抗腫瘤天然拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑的研究進(jìn)展

戴 一，宋祖榮

抗腫瘤天然拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑的研究進(jìn)展

戴 一1, 2，宋祖榮1

1. 安徽新華學(xué)院藥學(xué)院，安徽 合肥 230088 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系，安徽 合肥 230026

拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase，topo）是解決DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等過(guò)程中出現(xiàn)拓?fù)鋯栴}的關(guān)鍵酶，是抗腫瘤藥物作用的重要靶點(diǎn)之一。天然產(chǎn)物是topo抑制劑的重要來(lái)源，從天然產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)開發(fā)topo抑制劑是抗腫瘤藥物研究的熱點(diǎn)。以天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類型，分類綜述了天然存在的具有topo抑制活性的天然產(chǎn)物及以它們?yōu)榛A(chǔ)改造獲得的衍生物，以期為抗腫瘤天然topo抑制劑的研發(fā)提供參考。

抗腫瘤；天然產(chǎn)物；拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑；結(jié)構(gòu)改造；萜類；生物堿類；酚類；醌類

拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase，topo）廣泛存在于生物體中，是細(xì)胞DNA復(fù)制或轉(zhuǎn)錄不可或缺的一類關(guān)鍵酶。由于DNA在復(fù)制過(guò)程中反向旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生纏結(jié)、正負(fù)超螺旋等，為保證復(fù)制正常進(jìn)行，必須依賴topo的參與進(jìn)行DNA的切割、回旋、再連接，使DNA順利解旋、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等[1]。根據(jù)topo誘導(dǎo)DNA斷裂方式的不同，topo分為topo I和topo II 2種。人topo I為單體酶，主要催化DNA復(fù)制過(guò)程中單鏈的斷裂和重新鏈接；topo II又稱解旋酶，結(jié)構(gòu)為二聚體，在三磷酸腺苷供能，Mg2+存在條件下，催化雙鏈的斷裂和鏈接[2]。相比于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞中topo的含量及活性均顯著提高[3]，因此topo是抗腫瘤藥物優(yōu)良的作用靶點(diǎn)，如喜樹堿類、鬼臼毒素類、阿霉素等都是以topo為靶點(diǎn)，干擾DNA復(fù)制而發(fā)揮抗腫瘤作用的。

以topo為靶點(diǎn)的抑制劑是抗腫瘤藥物研究的熱點(diǎn)，這些topo抑制劑按照作用機(jī)制主要分為2大類：topo毒劑和topo催化抑制劑，前者通過(guò)形成DNA-topo I抑制劑三元復(fù)合物，達(dá)到抑制topo I催化作用的目的，如喜樹堿類藥物，或通過(guò)穩(wěn)定topo II-DNA可裂解復(fù)合物而發(fā)揮作用，如鬼臼毒素類；后者主要通過(guò)嵌入DNA或直接作用于topo功能域而阻止topo與DNA的結(jié)合而發(fā)揮抗腫瘤作用，如阿霉素等[4]。通過(guò)文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)物是topo抑制劑的重要來(lái)源[5]，多種天然來(lái)源的藥物已廣泛用于臨床的腫瘤治療，如羥喜樹堿、拓?fù)涮婵?、依托泊苷等。近年?lái)基于topo為靶點(diǎn)的天然藥物研究亦取得了積極進(jìn)展，本文主要對(duì)2016年以來(lái)的成果進(jìn)行綜述，以期為新的topo抑制劑開發(fā)提供參考。

1 天然成分

1.1 萜類

天然產(chǎn)物中萜類化合物具有多種活性，尤其是抗腫瘤活性，受到廣泛的關(guān)注，由于萜的骨架類型多樣，為抗腫瘤藥物的開發(fā)提供了豐富多樣的先導(dǎo)化合物或候選藥物[6]。萜類化合物作用的靶點(diǎn)多樣，較成熟的如微管蛋白、topo等。近年來(lái)從植物獲得的topo抑制劑主要為二倍半萜和二萜。如從Hedge的嫩芽中分離出線性的二倍半萜金合歡醇（1），從該植物根部分離出重排松香烷型二萜sahandinone（2）和4-脫氫沙維林醇（3），通過(guò)分子對(duì)接及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，發(fā)現(xiàn)它們均能很好地與topo I結(jié)合，說(shuō)明對(duì)topo I的抑制可能是其發(fā)揮抗腫瘤作用的機(jī)制[7]。

heteronemin（4）則是分自于海洋海綿sp.中的1個(gè)二倍半萜，通過(guò)消除topo II的主要酶活性，對(duì)topo II起到催化抑制的作用。該成分對(duì)前列腺癌LNcap和PC3細(xì)胞增殖具有顯著的抑制活性，24 h結(jié)果顯示半數(shù)抑制濃度（median inhibition concentration，IC50）值分別為1.4、2.7 μmol/L。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出顯著的腫瘤抑制活性，而且對(duì)小鼠體質(zhì)量幾乎沒有影響[8]，體現(xiàn)了高效低毒的特點(diǎn)，具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。從另一種海綿sp.中也獲得二倍半萜12β-(3′β- hydroxybutanoyloxy)-20,24-dimethyl-24-oxo-scalara-16-en-25-al（5）和12β-(3′β-hydroxypentanoyloxy)- 20,24-dimethyl-24-oxo-scalara-16-en-25-al（6），這2個(gè)成分為scalarane型二倍半萜，另外還分離得到1個(gè)已知tetraprenyltoluquinol型化合物（7），這些產(chǎn)物通過(guò)抑制熱休克蛋白（heat shock protein 90，Hsp90）和topo IIα的活性而發(fā)揮雙重作用，促進(jìn)凋亡[9]?？梢?，從海洋植物中尋找新型topo抑制劑具有一定潛力，尤其是尋找新的骨架成分。

真菌中亦常含有萜類成分，如從真菌殼囊孢屬sp.中分離出1個(gè)雜萜類天然成分殼囊孢內(nèi)酯C（8）。MTT實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)人肺癌A549細(xì)胞、人結(jié)腸癌HCT-116細(xì)胞和人乳腺癌MCF-7細(xì)胞的IC50值在5.98～8.88 μmol/L，顯示出了較好的抗增殖作用。合成該植物中另1個(gè)雜萜成分殼囊孢內(nèi)酯A（9）的模型化合物四去氧殼囊孢內(nèi)酯A（10）對(duì)這3種腫瘤增殖也表現(xiàn)出較強(qiáng)的活性，IC50為3.91～7.28 μmol/L，對(duì)其作用靶點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)在體外化合物8和10均具有類似喜樹堿的topo I抑制活性，另外化合物10還對(duì)topo II表現(xiàn)出了抑制作用，效果與已知的topo II抑制劑ICRF-193相當(dāng)[10]。對(duì)topo I和topo II同時(shí)抑制可以提高療效，降低不良反應(yīng)，屬于多靶點(diǎn)抗腫瘤[11]。

2016年以來(lái)萜類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 生物堿類

生物堿類成分也是天然產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)類型多樣的一大類成分，具有的生物活性促使很多天然成分已直接應(yīng)用于臨床，如作用于M受體的阿托品，作用于微管蛋白的長(zhǎng)春新堿以及眾所熟知的topo I抑制劑羥喜樹堿[12]。近年來(lái)海洋植物成分研究是天然藥物研究的熱點(diǎn)。奇西卡馬堿A（11）和它的類似物16,17-去氫奇西卡馬堿A（12）是從南極深海海綿Kirkpatrick中分離的2個(gè)吡咯亞胺醌類生物堿，通過(guò)分子對(duì)接發(fā)現(xiàn)這2個(gè)化合物對(duì)topo I和topo II具有較好的結(jié)合，表現(xiàn)出雙重抑制潛力[13]，為抗癌藥物先導(dǎo)化合物的開發(fā)提供了一個(gè)新的選擇。另外從溫帶海洋一種海綿Samaai & Kelly中分離出來(lái)5個(gè)吡咯亞胺醌類生物堿makaluvamine Q（13）、makaluvamine A（14）、makaluvamine I（15）、tsitsikammamine B（18）、14-bromo-7,8-dehydro-3-dihydro-discorhabdin C（19）、2個(gè)吡咯鄰醌類makaluvamine O（16）和makaluvone（17）。所有的化合物對(duì)topo I均顯示了抑制作用及DNA嵌入功能，其中化合物16、17活性最強(qiáng)，對(duì)宮頸癌HeLa細(xì)胞增殖具有中等抑制作用[14]。此外，2019年從地中海萍蓬草(L.) Sm. ssp.(Timm) E. O. Beal中分離出1個(gè)活性天然成分6,6′-二羥基硫雙萍蓬草堿（20），該結(jié)構(gòu)為含硫的二聚倍半萜形成的萍蓬草生物堿，是topo II毒劑，通過(guò)與topo II共價(jià)鍵結(jié)合發(fā)揮抑制作用，而且體現(xiàn)出一定選擇性，抑制topo IIα的作用強(qiáng)于topo IIβ[15]。海洋植物受到的環(huán)境脅迫不同于陸生植物，從海洋植物中常可獲得結(jié)構(gòu)新穎的成分，再次說(shuō)明海洋植物對(duì)topo抑制劑的開發(fā)具有巨大潛力。

圖1 2016年以來(lái)萜類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

對(duì)陸生植物，近年來(lái)主要從抗炎植物兩面針(Roxb.) DC.中獲得1個(gè)生物堿氯化兩面針堿（21），該生物堿通過(guò)抑制topo I而促進(jìn)白細(xì)胞介素-10的產(chǎn)生，抑制了炎癥反應(yīng)，在體內(nèi)、體外表現(xiàn)出顯著的抗炎作用[16]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，炎癥和癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[17]，而該成分又是通過(guò)抑制topo來(lái)發(fā)揮作用的，值得進(jìn)一步深入研究。

2016年以來(lái)生物堿類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 2016年以來(lái)生物堿類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.3 酚類

酚類化合物廣泛存在于自然界，是個(gè)龐大的復(fù)合家族，包括黃酮類和非黃酮類的酚性物質(zhì)等，近年來(lái)在抗腫瘤方面的研究備受關(guān)注[18]。喬松酮（22）即為天然黃酮類成分，可以結(jié)合topo I和DNA的表面形成四元復(fù)合物，而對(duì)topo I產(chǎn)生別構(gòu)抑制[19]。對(duì)來(lái)自珊瑚上的真菌和植物進(jìn)行分離獲得(?)-表沒食子酰兒茶精-3--反式-對(duì)-香豆酸酯（23）、(?)-表沒食子酰兒茶精-3--順式-對(duì)-香豆酸酯（24）、(?)-表?xiàng)攦翰杷兀?5）、槲皮素（26）、(?)-沒食子酰兒茶素（27）、交鏈孢毒素I（28）、6--stemphytriol（29）和多黏菌素C（30）。這些成分在5～100 μmol/L顯示出抑制topo I誘導(dǎo)的DNA超螺旋松弛活性，尤其是，黃酮類成分比其他成分的抑制topo I能力更強(qiáng)。這些新發(fā)現(xiàn)的topo I抑制劑顯示了結(jié)構(gòu)的多樣性，是抗癌先導(dǎo)化合物開發(fā)的一個(gè)新選擇?？疾旄蜐舛葧r(shí)這些成分對(duì)topo的抑制活性時(shí)發(fā)現(xiàn)，4個(gè)化合物23～26顯示在25 μmol/L有效，其中化合物23、24顯示在更低的濃度（5 μmol/L）也有效?；衔?3、24相比于表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG，10 μmol/L）顯示出了更高的抑制活性[20]。

3個(gè)五角型多酚amexanthomycins A～C（31～33）是從地中海擬無(wú)枝菌酸菌S699ΔrifA中分離出來(lái)的，該菌株敲除了與利福霉素合成相關(guān)的聚酮合成酶基因?；衔?1～33顯示了對(duì)DNA topo的抑制作用。采用DNA松弛實(shí)驗(yàn)研究化合物31～33對(duì)Topo IIα的抑制活性，500 μmol/L時(shí)顯示有效。劑量相關(guān)的活性測(cè)定顯示化合物31和32相比于化合物33對(duì)topo IIα抑制活性更強(qiáng)。這些結(jié)果說(shuō)明在amexanthomycins上取代基去氧糖對(duì)topo的抑制作用有重要影響，對(duì)于開發(fā)新型topo抑制劑具有參考價(jià)值[21]。

2016年以來(lái)酚類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 2016年以來(lái)酚類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.4 醌類

醌類化合物是中藥中一類具有醌式結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分，臨床上使用的topo抑制劑阿霉素屬于該類。同阿霉素來(lái)源類似，該類成分多來(lái)源于微生物。pyxidicycline A（34）和pyxidicycline B（35）是利用自身抗性導(dǎo)向的基因組挖掘策略從匣狀粘球菌An d48分離出來(lái)的2個(gè)聚酮型天然產(chǎn)物，對(duì)人結(jié)腸癌HCT-116細(xì)胞最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）分別為0.06、0.03 μg/mL，對(duì)人topo I的IC50為0.4～1.6、0.05～0.2 μg/mL，與喜樹堿相當(dāng)[22]。另一類聚酮天然產(chǎn)物為jadomycin，來(lái)自于土壤委內(nèi)瑞拉鏈霉菌ISP5230，jadomycin B（36）、jadomycin S（37）和jadomycin F（38）對(duì)藥物敏感型人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞和紫杉醇耐藥性MDA-MB-231細(xì)胞增殖表現(xiàn)出同樣的抑制作用，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)它們能抑制topo IIα和topo IIβ的基因和蛋白的表達(dá)，同時(shí)也是topo II的催化抑制劑，在某些情況下也表現(xiàn)為topo II的毒劑?；衔?6和38還表現(xiàn)出對(duì)topo IIβ更高的選擇性[23]。

GE-1（39）和GE-2（40）來(lái)自于子囊菌，具有抗腫瘤活性，化合物40是39的氧化型。像依托泊苷一樣，在1個(gè)專一的位點(diǎn)誘導(dǎo)DNA斷裂，化合物40顯著提高DNA斷裂程度。與其他醌類topo II毒劑類似，化合物40通過(guò)共價(jià)鍵與topo II結(jié)合。與化合物40相比，化合物39要想達(dá)到相似的效果需要較高的濃度才能實(shí)現(xiàn)，可見氧化態(tài)結(jié)構(gòu)能使活性得到提高[24]。從現(xiàn)有的成果可見微生物來(lái)源的topo抑制劑表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上的共性，多為醌類，是天然topo抑制劑的另一種展現(xiàn)。

2016年以來(lái)醌類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 2016年以來(lái)醌類topo抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.5 其他

其他具有topo抑制活性的天然成分類型較少，近年來(lái)主要發(fā)現(xiàn)1個(gè)苷類成分和1個(gè)芳香酸酯。methyl β-lilacinobioside（41）為從沙特阿拉伯南部植物巨棱閣N. E. Br.分離出來(lái)的1個(gè)苷類新成分，對(duì)MCF-7細(xì)胞的增殖具有較強(qiáng)的抑制作用，通過(guò)分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其與topo II氫鍵和離子鍵結(jié)合，與topo II的親和力達(dá)?36.975 kJ/mol，說(shuō)明對(duì)topo II的抑制應(yīng)是其發(fā)揮抗腫瘤活性的重要因素[25]。另1個(gè)為芳香酸酯即鄰苯二甲酸單(2-乙基)己酯（42），來(lái)自于海洋菌株sp. VITJS4，對(duì)人肝癌HepG2細(xì)胞增殖有顯著的抑制活性，也通過(guò)分子對(duì)接及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)，其作用的靶點(diǎn)是topo IIα的ATPase結(jié)構(gòu)域[26]。

2 天然成分結(jié)構(gòu)改造

2.1 生物堿類成分改造

從生物堿改造獲得先導(dǎo)化合物持續(xù)受到關(guān)注[27]，近年來(lái)對(duì)生物堿類成分的結(jié)構(gòu)改造以喜樹堿衍生物7-乙基-10-羥基喜樹堿（7-ethyl-10-hydroxycamptothecin，SN-38）修飾較多。SN-38通過(guò)抑制topo I阻滯DNA的復(fù)制而發(fā)揮抗腫瘤作用[28]。伊立替康即為SN-38的水溶性前藥，但體外活性比SN-38低100～1000倍[29]。體內(nèi)僅有使用劑量的2%～8%能轉(zhuǎn)化成SN-38[30]。因此，SN-38依然受到很大的關(guān)注。對(duì)SN-38改造的位點(diǎn)主要為9位和10位。9位的改造主要是引入不同的氨甲基，獲得化合物43a～43d，這些氨甲基衍生物對(duì)人白血病HL-60細(xì)胞、MCF-7和MDA-MB-231細(xì)胞、結(jié)直腸腺癌Caco-2和HT-29細(xì)胞及A549細(xì)胞的增殖抑制作用與SN-38相當(dāng)，和拓?fù)涮婵狄粯?，通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合天然DNA八聚體d(GCGATCGC)2duplex的邊緣GC堿基產(chǎn)生topo I抑制作用，即使在10 ℃也能在一定時(shí)間后共價(jià)鍵結(jié)合寡聚核苷酸[31]；對(duì)于10位的修飾，分別以醚鍵或酯鍵在10位引入硝基咪唑基團(tuán) (1-甲基-2-硝基-1-咪唑-5-基) 甲醇，獲得化合物44和45，這2個(gè)化合物為低氧激活型SN-38的前藥?；衔?5的低氧選擇性及細(xì)胞毒性均弱于化合物44，在低氧條件下化合物44對(duì)人大細(xì)胞肺癌H460細(xì)胞增殖的抑制活性是evofosfamide的10倍以上，與SN-38相當(dāng)[32]。另1個(gè)10位修飾的化合物46，為SN-38與氨基酸以酯鍵相連，該化合物對(duì)A549細(xì)胞和人肺癌SPC-A-1細(xì)胞、人白血病K562細(xì)胞、MCF-7細(xì)胞、人小細(xì)胞肺癌NCI-H446細(xì)胞、人卵巢癌SK-OV-3細(xì)胞、人肝癌SMMC-7721細(xì)胞、人結(jié)腸腺癌SW1116細(xì)胞和膠質(zhì)瘤U251細(xì)胞9種人腫瘤細(xì)胞增殖的IC50值為0.000 9～2.567 1 μmol/L，均低于伊立替康或SN-38，表現(xiàn)出更強(qiáng)的腫瘤抑制作用，在穩(wěn)定topo-1-DNA復(fù)合物方面比伊立替康及SN-38更強(qiáng)[33]。

2016年以來(lái)SN-38衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖5。

除了對(duì)SN-38修飾外，2018年還報(bào)道了在喜樹堿或羥喜樹堿的7位引入醛基，通過(guò)亞胺和沙丙素A進(jìn)行組合獲得雜合體47a～47c，這3個(gè)化合物具有topo I抑制及HDAC抑制雙重作用，分子模擬證實(shí)了這種功能，該雜合體對(duì)人肺癌NCI-H460細(xì)胞、人胰腺癌CAPAN1細(xì)胞、表皮癌A431細(xì)胞、HeLa細(xì)胞、人結(jié)腸癌HT29細(xì)胞、前列腺癌DU45細(xì)胞、HepG2細(xì)胞、人卵巢癌A2780細(xì)胞及耐阿霉素A2780-Dox細(xì)胞等多種腫瘤細(xì)胞均具有顯著的抑制活性，IC50為0.05～0.8 μmol/L，而對(duì)照沙丙素A的IC50值約為0.9 μmol/L，伊立替康則大于1.5 μmol/L[34]。可見雜合體發(fā)揮多靶點(diǎn)功效，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同作用。

2016年以來(lái)喜樹堿和羥喜樹堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 2016年以來(lái)SN-38衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖6 2016年以來(lái)喜樹堿和羥喜樹堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

此外，通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)的合成手段在7-甲基-10-羥基高喜樹堿10位引入芳烴、飽和烴或糖等合成化合物48a～48u，除了48h、48r和48u，這些衍生物對(duì)A549細(xì)胞、人乳腺癌MDA-MB-435細(xì)胞及人結(jié)腸癌HCT116細(xì)胞表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗增殖作用，尤其對(duì)A549細(xì)胞，有12個(gè)化合物IC50值小于1 μmol/L，對(duì)其中4個(gè)化合物48e、48j、48o和48t進(jìn)行topo I毒性測(cè)定，化合物48j的活性高于喜樹堿，其他3個(gè)化合物的活性類似于喜樹堿或略低于喜樹堿[35]。

2016年以來(lái)7-甲基-10-羥基喜樹堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 2016年以來(lái)7-甲基-10-羥基喜樹堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

近年來(lái)另1個(gè)受關(guān)注的生物堿為來(lái)自于苦豆子L的喹諾里西啶類生物堿槐定堿，用于治療滋養(yǎng)細(xì)胞腫瘤。對(duì)其改造的方式有：一是D環(huán)打開與磷酰胺氮芥通過(guò)酰胺鍵而形成雜合體，獲得化合物49a～49e。因topo I是槐定堿的作用靶點(diǎn)，氮芥也能作用于DNA，通過(guò)分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)49a～49e通過(guò)與topo I活性口袋中的氨基酸殘基及DNA堿基雙重作用與DNA-topo I共價(jià)復(fù)合物進(jìn)行很好結(jié)合，具有topo I抑制作用[36]；第2種改造是D環(huán)打開后羧基還原為羥基，氨基烷基化得化合物50，該化合物相對(duì)于母體化合物，抗腫瘤譜及活性均有了顯著的提高，其機(jī)制是通過(guò)穩(wěn)定DNA-topo I復(fù)合物而抑制topo I的活性，通過(guò)促進(jìn)topo I介導(dǎo)的DNA單鏈和雙鏈的斷裂而誘導(dǎo)線粒體途徑的凋亡[37]。

2016年以來(lái)槐定堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖8。

此外2019年還報(bào)道了1個(gè)結(jié)構(gòu)類似于喜樹堿的天然產(chǎn)物luotonin A，在此結(jié)構(gòu)母體1～4不同位置引入氨基獲得化合物51a～51d，化合物51d水溶性太差，其他3個(gè)均進(jìn)行了MTT實(shí)驗(yàn)，對(duì)人白血病HL60細(xì)胞，化合物51b的抑制作用顯著強(qiáng)于母體化合物luotonin A，而化合物51a、51c活性與luotonin A相當(dāng)；對(duì)于人結(jié)腸癌SW480細(xì)胞，化合物51a和51b的活性均強(qiáng)于母體luotonin A，化合物51c則與luotonin A相當(dāng)。對(duì)于DNA topo I的抑制作用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化合物51a、51b、51d均表現(xiàn)出比喜樹堿更強(qiáng)的抑制活性，而化合物51c則沒有抑制作用[38]。

圖8 2016年來(lái)槐定堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

玫瑰樹堿是來(lái)自于熱帶一種常綠小樹古城玫瑰樹Labill的生物堿，由于其獨(dú)特的平面四環(huán)結(jié)構(gòu)成為了抗癌藥物研發(fā)熱點(diǎn)，多個(gè)衍生物已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)[39-40]。鑒于該化合物對(duì)topo II的抑制作用，進(jìn)行11位的取代修飾，獲得3個(gè)化合物52～54，且均表現(xiàn)出對(duì)topo II有較好地抑制作用。化合物52～54在DNA松弛實(shí)驗(yàn)中100 μmol/L對(duì)topo II顯示出良好的抑制活性，尤其是11位連有α，β-不飽和羰基的化合物53和9位連有亞胺，11位為甲酰的化合物54具有更大的潛力，體現(xiàn)著一種新的開發(fā)角度，為今后該類化合物活性的提高提供了參考[41]。

2016年以來(lái)luotonin A和玫瑰樹堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 2016年以來(lái)luotoninA和玫瑰樹堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

吳茱萸堿是來(lái)自吳茱萸的1個(gè)吲哚吡嗪喹唑酮生物堿，為topo I、II雙抑制劑，通過(guò)穩(wěn)定topo I、II-DNA復(fù)合物導(dǎo)致DNA斷裂而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。對(duì)吳茱萸堿的結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)骨架遷躍合成了化合物55a～55d。這些化合物在100 μmol/L時(shí)可以抑制topo I介導(dǎo)的DNA超螺旋松弛，但對(duì)topo II沒有作用，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)同喜樹堿一樣，化合物55b作為topo I的毒物而起到作用，另外化合物55b也可以濃度相關(guān)性地抑制微管蛋白的聚合，IC50為26.3 μmol/L，表現(xiàn)出對(duì)topo I和微管蛋白具有明顯的選擇性[42]。

2016年以來(lái)吳茱萸堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖10。

2.2 木脂素類衍生物

木脂素類成分修飾主要圍繞鬼臼毒素展開[43]，且常以4位修飾為主，如以鬼臼毒素為起始物在其4位引入4β羧基三唑，合成出了化合物56a～56i和57a～57k等多個(gè)鬼臼毒素的衍生物，這些衍生物顯示出了很高抗增殖作用，對(duì)HeLa細(xì)胞、MCF-7細(xì)胞、人前列腺癌DU-145細(xì)胞、A549細(xì)胞、HepG2細(xì)胞和HT-29細(xì)胞等增殖的IC50值在1～10 μmol/L，尤其是化合物56b、56g和56i，IC50值低于1 μmol/L，比依托泊苷還強(qiáng)。topo介導(dǎo)的DNA松弛實(shí)驗(yàn)顯示這些代表性衍生物56b、56g、56i均能有效抑制topo II的活性，與依托泊苷相當(dāng)[44]。另一種鬼臼毒素的4位引入4β--乙酰胺獲得化合物58a～58t等20個(gè)鬼臼毒素衍生物，通過(guò)對(duì)4個(gè)腫瘤細(xì)胞（人食管癌EC-9706細(xì)胞、HeLa細(xì)胞、人膀胱癌T-24細(xì)胞和H460細(xì)胞）和1個(gè)正常細(xì)胞（人正常皮膚HaCaT細(xì)胞）的MTT實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化合物58f的活性最好，對(duì)這些腫瘤細(xì)胞增殖的IC50值在1.2～22.8 μmol/L，低于對(duì)照依托泊苷（8.4～78.2 μmol/L）?；衔?8e對(duì)HeLa細(xì)胞、T-24細(xì)胞有著更高的細(xì)胞毒性，鑒于鬼臼毒素作用topo，對(duì)所得衍生物以化合物58e為代表進(jìn)行了分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)顯示化合物58e可以與topo IIα很好的結(jié)合，說(shuō)明還保留鬼臼毒素作用的靶點(diǎn)[45]。

圖10 2016年以來(lái)吳茱萸堿衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2016年以來(lái)鬼臼毒素類衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖11。

葉下珠素類是另一類含內(nèi)酯類的芳基萘類木脂素，主要來(lái)源于植物葉下珠L(zhǎng).，該類成分主要是以山荷葉素為苷元與多種糖基形成的苷，在結(jié)構(gòu)上與鬼臼毒素類相似，具有良好的抗腫瘤作用。鑒于鬼臼毒素類化合物作用于topo II，改造山荷葉素，尋找新的topo抑制劑，獲得以山荷葉素為苷元的芳基萘類木脂素化合物59～61，結(jié)構(gòu)類似于葉下珠素，對(duì)HT-29細(xì)胞的IC50值在18～140 nmol/L，對(duì)topo II的抑制作用比其母體化合物山荷葉素強(qiáng)，但弱于依托泊苷[46]。

圖11 2016年以來(lái)鬼臼毒素類衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2016年以來(lái)山荷葉素素類衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖12。

2.3 黃酮及萜類衍生物

黃酮類是天然產(chǎn)物中最為常見的成分之一，包括黃酮、異黃酮、查耳酮等，其中噢哢亦屬于黃酮類，且具有topo抑制作用[47]。對(duì)噢哢進(jìn)行骨架躍遷可以設(shè)計(jì)出合成2-芳基亞甲基咪唑[1,2-a]吡啶酮類化合物，如化合物62a～62j（圖13）。這些化合物相比于依托泊苷，對(duì)topo IIα-介導(dǎo)的DNA斷開抑制能力更強(qiáng)，在相同的取代條件下，化合物62c、62f相比于母體橙酮（C1和C2），對(duì)topo IIα的抑制作用更強(qiáng)。另外這些化合物對(duì)MCF-7細(xì)胞的抑制濃度在nmol/L水平[48]。說(shuō)明了骨架躍遷設(shè)計(jì)思路對(duì)于噢哢類化合物開發(fā)是一個(gè)較佳的選擇。

對(duì)黃酮及異黃酮同樣可以采取骨架躍遷設(shè)計(jì)策略，如由黃酮設(shè)計(jì)出2-芳基-4-吡啶并[1,2-a]嘧啶- 4-酮類化合物63a～63g，由異黃酮設(shè)計(jì)出3-芳基- 4-吡啶并[1,2-a]嘧啶-4-酮類化合物64a～64i（圖14）。這些化合物及其母體C1～C4、C6～C7對(duì)topo IIα抑制作用均比依托泊苷強(qiáng)，通過(guò)選擇性抑制topo IIα的催化作用，而不干擾DNA大溝結(jié)構(gòu)域處topo I與DNA的相互作用。對(duì)人胚腎HEK-293細(xì)胞IC50值在1.5～4.0 μmol/L。與母體化合物相比，通過(guò)骨架躍遷設(shè)計(jì)的化合物保留了相似功能，有的還提高了對(duì)topo IIα的抑制作用[49]，為眾多的黃酮類化合物的開發(fā)提供了一種新的思路。

圖12 2016年以來(lái)山荷葉素素類衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖13 2016年以來(lái)噢哢類的結(jié)構(gòu)改造

圖14 2016年以來(lái)黃酮類的結(jié)構(gòu)改造

萜類成分是抗腫瘤天然產(chǎn)物中的佼佼者，如紫杉醇等，是抗腫瘤藥物開發(fā)中良好先導(dǎo)化合物來(lái)源之一[50-51]。反式-去氫巴豆寧是從巴西亞馬遜巴豆Benth的莖皮中分離出來(lái)的1個(gè)克羅烷型二萜，以其為母體化合物，在酮羰基上經(jīng)亞胺修飾即可獲得化合物65～69（圖15）。獲得的化合物66～69對(duì)腹水瘤Ehrlich細(xì)胞的抑制作用明顯強(qiáng)于母體化合物。同時(shí)化合物65～67、69對(duì)K562細(xì)胞具有一定的抑制作用，IC50為7.85～40.72μmol/L。進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，除了化合物66之外，這些化合物對(duì)topo I均有較強(qiáng)的抑制作用，尤其是化合物67作用最強(qiáng)[52]。可見，通過(guò)對(duì)天然產(chǎn)物進(jìn)行修飾，即使是初步的修飾，也可能獲得較大的收益。

圖15 2016年以來(lái)反式-去氫巴豆寧衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

天然產(chǎn)物是抗腫瘤藥物的重要來(lái)源之一，分布在不同科屬植物中，成分類型多樣，涉及幾乎所有成分類型[53]。天然產(chǎn)物抗腫瘤作用的靶點(diǎn)各異，DNA topo是其作用靶點(diǎn)之一，受到了廣泛的關(guān)注。目前已發(fā)現(xiàn)許多種天然topo抑制劑，如生物堿類、木脂素類、黃酮類等，在新藥的開發(fā)中提供了眾多重要價(jià)值的先導(dǎo)化合物，如以羥喜樹堿為基礎(chǔ)開發(fā)出的拓?fù)涮婵怠⒁亮⑻婵?；以鬼臼毒素為基礎(chǔ)開發(fā)出的依托泊苷，它們已成為臨床抗腫瘤的重要藥物。近年來(lái)，天然topo抑制劑亦取得了很多成果。然而，縱觀天然topo抑制劑，可以發(fā)現(xiàn)，成分類型比較集中，多以生物堿為主，其他結(jié)構(gòu)類型的天然topo抑制劑較少，而且最近發(fā)現(xiàn)的很多成分來(lái)自于海洋植物，說(shuō)明海洋是未來(lái)發(fā)現(xiàn)天然topo抑制劑的一個(gè)主要來(lái)源。由于天然產(chǎn)物本身存在的局限，如水溶性較差，活性不強(qiáng)，毒性太大等，以天然成分為基礎(chǔ)，進(jìn)行改造、修飾、轉(zhuǎn)化，是一種行之有效的藥物開發(fā)策略，也是今后藥物開發(fā)的重點(diǎn)，近年來(lái)的研究成果也充分體現(xiàn)了這點(diǎn)，因此以天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)，進(jìn)行深層次結(jié)構(gòu)開發(fā)是topo抑制劑開發(fā)的一個(gè)重要方向。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

[1] Wang J C. Cellular roles of DNA topoisomerases: A molecular perspective [J]., 2002, 3(6): 430-440.

[2] Nitiss K C, Nitiss J L, Hanakahi L A. DNA damage by an essential enzyme: A delicate balance act on the tightrope [J]., 2019, 82: 102639.

[3] Giaccone G, van Ark-Otte J, Scagliotti G,. Differential expression of DNA topoisomerases in non-small cell lung cancer and normal lung [J]., 1995, 1264(3): 337-346.

[4] Bax B D, Murshudov G, Maxwell A,. DNA topoisomerase inhibitors: Trapping a DNA-cleaving machine in motion [J]., 2019, 431(18): 3427- 3449.

[5] Jain C K, Majumder H K, Roychoudhury S. Natural compounds as anticancer agents targeting DNA topoisomerases [J]., 2017, 18(1): 75-92.

[6] Kintzios S E. Terrestrial plant-derived anticancer agents and plant species used in anticancer research [J]., 2007, 25(2): 79-113.

[7] Hadavand Mirzaei H, Jassbi A R, Pirhadi S,. Study of the mechanism of action, molecular docking, and dynamics of anticancer terpenoids from[J]., 2020, 40(1): 24-33.

[8] Lee M G, Liu Y C, Lee Y L,. Heteronemin, a marine sesterterpenoid-type metabolite, induces apoptosis in prostate LNcap cells via oxidative and er stress combined with the inhibition of topoisomerase ii and hsp90 [J]., 2018, 16(6): 204.

[9] Lai K H, Liu Y C, Su J H,. Antileukemic scalarane sesterterpenoids and meroditerpenoid from() sp., induce apoptosis via dual inhibitory effects on topoisomerase ii and hsp90 [J]., 2016, 6: 36170.

[10] Otake K, Yamada K, Miura K,. Identification of topoisomerases as molecular targets of cytosporolide c and its analog [J]., 2019, 27(15): 3334-3338.

[11] Skok Z, Zidar N, Kikelj D,. Dual inhibitors of human DNA topoisomerase II and other cancer-related targets [J]., 2020, 63(3): 884-904.

[12] Kaur P, Sharma V. Prospective plant based anticancer lead molecules [J]., 2018, 18(30): 2567- 2583.

[13] Li F, Janussen D, Peifer C,. Targeted isolation of tsitsikammamines from the antarctic deep-sea spongeby molecular networking and anticancer activity [J]., 2018, 16(8): 268.

[14] Kalinski J J, Waterworth S, Siwe Noundou X,. Molecular networking reveals two distinct chemotypes in pyrroloiminoquinone-producingsponges [J]., 2019, 17(1): 60.

[15] Dalvie E D, Gopas J, Golan-Goldhirsh A,. 6,6′- dihydroxythiobinupharidine as a poison of human type II topoisomerases [J]., 2019, 29(15): 1881-1885.

[16] Yang N, Yue R, Ma J,. Nitidine chloride exerts anti-inflammatory action by targeting topoisomerase I and enhancing IL-10 production [J]., 2019, 148: 104368.

[17] Song X D, Wang Y N, Zhang Al,. Advances in research on the interaction between inflammation and cancer [J]., 2020, 48(4):300060519895347.

[18] Almeida A F, Dos Santos C N, Ventura M R. Polyphenols, their metabolites and derivatives as drug leads [J]., 2018, 24(19): 2188-2207.

[19] Jadaun A, Subbarao N, Dixit A. Allosteric inhibition of topoisomerase I by pinostrobin: Molecular docking, spectroscopic and topoisomerase I activity studies [J]., 2017, 167: 299-308.

[20] Xin L T, Liu L, Shao C L,. Discovery of DNA topoisomerase I inhibitors with low-cytotoxicity based on virtual screening from natural products [J]., 2017, 15(7): 217.

[21] Li X, Wu X, Zhu J,. Amexanthomycins A-J, pentangular polyphenols produced byS699ΔrifA [J]., 2017, 102(2): 689-702.

[22] Panter F, Krug D, Baumann S,. Self-resistance guided genome mining uncovers new topoisomerase inhibitors from myxobacteria [J]., 2018, 9(21): 4898-4908.

[23] Hall S R, Toulany J, Bennett L G,. Jadomycins inhibit type II topoisomerases and promote DNA damage and apoptosis in multidrug-resistant triple-negative breast cancer cells [J]., 2017, 363(2): 196-210.

[24] Vann K R, Ekiz G, Zencir S,. Effects of secondary metabolites from the funguson DNA cleavage mediated by human topoisomerase IIα [J]., 2016, 29(3): 415-420.

[25] Alallah M I, Alhemaid F, Bai F,. The binding proximity of methyl β-lilacinobioside isolated fromwith topoisomerase II attributes apoptosis in breast cancer cell line [J]., 2018, 25(8): 1826-1833.

[26] Selvakumar J N, Chandrasekaran S D, Doss G P C,. Inhibition of the atpase domain of human topoisomerase iia on HepG2 cells by 1,2-benzenedicarboxylic acid, mono (2-ethylhexyl) ester: Molecular docking and dynamics simulations [J]., 2019, 19(6): 495-503.

[27] So?nicki J G, Idzik T J. Pyridones-powerful precursors for the synthesis of alkaloids, their derivatives, and alkaloid-inspired compounds [J]., 2019, 51(18): 3369-3396.

[28] Pommier Y. Topoisomerase I inhibitors: Chemistry, biology, and interfacial inhibitions [J]., 2009, 109(7): 2894-2902.

[29] Mathijssen R H, van Alphen R J, Verweij J,. Clinical pharmacokinetics and metabolism of irinotecan (CPT-11) [J]., 2001, 7(8): 2182-2194.

[30] Slatter JG SL, Sams J P,. Pharmacokinetics, metabolism, and excretion of irinotecan (CPT-11) following i. V. Infusion of [(14)c] (CPT-11) in cancer patients [J]., 2000, 28(4): 423-433.

[31] Naumczuk B, Wiktorska K, Lubelska K,. New generation of camptothecin derivatives spontaneously alkylating DNA [J]., 2016, 40(9): 7978- 7985.

[32] Jin C, Zhang Q, Lu W. Synthesis and biological evaluation of hypoxia-activated prodrugs of sn-38 [J]., 2017, 132: 135-141.

[33] Wu D, Shi W, Zhao J,. Assessment of the chemotherapeutic potential of a new camptothecin derivative, ZBH-1205 [J]., 2016, 604: 74-85.

[34] Cincinelli R, Musso L, Artali R,. Camptothecin- psammaplin a hybrids as topoisomerase I and hdac dual-action inhibitors [J]., 2018, 143: 2005-2014.

[35] Xu X, Wu Y, Liu W,. Discovery of 7-methyl- 10-hydroxyhomocamptothecins with 1,2,3-triazole moiety as potent topoisomerase I inhibitors [J]., 2016, 88(3): 398-403.

[36] Dai L L, Li D D, Zhao X M,. Synthesis and antitumor effect of sophoridine derivatives bearing an acyclic aryloxy phosphoramidate mustard functionality [J]., 2019, 56(2): 417-425.

[37] Zhao W, Zhang C, Bi C,. Sophoridinol derivative 05d induces tumor cells apoptosis by topoisomerase 1- mediated DNA breakage [J]., 2016, 9: 2805-2817.

[38] Ibric A, Eckerstorfer S, Eder M,. Position-selective synthesis and biological evaluation of four isomeric A-ring amino derivatives of the alkaloid luotonin A [J]., 2019, 24(4): 716.

[39] Rou?ssé J, Spielmann M, Turpin F,. Phase II study of elliptinium acetate salvage treatment of advanced breast cancer [J]., 1993, 29A(6): 856-859.

[40] Paoletti C, Le Pecq J B, Dat-Xuong N,. Antitumor activity, pharmacology, and toxicity of ellipticines, ellipticinium, and 9-hydroxy derivatives: Preliminary clinical trials of 2-methyl-9-hydroxy ellipticinium (NSC 264-137) [J]., 1980, 74: 107-123.

[41] Miller C M, O’Sullivan E C, McCarthy F O. Novel 11-substituted ellipticines as potent anticancer agents with divergent activity against cancer cells [J]., 2019, 12(2): 90.

[42] Wang L, Fang K, Cheng J,. Scaffold hopping of natural product evodiamine: Discovery of a novel antitumor scaffold with excellent potency against colon cancer [J]., 2019, 63(2): 696-713.

[43] Zhang X, Rakesh K P, Shantharam C S,. Podophyllotoxin derivatives as an excellent anticancer aspirant for future chemotherapy: A key current imminent needs [J]., 2018, 26(2): 340-355.

[44] Reddy V G, Bonam S R, Reddy T S,. 4beta-amidotriazole linked podophyllotoxin congeners: DNA topoisomerase-IIalpha inhibition and potential anticancer agents for prostate cancer [J]., 2018, 144: 595-611.

[45] Wei J, Chen J, Ju P,. Synthesis and biological evaluation of 4β--acetylamino substituted podophyllotoxin derivatives as novel anticancer agents [J]., 2019, 7: 253.

[46] Woodard J L, Huntsman A C, Patel P A,. Synthesis and antiproliferative activity of derivatives of the phyllanthusmin class of arylnaphthalene lignan lactones [J]., 2018, 26(9): 2354-2364.

[47] Ballinari D, Bonomini L, Ermoli A,. Aurones as telomerase inhibitors: Italia, EP2002/004191 [P]. 2002-04-15.

[48] Priyadarshani G, Nayak A, Amrutkar S M,. Scaffold-hopping of aurones: 2-arylideneimidazo [1,2-a] pyridinones as topoisomerase IIα-inhibiting anticancer agents [J]., 2016, 7(12): 1056-1061.

[49] Priyadarshani G, Amrutkar S, Nayak A,. Scaffold-hopping of bioactive flavonoids: Discovery of arylpyridopyrimidinones as potent anticancer agents that inhibit catalytic role of topoisomerase IIa [J]., 2016, 122: 43-54.

[50] Islam M T. Diterpenes and their derivatives as potential anticancer agents [J]., 2017, 31(5): 691-712.

[51] Chen Y, Zhao J, Li S,. Total synthesis of sesterterpenoids [J]., 2019, 36(2): 263-288.

[52] Esteves-Souza A, Pissinate K, Maciel M,. Synthesis of new-dehydrocrotonin nitrogenated derivatives and their cytotoxic and DNA-topoisomerase I inhibitory activities [J]., 2017, 29(1): 133-139.

[53] Shen B. A new golden age of natural products drug discovery [J]., 2015, 163(6): 1297-1300.

Research progress on antineoplastic topoisomerase inhibitors from natural products

DAI Yi1, 2, SONG Zu-rong1

1. College of Pharmacy, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China 2. Department of Chemistry, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

Topoisomerase (topo) plays the vital role in solving all of the topological problems of DNA in replication, transcription and other cellular transactions, which is one of the important targets of antitumor drugs. Natural products are an important source of development of topo inhibitors. Exploring topo inhibitors from natural products is one of the hot spots in the development of antitumor drugs. In this paper, the natural topo inhibitors and many derivatives based on natural products are reviewed, in order to provide reference for the development of antineoplastic topo inhibitors.

antitumor; natural products; topoisomerase inhibitors; structure modification; terpene; alkaloids; phenols; quinones

R282.71

A

0253 - 2670(2021)06 - 1785 - 14

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.06.029

2020-06-04

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2019A0873）

戴 一（1979—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)榛钚蕴烊划a(chǎn)物研究。E-mail: daiyiii@163.com

[責(zé)任編輯 崔艷麗]