鬼臼毒素類新藥的研發(fā)思路

許曉輝，孫陶利，許莉莉，朱玉婷

鬼臼毒素類新藥的研發(fā)思路

許曉輝，孫陶利，許莉莉，朱玉婷

鬼臼毒素是有一定藥效活性的環(huán)木脂內(nèi)酯，具有抗腫瘤、抗病毒、抗風濕、殺蟲等活性。其中，抗腫瘤活性最引人關注，常常作為研究開發(fā)抗腫瘤藥物的先導化合物。但鬼臼毒素水溶性差、易產(chǎn)生多藥耐藥性和毒性較強等缺點限制了它的臨床應用，因此通過結(jié)構(gòu)修飾尋找高效低毒的鬼臼毒素衍生物是鬼臼毒素類化合物研究的重點。本文介紹鬼臼毒素衍生物的藥效團模型、構(gòu)效關系模型以及當前對鬼臼毒素進行結(jié)構(gòu)修飾的研究思路。

鬼臼毒素；藥效團；定量構(gòu)效關系

鬼臼毒素（圖1-1）是一種存在于小檗科的八角蓮屬、鬼臼屬和山荷葉屬等多種植物中具有一定藥效活性的環(huán)木脂內(nèi)酯化合物。在我國，蘊含鬼臼毒素類的植物多集中于青海、甘肅、西藏、四川等地［1-4］。研究發(fā)現(xiàn)，鬼臼毒素類衍生物能夠抑制免疫、抗炎以及治療瘧疾、牛皮癬和重癥肌無力等癥。同時，鬼臼毒素能夠使腫瘤細胞周期停留在G2／M期，抑制細胞中期的有絲分裂，對小細胞肺癌、睪丸癌、白細胞癌、淋巴肉瘤、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、霍奇金淋巴瘤等多種腫瘤有特殊療效［5-9］。但是鬼臼毒素母體化合物存在一些缺點使它的臨床應用受到限制，比如水溶性差、不良反應多、易產(chǎn)生耐藥性，為了得到活性優(yōu)良的鬼臼毒素類藥物，研究者以鬼臼毒素母體化合物為先導化合物對鬼臼毒素進行結(jié)構(gòu)修飾改造，合成了眾多的鬼臼毒素類衍生物，通過對這些衍生物的抗腫瘤活性進行篩選，得到了一些相對母體鬼臼毒素活性有很大改善的藥物。

1 臨床上應用的鬼臼毒素類抗腫瘤藥物

目前，臨床上應用的鬼臼毒素類抗腫瘤藥物主要有依托泊苷（圖1-2）、替尼泊苷（圖1-3）及依托泊苷磷酸鹽（圖1-4）等，后續(xù)開發(fā)的具有潛在抗腫瘤活性并有望成為新藥的有GL-311（圖1-5）、F 11782（圖1-6）、F14512（圖1-7）、TOP-53（圖1-8）、NPF（圖1-9）等。其中，GL-311克服了多種腫瘤細胞對依托泊苷的耐藥性，對多耐藥性的癌細胞也有很好的活性；F 11782是一種含有全氟苯酚結(jié)構(gòu)的表鬼臼毒素衍生物，現(xiàn)處于臨床Ⅱ期試驗中［10-11］；F14512是拓撲異構(gòu)酶Ⅱ（topoisomeraseⅡ，TopoⅡ）抑制劑，于2009年9月進入了臨床Ⅰ期試驗［12-13］；TOP-53、NPF已經(jīng)進入臨床Ⅱ期試驗。

圖1 鬼臼毒素類抗腫瘤藥物的結(jié)構(gòu)

2 鬼臼毒素類抗腫瘤藥物的作用機制

人們對鬼臼毒素的抗腫瘤作用進行了研究，在構(gòu)效關系、作用機制方面取得了一些進展，并已經(jīng)深入到分子水平。鬼臼毒素類衍生物能夠與微管蛋白結(jié)合，導致微管不能聚合，進而導致染色體在復制以后不能分離，促使細胞分裂停止在G2／M期，誘發(fā)細胞凋亡。鬼臼毒素衍生物還能抑制細胞對胸腺嘧啶T、尿嘧啶U、腺嘌呤A、鳥嘌呤G等核苷酸的攝取，阻礙細胞DNA、RNA以及蛋白質(zhì)的合成，引起細胞凋亡。鬼臼毒素類衍生物能夠捕獲TopoⅡ引起的DNA斷裂復合物，形成DNA-TopoⅡ-Drug三重穩(wěn)定復合物，導致DNA不能正常重組，激活致死性蛋白酶的表達。研究發(fā)現(xiàn)，在生物體內(nèi)，依托泊苷E環(huán)酚羥基在體內(nèi)通過生物氧化反應生成一種半醌酮式的自由基中間體。這種半醌酮式的自由基中間體能夠產(chǎn)生自由基與DNA形成配合物致使DNA斷裂而使DNA失活。同時，半醌酮式的自由基還能與細胞色素P450形成鄰苯二酚衍生物，鄰苯二酚衍生物進一步氧化成鄰苯二醌衍生物。這種鄰苯二酚和鄰苯二醌的衍生物形成自由基或以醌的形式與小牛胸腺DNA進行結(jié)合，引起DNA斷裂，其作用機制見圖2［14］。

圖2 依托泊苷的鄰苯醌自由基作用機制

3 鬼臼毒素結(jié)構(gòu)修飾的理論依據(jù)

鬼臼毒素類化合物的抗腫瘤機制主要有2種，一是抑制微管組裝，二是抑制TopoⅡ的活性。TopoⅡ是鬼臼毒素類化合物作用的靶點［15］，通過對大量鬼臼毒素類衍生物構(gòu)效關系的研究表明，C-4′位保留甲氧基的鬼臼毒素衍生物主要作用微管而抑制細胞的有絲分裂，使細胞周期停留在G2／M期，阻止微管蛋白形成微管；C-4′保留羥基的鬼臼毒素衍生物則是通過與TopoⅡ相互作用，使細胞周期停留在G期。此外，具有鄰醌特性的鬼臼毒素衍生物，能導致自由基的形成，引起細胞DNA斷裂。MacDonold等［16］通過分子模擬研究對嵌入式和非嵌入式的TopoⅡ抑制劑提出了一種通用的模式。該模式指出鬼臼毒素衍生物若要具有良好的DNA-TopoⅡ抑制活性必須具備3個藥效團結(jié)構(gòu)，即能與DNA最小凹槽鍵合點作用部分、DNA的插入部分、能夠容納不同結(jié)構(gòu)的取代基的分子區(qū)域，其模型見圖3［16］。該模型為藥物化學家對鬼臼毒素母體進行修飾提供了理論依據(jù)，為進一步尋找鬼臼毒素類抗腫瘤藥物具有重要指導意義。

圖3 鬼臼毒素衍生物對DNA-TopoⅡ抑制活性的藥效團模型

4 鬼臼毒素衍生物的構(gòu)效關系模型

鬼臼毒素類先導化合物在結(jié)構(gòu)上都是2，3-丁內(nèi)酯-1-芳基四氫萘的母核，共存在5個環(huán)，其中A、B、C、D 4個環(huán)形成的平面剛性結(jié)構(gòu)，是DNA分子嵌入的重要功能區(qū)。為了尋找更加高效低毒的衍生物，研究者在盡可能保持其剛性結(jié)構(gòu)的前提下，進行了大量的結(jié)構(gòu)修飾工作。通過對上百個化合物運用構(gòu)效關系、定量構(gòu)效關系以及三維構(gòu)效關系技術(shù)對其構(gòu)效關系進行深入研究，結(jié)果表明鬼臼毒素類化合物要保持良好的抗腫瘤活性必須具備以下結(jié)構(gòu)：①鬼臼毒素C-4位取代基保持4β構(gòu)型；②C-4′位游離的酚羥基；③反式的內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)；④鬼臼毒素A環(huán)中的二氧亞甲基；⑤可以自由旋轉(zhuǎn)的E環(huán)。其結(jié)構(gòu)的A、B、C、D、E環(huán)的分子骨架藥效結(jié)構(gòu)可概括在圖4中［17］。

圖4 鬼臼毒素及衍生物構(gòu)效關系模型

5 鬼臼毒素結(jié)構(gòu)修飾的研究思路

對鬼臼毒素的結(jié)構(gòu)修飾位置有母核A、C、D、E環(huán)，主要集中于C環(huán)的C-4位和E環(huán)的C-4′位。鬼臼毒素C-4位的修飾有很多策略，主要有在C-4位的羥基通過酯連接其他小分子化合物，有通過對氧原子進行電子等排體（CH2、S、NH、Se）取代修飾的，有在C-4位胺基化成雜環(huán)并連接其他小分子化合物進行修飾的。近年來的修飾主要集中在C-4位胺的取代以及在C-4或者C-4′偶聯(lián)其他抗腫瘤藥物，形成拼合物的修飾策略。目前，已經(jīng)合成的拼合物有與偏端霉素的拼合物［18］、與喜樹堿的拼合物［19］、與紫杉醇的拼合物［20］、與嘧啶的拼合物［21-22］、與秋水仙堿的拼合物［23］、與長春瑞濱的拼合物［24］、與聚合物的拼合物［25］、與非甾體類消炎藥的拼合物［26］等。Liu等［27-29］以不同的鏈接基合成了一系列順鉑-鬼臼毒素類拼合物、氟尿嘧啶-鬼臼毒素類拼合物，氮氧自由基-鬼臼毒素類拼合物，活性篩選發(fā)現(xiàn)、拼合物都表現(xiàn)出比原有母體高的抗腫瘤活性。

除了對鬼臼毒素母體結(jié)構(gòu)從C-4位進行結(jié)構(gòu)修飾和優(yōu)化之外，也對其從C-4′位進行了大量的修飾工作。研究發(fā)現(xiàn)，C-4′位酚羥基若被烷基、?；〈锘钚猿霈F(xiàn)下降；但是當封閉的C-4′酚羥基能夠在體內(nèi)游離暴露出來，有利于其氧化生成鄰醌類衍生物，抗腫瘤活性增強。因此，C-4′位的修飾首先要利于C-4′-鬼臼毒素衍生物的C-4′酚羥基與靶標相互作用時，能夠徹底暴露出來。C-4′進行修飾工作時，在C-4′位形成容易斷裂的酯鍵、酰胺鍵為常見的修飾策略。

6 展望

目前，隨著研究者對鬼臼毒素類藥物抗腫瘤機制研究不斷深入，構(gòu)效關系不斷揭示，為鬼臼毒素類新藥從結(jié)構(gòu)修飾上到藥理活性篩選上都指明了一定的方向。以已經(jīng)揭明的構(gòu)效關系模型，通過合理的修飾設計，改變母體化合物的空間藥效結(jié)構(gòu)，改善母體化合物的低溶解性、化學穩(wěn)定性，增加目標化合物在體內(nèi)的滲透性、生物利用度，并以鬼臼毒素類衍生物的作用機制為依據(jù)設計合適的藥理實驗，篩選出具有潛在活性的藥物。這些為進一步尋找高效低毒、結(jié)構(gòu)新穎且利于與靶標結(jié)合的前體藥物打好基礎，為進一步研發(fā)鬼臼毒素類新藥提供指導。

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Study on the development of podophyllotoxin related new drugs XU Xiaohui1，SUN Taoli2，XU Lili1，ZHU Yuting3

（1.Pingliang Centre for Drug Inspection，Pingliang Gansu 744000，China；
2.The Basical Department of Medicine，Xiangnan University，Chenzhou Hunan 423000，China；3.People′s Hospital of Hanzhong，Hanzhong Shanxi723000，China）

Podophyllotoxin is cyclolignolide thathas some pharmacological activities，and it is known to have various functions and bioactivities such as antitumor，antivirus，anti-rheumatism and insecticide.Among them，the antitumor activity of podophyllotoxin is widely noted，so that it is taken as a lead compound in drug discovery of anticancer.However，there are some drawbacks，for example poor water solubility，easy to producemultidrug resistance and strong toxicity，these all limit its clinical application.So the focus of research is to find efficient and low toxicity of podophyllotoxin derivatives through the structuremodification.This paper introduces the pharmacophore model and quantitative structure activity relationships（QSAR）model of podophyllotoxin，and the research approach about its structuremodification.

Podophyllotoxins；Pharmacophore；Quantitative structure activity relationships（QSAR）

R914.5

A

2095-3097（2014）03-0162-04

10.3969／j.issn.2095-3097.2014.03.010

2014-02-23 本文編輯：張在文）

744000甘肅平?jīng)觯經(jīng)鍪兴幤窓z驗檢測中心（許曉輝，許莉莉）；423000湖南郴州，湘南學院基礎醫(yī)學部（孫陶利）；723000陜西漢中，漢中市人民醫(yī)院（朱玉婷）