鬼臼毒素C-4β位N連接衍生物的研究進(jìn)展

張志華

（遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧錦州121001）

鬼臼毒素C-4β位N連接衍生物的研究進(jìn)展

張志華

（遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧錦州121001）

以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，綜述鬼臼毒素的C-4β位N連接衍生物的作用機(jī)制、合成方法、修飾手段，為該類化合物的設(shè)計(jì)和合成提供理論依據(jù)。

鬼臼毒素；C-4β位；N連接衍生物；機(jī)制；合成；修飾

鬼臼毒素（podophyllotoxin，1）是芳基四氫化萘類木脂素，可從鬼臼類植物Podophyllum peltatum L、P.emodi W、P.pleianthum H［1］及柏松屬植物Callitrus drurnrnondii［2］中分離得到，對(duì)多種腫瘤具有抑制作用，但因其毒性較大，水溶性差，限制了在臨床上的應(yīng)用，一般制成酊劑和膏劑用于尖銳濕疣等皮膚病的治療。為增加鬼臼毒素在臨床上的應(yīng)用價(jià)值，人們圍繞著藥物水溶性提高、細(xì)胞毒性降低以及耐藥性腫瘤治療等方面開(kāi)展了大量研究工作。目前，環(huán)A～E及木脂體的骨架結(jié)構(gòu)均被成功修飾過(guò)［3-7］，其中最成功的例子就是在C-4位進(jìn)行了糖基化修飾的依托泊苷（etoposide，2）、替尼泊苷（teniposide，3）以及其水溶性前藥 （etopophos，4），它們?cè)谂R床上均可用于治療小細(xì)胞肺癌等多種惡性腫瘤［8-9］。

鬼臼毒素及其衍生物的構(gòu)效關(guān)系研究顯示，其分子中由3～4個(gè)環(huán)組成的稠環(huán)平面剛性結(jié)構(gòu)、反式內(nèi)酯環(huán)、E環(huán)中的C-4'酚羥基為抗腫瘤活性的基本部位［10-11］，其中C-4β位是母核結(jié)構(gòu)上一個(gè)很關(guān)鍵的手性部分，許多化學(xué)反應(yīng)都易在此部位發(fā)生并影響構(gòu)型，該位置碳氧為β-構(gòu)型，若變?yōu)棣?構(gòu)型則抗腫瘤活性顯著降低［12］。此外，化合物2中4β位上的糖基是非必要基團(tuán)，除去它不影響 （結(jié)合）藥物的活性和專一性［13］。而且，體外抗腫瘤篩選實(shí)驗(yàn)表明，N-取代衍生物的活性普遍高于其它鏈接原子 （S、O、Se）取代［14-15］，如化合物NPF（5）、GL-331（6），其中6已進(jìn)入臨床Ⅱ期研究［16］。

本文將對(duì)近年來(lái)鬼臼毒素C-4β位N連接衍生物的作用機(jī)制、合成方法、修飾手段等方面進(jìn)行了總結(jié)。

1 C-4β位N連接鬼臼毒素衍生物的抗腫瘤作用機(jī)制

1.1 作用于拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ 拓?fù)洚悩?gòu)酶控制著DNA結(jié)構(gòu)的變化，能將磷酸二酯鍵打開(kāi)或使其形成，從而控制DNA的拓?fù)錉顟B(tài)。同時(shí)，拓?fù)洚悩?gòu)酶II催化DNA雙鏈的打開(kāi)，在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、染色體的濃縮過(guò)程中起著關(guān)鍵作用［17-18］。C-4β位N連接的鬼臼毒素 （如二芳基取代脲類衍生物［4］）能結(jié)合拓?fù)洚悩?gòu)酶II及DNA，從而形成穩(wěn)定的三元復(fù)合物，阻止酶和DNA的分離，使DNA難以在切口處重新連接，最終引起細(xì)胞形態(tài)上的變化和凋亡。Xiao等［19］采用kDNA解鏈法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C-4β-N-三羥甲基甲胺取代的鬼臼毒素濃度為10μM時(shí)，能明顯降低拓?fù)洚悩?gòu)酶對(duì)DNA的松弛活性。

1.2 作用于微管蛋白 微管主要由α微管蛋白 （α-tubulin）和β微管蛋白 （β-tubulin）聚合而成，它是真核細(xì)胞骨架的重要組成，與細(xì)胞的形態(tài)、運(yùn)動(dòng)性、細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)［11，20］。此外，它還在細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中起著極其重要的作用，在細(xì)胞有絲分裂前期，微管聚合成為紡錘體結(jié)構(gòu)，牽引染色體分別向細(xì)胞兩極移動(dòng)，進(jìn)入到兩個(gè)子細(xì)胞中，完成細(xì)胞增殖［21］。鬼臼毒素類衍生物能結(jié)合到微管蛋白的秋水仙素結(jié)合位點(diǎn)而導(dǎo)致其變形，之后進(jìn)一步破壞其組裝和解聚之間的動(dòng)態(tài)平衡，誘導(dǎo)細(xì)胞的中期分裂（G2/M stage）靜息。Liu等［22］報(bào)道，合成的鉑和鬼臼結(jié)合的化合物 （7和8）能通過(guò)抑制微管蛋白形成而導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡，并且具有裂解DNA的作用。Liu等［23］將微管蛋白用羅丹紅染色后，明顯觀察到在C-4β位N連接鬼臼毒素衍生物 （9）的作用下，微管由細(xì)長(zhǎng)的形態(tài)變?yōu)槎檀?（化合物1～9的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）。

2 C-4β位N連接的鬼臼毒素的合成方法

以鬼臼毒素為原料，可直接得到氨基取代衍生物，或先合成 C-4β-氨基鬼臼毒素，再進(jìn)一步與酰氯［4-6，13-14，24］、羧酸［22，25］、 異硫氰酸鹽［16］、 醛［14，26］等反應(yīng)， 合成的主要方法如下。

2.1 鬼臼毒素與疊氮化鈉作用，經(jīng)疊氮化、疊氮還原立體選擇性的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，得到氨基產(chǎn)物［27-29］，或在Cu2SO4· 5H2O和抗壞血酸鈉催化下，與炔丙醇生成4β-1，2，3-苯三唑鬼臼毒素類衍生物［23］，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖2。

2.2 鬼臼毒素在60%的甲磺酸鹽和三氧化鋁作用下，與氯乙腈經(jīng)Ritter反應(yīng)，立體選擇性地生成4β-氯酰氨基鬼臼毒素，然后用硫脲和乙酸處理，再經(jīng)酰胺鍵水解，得到 氨基產(chǎn)物［16］，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖1 化合物1～9的具體結(jié)構(gòu)

圖2 具體反應(yīng)過(guò)程（2.1）

圖3 具體反應(yīng)過(guò)程（2.2）

2.3 鬼臼毒素在NaI或NaBr作用下，立體選擇性地轉(zhuǎn)化為鹵化物，再經(jīng)一系列胺類化合物的親核取代反應(yīng)，得到最終產(chǎn)物［30-31］，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 具體反應(yīng)過(guò)程（2.3）

2.4 Tang等［32］報(bào)道，用微生物Alternaria alternata S-f6將 4'-去甲基鬼臼苦酮與川芎嗪直接發(fā)生轉(zhuǎn)氨反應(yīng)，得到4-TMP-DMEP，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖5。 MCF-7細(xì)胞的作用均高于鬼臼毒素和芪類化合物，說(shuō)明兩者產(chǎn)生了協(xié)同效果［25］。

圖5 具體反應(yīng)過(guò)程（2.4）

3 鬼臼毒素C-4β位的結(jié)構(gòu)修飾與作用

鬼臼毒素母核上4β位取代基結(jié)構(gòu)的變化將顯著影響其生物活性，且N-連接衍生物的活性明顯高于O-和S-連接。目前，在保留C-4位取代的β構(gòu)型、反式內(nèi)酯環(huán)及C-4′位游離酚羥基的基礎(chǔ)上，對(duì)鬼臼毒素C-4β位O原子轉(zhuǎn)化成其生物等排體N原子后，再對(duì)該位置上的氨基或取代氨基進(jìn)行修飾，正成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

3.1 C-4β位酰胺類衍生物 這類衍生物通常是經(jīng)酰胺鍵將鬼臼毒素與其它抗癌藥物連接，修飾的原因主要有兩個(gè)。一來(lái)，在腫瘤的臨床治療中，化療藥物劑量大，并且常需聯(lián)合使用。二來(lái)，多效價(jià)、多靶標(biāo)是目前設(shè)計(jì)藥物廣泛接受的手段，這類藥物可以同時(shí)干預(yù)與疾病相關(guān)的多個(gè)靶標(biāo)或者當(dāng)細(xì)胞產(chǎn)生抗藥性后改變靶點(diǎn)，能明顯提高藥物的選擇性和活性。

Liu等［22］考慮到鉑化合物對(duì)治療睪丸癌等疾病的作用，并且卡鉑和依托泊苷在臨床上也常聯(lián)合使用，于是設(shè)計(jì)了二氯卡鉑共價(jià)結(jié)合到鬼臼毒素上，得到化合物7和8，它們均顯示了對(duì)多種腫瘤細(xì)胞（如A-549、HeLab HCT、Hep-G2、K562、ADM/K562）的中等抑制作用。

Kamal等［4］發(fā)現(xiàn)，脲衍生物 （如二芳基取代脲）對(duì)腎細(xì)胞癌和不可切除的肝細(xì)胞癌具有抑制作用，同時(shí)也是潛在的DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ和Ⅱ的抑制劑。然后，對(duì)鬼臼毒素進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，合成了4β-［4'-（1-（芳基）脲基）苯甲酰胺］鬼臼毒素類衍生物，其中化合物10～13對(duì)Colo-205細(xì)胞的活性明顯高于依托泊苷。另外，他們還根據(jù)順式芪對(duì)許多癌細(xì)胞的抑制活性，設(shè)計(jì)了3種衍生物，再將其與鬼臼毒素連接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，化合物14～16抑制

Guo等［24］利用2-［1-（4-氯芐基）-1H-吲哚-3-基］-2-氧代-N-（吡啶-4-基）乙酰（Indibulin）對(duì)微管蛋白的抑制作用及其在多藥抗性方面能與鬼臼毒素的互補(bǔ)性，合成了一系列具有Indibulin環(huán)的4β-N-取代鬼臼毒素衍生物，其中化合物17能通過(guò)下調(diào)P糖蛋白的表達(dá)，從而對(duì)耐依托泊苷的KBV200 cell和K562/A02 cell具有較好抑制作用（化合物10～17的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6）。

3.2 C-4β位不對(duì)稱脲類衍生物 Li等［16］合成了20種4β-?；螂迦〈墓砭识舅匮苌?，而硫脲是在許多腫瘤發(fā)生的過(guò)程中起著關(guān)鍵作用的金屬離子配體，還能作為色氨酸激酶的抑制劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，化合物18～22活性略高于依托泊苷，對(duì)鼻咽癌耐藥株KBVIN的活性也很明顯，證明了C-4β位N取代鬼臼毒素衍生物具有克服多藥抗性的潛在作用 （化合物18～22的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7）。

3.3 C-4β位雜環(huán)類衍生物 Ren等［33］發(fā)現(xiàn)，噁二唑作為酰胺、酯、脲的生物電子等排體，常被用于修飾多種抗菌、抗腫瘤、抗炎、抗驚厥藥物。他們通過(guò)6步反應(yīng)制得4β-1，3，4-噁二唑-2-氨基-鬼臼毒素衍生物23～31，并測(cè)定了它們對(duì)DU-145、SGC-7901、A549、SH-SY5Y、HepG2、HeLa、L929、Vero的活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)化合物至少對(duì)一種測(cè)試腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生了較好的抑制作用 （化合物23～31的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8）。

3.4 C-4β位取代仲胺類衍生物 在藥物中，一些具有特殊結(jié)構(gòu)骨架結(jié)構(gòu)的化合物顯示出明顯高于其它化合物的活性，這類結(jié)構(gòu)被稱為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)，將其適當(dāng)改造后可呈現(xiàn)出不同的生物活性。Liu等［14］及Wang等［26］基于活性較好的化合物5和6在活性及多抗藥性方面的優(yōu)勢(shì)，合成出了一

系列在N和雜環(huán)之間有1個(gè)C原子的化合物，其中化合物32～41對(duì)Hela、K562和K562/AO2均具有較好的抑制作用，IC50在10-6～10-8mol/L之間 （化合物32～41的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9）。

圖6 化合物10～17的具體結(jié)構(gòu)

圖7 化合物18～22的具體結(jié)構(gòu)

圖8 化合物23～31的具體結(jié)構(gòu)

3.5 C-4β位芳胺類衍生物 藥物對(duì)一種拓?fù)洚悩?gòu)酶的抑制可引起另一種的過(guò)度表達(dá)，最終使細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性。為避免上述現(xiàn)象，Ye［34］等合成了將拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ型抑制劑喜樹(shù)堿衍生物和拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ抑制劑鬼臼毒素通過(guò)C-4β位N連接的化合物42-45。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然結(jié)合物活性降低，但達(dá)到對(duì)拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ、Ⅱ的雙重抑制的效果，可以為后期拓?fù)洚悩?gòu)酶的雙相抑制劑設(shè)計(jì)提供參考 （化合物42～45的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10）。

4 展望

鬼臼毒素主要存在于小檗科足葉草屬、鮮黃蓮屬、山荷葉屬和八角蓮屬植物中［35］，在自然界分布廣泛，并具有多種藥理活性，而且其4β-糖基取代衍生物依托泊苷和替尼泊苷是成熟的臨床藥物。因此，新型4β-鬼臼毒素衍生物，尤其是4β-N取代物的合成和藥理活性分析是目前研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)已取得了很多有價(jià)值的成果。隨著計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)及藥物構(gòu)效關(guān)系的發(fā)展和深入，開(kāi)發(fā)出更適用于臨床的高活性4β-N取代鬼臼毒素衍生物將成為可能。

圖9 化合物32～41的具體結(jié)構(gòu)

圖10 化合物42～45的具體結(jié)構(gòu)

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R284.3

A

1001-1528（2015）12-2733-06

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.12.034

2015-05-06

張志華 （1978—），女，博士，研究方向?yàn)橛袡C(jī)合成及天然產(chǎn)物的生物轉(zhuǎn)化。E-mail：bridge1026@163.com