分離出5個獨特的環(huán)狀骨架新的10元大環(huán)內(nèi)酯，命名為TricrilactonesA-H（1-8）。化合物1和7包含兩個非常規(guī)的橋接（aza）三環(huán)核心骨架，2、3、5和6共享一個未描述的四環(huán)9/5/6/6環(huán)體系，4具有罕見的9/5/6/10/3融合的五環(huán)結(jié)構(gòu)，8是一個由罕見的C-C鍵橋連接的二聚體。
此外，研究人員還利用斑馬魚模型評估了化合物1-7的抗骨質(zhì)疏松作用及其作用機制。實驗結(jié)果表明，化合物1-7在0.4、2.0和10.0μM時均顯示出以劑量依賴的方式減輕骨質(zhì)疏松性斑馬魚的骨丟失，比陽性對照阿侖膦酸鹽更有效，與10.0μM時的阿侖膦酸鹽相比，化合物5和6在0.4μM時表現(xiàn)出最有效的治療效果，而且除化合物6外，其余化合物在20.0μM時均未顯示細胞毒性。
03、斑馬魚研究結(jié)果
由于斑馬魚和人類之間具有高度的基因和功能同源性，因此，斑馬魚已經(jīng)成為評估人類疾病的可靠脊椎模型。本研究利用斑馬魚骨質(zhì)疏松模型，評估化合物1–7對于地塞米松誘導(dǎo)的斑馬魚的抗骨質(zhì)疏松活性。
1. 化合物可減輕骨質(zhì)疏松斑馬魚的骨丟失
與對照組相比，化合物1-7在0.4、2.0和10.0μM時均能減輕骨質(zhì)疏松斑馬魚的骨丟失，且劑量呈依賴性。而且，與10.0 μM時的陽性藥阿侖膦酸鈉相比，化合物5和6在0.4 μM時表現(xiàn)出最有效的治療效果。
圖2
2. 斑馬魚實驗驗證化合物骨形成和骨吸收平衡作用
骨質(zhì)疏松癥往往體現(xiàn)在骨形成與骨吸收間的不平衡，通過評估堿性磷酸酶（ALP）、耐酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）這兩種分別反映骨形成、骨吸收的生物標志物數(shù)量，可以了解化合物（7）對斑馬魚抗骨質(zhì)疏松作用及其機制。
研究結(jié)果表明，tricrilactones G (7)可通過調(diào)節(jié)斑馬魚體內(nèi)堿性磷酸酶(ALP)和抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)的表達量，達到重塑骨形成和骨吸收平衡的作用。如圖所示，與對照組相比，地塞米松（DXM）可誘導(dǎo)ALP明顯降低，同時TRAP明顯升高，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。而且，化合物7治療顯著逆轉(zhuǎn)了ALP和TRAP的數(shù)量，具有與阿侖膦酸鈉相當?shù)恼{(diào)節(jié)作用，表明骨形成-吸收穩(wěn)態(tài)的恢復(fù)。
圖3
綜上所述，tricrilactones可以通過重塑骨形成和骨吸收之間的平衡，同時促進軟骨和骨骼的發(fā)育，從而改善骨質(zhì)疏松癥，但對骨質(zhì)疏松癥的治療效果仍有待進一步研究。
04、編者點評
本研究首次揭示了青藏高原特殊環(huán)境真菌中一系列骨架新穎、結(jié)構(gòu)多樣的聚酮型十元內(nèi)酯低聚體Tricrilactones A-H(1-8)，并利用斑馬魚模型評估了化合物1-7的抗骨質(zhì)疏松作用以及化合物7對斑馬魚抗骨質(zhì)疏松作用的機制，豐富了聚酮結(jié)構(gòu)類型，并為新型抗骨質(zhì)疏松藥物的研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)多樣的候選分子。
作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務(wù)開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，環(huán)特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”多維生物技術(shù)服務(wù)體系，開展健康美麗CRO服務(wù)、科研服務(wù)、智慧實驗室搭建三大業(yè)務(wù)。目前，環(huán)特已建立200多種斑馬魚模型，胃癌、腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養(yǎng)平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！