以腫瘤低氧為靶點的生物還原劑的研究進展

1、藥學學報 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695702 695以腫瘤低氧為靶點的生物還原劑的研究進展劉井寶 1, 傅 磊 1, 胡永洲 2, 姜發(fā)琴 1*(1. 上海交通大學藥學院藥物化學教研室 , 上海 200240; 2. 浙江大學藥學院藥物化學教研室 , 浙江 杭州 310058摘要 : 腫瘤低氧是實體瘤發(fā)展過程中必經的過程 , 是引起腫瘤耐藥、復發(fā)、侵襲和轉移的重要原因。低氧腫 瘤細胞對放療化療有一定的耐受。 腫瘤低氧已成為腫瘤藥物治療的一個重要靶點 , 近年來 , 以腫瘤低氧為靶點的 生物還原劑在治療腫瘤方面取得了很大的進展。本文對生物還

2、原劑研究的最新進展予以綜述。關鍵詞 : 低氧 ; 腫瘤 ; 生物還原劑中圖分類號 : R916 文獻標識碼 :A 文章編號 : 0513-4870 (2009 07-0695-08Recent advances in the study of bioreductive drugs targeted tumor hypoxia LIU Jing-bao1, FU Lei1, HU Yong-zhou2, JIANG Fa-qin1*(1. Department of Medicinal Chemistry, College of Pharmaceutical Sciences, Shanghai

3、 Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Department of Medicinal Chemistry, College of Pharmaceutical Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, ChinaAbstract : Tumor hypoxia is the necessary process in the development of solid tumors, which is the key factor for drug resistance, recurr

4、ence, attack and shift of tumor. Hypoxic tumor cells have a certain extent of tolerance to radiation and chemotherapy. Tumor hypoxia is an important target for medication therapy. In the recent years, the bioreductive drugs targeted tumor hypoxia has made great process in the treatment of tumors. Th

5、e latest advances of bioreductive drugs targeted hypoxia were reviewed in this paper.Key words: hypoxia; tumor; bioreductive drug腫瘤中實體瘤占了 90%以上 , 低氧是實體瘤發(fā)展過 程中必經的環(huán)境條件之一 , 是實體瘤對放療、 化療產 生耐受的重要原因 , 低氧和腫瘤的轉移及惡化關系 密切 , 也是腫瘤預后的獨立指標 1。近年來生物還原 劑因其可選擇性在腫瘤低氧區(qū)經還原酶作用 , 產生對 細胞有毒的代謝產物 , 成為治療腫瘤的研究熱點。 生物還原劑的種類很多 , 本

6、文主要從醌類 (如絲 裂霉素 C 、甲基絲裂霉素 、氮氧化物類 (如替拉扎 明 及過渡金屬絡合物類 (如鈷、 鉻等金屬的絡合物 生物還原劑的作用機制和臨床應用等方面進行綜述。 1 醌類生物還原劑的研究進展醌類化合物是一類重要的生物還原劑如天然產 物絲裂霉素 C 、 喹啉醌、 鏈黑菌素及蒽醌和阿霉素等 都是當前在臨床使用的抗腫瘤藥物 , 部分含天然產收稿日期 : 2009-02-18.*通訊作者 Tel: E-mail: jfq2008 物的醌結構的化合物如吲哚醌 EO9、蒽醌 AQ4N 及 苯醌 RH-1在體內和體外腫瘤細胞中都表現(xiàn)出高的 細胞毒活性 , 這些化合物目

7、前已進入臨床試驗階段 (圖 1 2。作用機制 : 醌生物還原劑可經一電子還原生成 半醌或二電子還原成氫醌自由基陰離子片段 (圖 2 。 半醌和氫醌自由基陰離子可使 DNA 氧化斷裂。半醌 可被分子氧終止以保護正常細胞。1.1 AQ4NAQ4N 沒有 DNA 親和力 , 毒性低 , 但是它的還 原物 AQ4對 DNA 有很強的親和力 , 能有效地抑制 DNA 拓撲異構酶而抑制腫瘤細胞的增殖 3 (圖 3 。 在此基礎上修飾得到的化合物 AQ6N (圖 4 經代謝 后得到的 AQ6的拓撲異構酶 II 抑制活性是 AQ4的兩 倍。 體內研究表明當 AQ4N 與放療或化療藥物 (環(huán)丙 沙星 , SR4

8、233, 順鉑和三胺磷硫 聯(lián)合使用時可提高 作用效率。 696 藥學學報 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695 702 圖 1 幾類醌類生物還原藥物 圖 2 生物還原藥物的作用機制1.2 絲裂霉素 C (mitomycin C, MMC天然產物絲裂霉素 C 是研究最多和最成熟的生 物還原劑 , DT-心肌黃酶可以將 MMC 直接還原為對 苯二酚的結構 (MMCH2, P450酶系可將 MMC 經一 電子還原成半苯醌類結構 , 這種半苯醌類結構是不 穩(wěn)定的 , 在氧氣存在下可以重新被氧化成 MMC 。對 苯二酚結構和半醌類結構都可以通過失去甲氧基

9、, 開氮丙啶環(huán) , 失去氨甲酰基生成具有生物活性的烷化物 , 使 DNA 交聯(lián) 4。作用機制見圖 55。自 1958年絲裂霉素 C 被引入臨床使用以來 , 絲 裂霉素 C 通常與其他化療藥物和放療一起治療胸部、 頭部、頸部和非小細胞肺癌 , 產生了較好的抗腫瘤作 用。近來它與阿霉素聯(lián)用可有效地治療局部膀胱癌。 其類似物甲基絲裂霉素放療聯(lián)合使用治療頭頸鱗片 狀細胞癌 , 治療效果優(yōu)于絲裂霉素 C 6。絲裂霉素 C 的 7位氨基被氧取代稱為絲裂霉素 A (mitomycin A, MMA (圖 4 衍生物 , 對 P388鼠的白血病和皮下黑 色素瘤 B16有高的活性。絲裂霉素 C 上的氮丙啶結 構

10、以環(huán)丙烷基替代的化合物 1 (圖 4 在 V79細胞中有 高的活性。 Gellis 等 7設計合成了絲裂霉素 C 的衍生 物 2 (圖 4, 體外實驗中對乳腺癌細胞 (T47D、肺癌 細胞 (A549 和結腸癌細胞 (HT29 的抑制作用比 絲裂霉素 C 更加優(yōu)秀。最近 Lynch 等 8合成了含有 5, 6, 7元環(huán) 1, 2-a駢 合咪唑醌類衍生物 T1、 T2、 T3和 T4 (圖 6, 這類衍 生物體外試驗中對人類皮膚纖維原細胞 GM00637的 抑制作用是絲裂霉素 C 的 4.4倍。 圖 3 AQ4N抗腫瘤的作用機制劉井寶等 : 以腫瘤低氧為靶點的生物還原劑的研究進展 697 圖 4

11、 醌類生物還原劑的結構式 圖 5 MMC低氧下抗腫瘤的作用機制 圖 6 5, 6, 7元環(huán) 1, 2-a駢合的咪唑醌類的結構式 1.3 RH-1 含有雙氮丙啶結構的 2, 5-二氮丙啶 -3-羥甲基 -6-甲基 -1, 4-苯醌 (RH-1 是 DT-心肌黃酶的底物 , 其水 溶性好 , 在體內外具有很好的抗腫瘤活性。 RH-1在體內 NADPH 、細胞色素酶 P450作用下形成活化的 半醌形式進而發(fā)揮抗腫瘤作用 9 (圖 7 。 RH-1在體內 代謝穩(wěn)定性比絲裂霉素 C 和 EO9高 , 細胞活性是絲 裂霉素 C 的 225倍 , 毒性主要包括骨髓抑制和引起局 部炎癥 , 視網膜毒性比 EO

12、9小 , 針對實體瘤的 I 期臨床正在進行中 10。圖 7 RH-1 抗腫瘤的作用機制698藥學學報 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695 7021.4 醌類作為載體一個毒性較大的藥物與醌直接或間接相連 (通 常在醌 3位甲基上 可制成毒性較小或無毒的前藥 , 該前藥經還原活化生成半醌自由基 (單電子還原過 程 或者氫醌 (二電子還原過程 再裂解釋放出治療 藥物 (圖 8、圖 9 。常用載體包括苯醌、 萘醌和吲哚醌 , 其中最常用 的是苯醌和吲哚醌。藥物經氧或氮連接鏈連接到醌上制成前藥 , 前 藥還原后生成醌亞甲基 , 醌亞甲基與 DNA 發(fā)生烷

13、基 化反應 , 產生毒副作用。為了避免醌亞甲基的生成 , 可通過醌內酯化和醌內自我烷基化來消除醌內亞甲 基。1.4.1醌內酯化 11如圖 10所示 , 醌化合物經還原 后得到中間體的鄰羥基與連接鏈上的羰基經分子內 環(huán)合生成非烷基化內酯成分 , 同時釋放出藥物。 該體 系適合丙酸酯或丙酰胺 , 其在環(huán)內酯化的同時 , 可釋 放一個醇或胺類藥物。1.4.2 自我烷基化 12如果醌本身帶有一個親核部 分 , 醌化合物經還原得到的醌亞甲基與該親核部分發(fā) 生自身烷基化反應 , 并釋放一個活性藥物 , 自我烷基 化中的親核部分可以是專門引入的親核片段 (圖 11, 圖 8苯醌類遞劑活化途徑 圖 9吲哚醌類

14、遞劑活化途徑 圖 10醌內酯化的過程示意圖 圖 11自我烷基化的示意圖劉井寶等 : 以腫瘤低氧為靶點的生物還原劑的研究進展 699方式 a, 也可以是醌活化后的羥基 (圖 11, 方式 b 。 活性藥物經酯、胺或醚連接到吲哚醌的 3位上 , 吲哚醌 3位甲基經過 Michael 消除得到吲哚醌亞甲基 的同時高效釋放出藥物 13, 得到的亞甲基作為烷基 化試劑會產生一些副作用 , 但這些副作用可通過 3位 引入大體積基團而減輕。2 氮氧化物類生物還原劑的研究進展氮氧化物低氧選擇性生物還原劑可被某些特異 性的酶選擇性地活化產生活性 , 大量氮氧化物 (圖 12 被報道具有低氧選擇性的細胞毒活性 ,

15、 如 1, 2, 4-三嗪 -1, 4-二氧化物替拉扎明 (Tirapazamine, TPZ、 喹喔啉類化合物 2-氰基 -3-氨基 -喹喔啉 -1, 4-二氧化物 (TPZCN 和吩嗪 5, 10-二氧化物 , 其中化合物替拉扎 明已進入臨床試驗研究階段。氮氧化物的作用機制 : 在低氧下氮氧化物被一 或二電子還原酶活化 , 得到活性羥基自由基中間體 , 該中間體與 DNA 結合 , 抽提 DNA 單鏈或雙鏈上的氫 , 使 DNA 氧化斷裂 (圖 14 。如 TPZ 經一電子還原得 到羥胺自由基。 參與氮氧化物活化的還原酶有細胞色 素 P450還原酶和 DT-心肌黃酶。一電子還原生成的 圖

16、12氮氧化物類生物還原劑的結構式 圖 13包含氮氧化物部分的官能團 羥胺自由基的過程可被分子氧終止 , 以保證在有氧 組織中的安全性 14。2.1 1, 2, 4-三嗪 -1, 4-二氧化物1, 2, 4-三嗪類二氧化物是近年來研究得非?；?躍的生物還原劑 , 主要包括單環(huán) 1, 2, 4-三嗪 -二氧化 物和苯并三嗪 -1, 4-二氧化物 (圖 15 。為了降低毒副作用 , 人們對此做了進一步的修 飾 , 如替拉扎明去氨基衍生物 SR4482, 還原電位比 替拉扎明高 (還原電位為 190 mV, 替拉扎明為 332 mV, 在體內被快速代謝 , 其體內體外活性和低氧選 擇性均比母體化合物低

17、。3-烷基 -1, 2, 4-苯并三嗪 -1, 4-二氧化物 SR4895 (3-乙基衍生物 、 SR4898 (3-丙基 和 SR4909在鼠體內 SCCVII 腫瘤放射試驗中活性與替拉扎明相當 , 其中 SR4985優(yōu)越的物理化學性質和體內活性可作為替拉 扎明候選化合物 , SR4909雖有高的活性但其毒性也 高 , 不適合在體內使用 , SR4895及 SR4909分別與順 鉑聯(lián)合使用時表現(xiàn)出與替拉扎明與順鉑聯(lián)合使用時 相當的活性。3-氨基被 3-烷基胺或 3-烷基醚取代得到的化合 物 , 增加了水溶性 (鹽酸鹽 , 如 -氨基乙基類似物 SR4916體外細胞毒活性為替拉扎明的 12倍

18、15。 3- (2-甲氧乙基 -1, 2, 4-苯并三嗪 (SR4941 的溶解性比 替拉扎明高 9倍 , 低氧活性相當 , 選擇性高 (HCR=180, 毒性小。2.2 喹喔啉 -1, 4-二氧化物1994年報道了喹喔啉 -1, 4-二氧化物具有低氧選 擇性細胞毒活性 , 體外活性最好的是 3-氨基 -2-氰基 衍生物 (TPZCN (圖 12, 其活化機制與替拉扎明相 似 , 經酶活化引起 DNA 氧化斷裂 16。人們以喹喔啉 -1, 4-二氧化物為母體結構設計合 成了系列化合物 , 如 7-(4-硝基 -苯基 -2-氰基 -喹喔啉 - 1, 4-二氧化物 (3 (圖 16 在 V79細胞

19、中比替拉扎明 及其母體化合物活性高 150倍 , 低氧選擇性比替拉扎 圖 14氮氧化物的代表化合物 替拉扎明的活化途徑700 藥學學報 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695702 圖 15 1, 2, 4-三嗪類二氧化物的結構式 圖 16 喹喔啉-1, 4-二氧化物的結構式 明和其母體化合物高 3 倍, 但它沒有改善母體化合物 的水溶性。3-烷氨基衍生物 (4 (圖 16 表現(xiàn)出高的 體外活性, 但在體內實驗中因半衰期太短沒有得到 理想的治療效果。 Urquiola 等 17 中表現(xiàn)出比母體化合物優(yōu)越的細胞毒活性及低氧選 擇性, 且增加了化合物在

20、溶液中的穩(wěn)定性和水溶性。 但目前這一類絡合物在體內的作用機制還不清楚, 有待進一步研究。 3 過渡金屬絡合物的研究進展 利用過渡金屬氧化還原的性質如 Co3+和 Co2+在 動力學反應速度上的差別設計合成了新型生物還原 劑。配體與高價過渡金屬得到的絡合物相對穩(wěn)定, 但 在體內還原酶的作用下, 高價金屬被還原成低價, 低 價金屬絡合物不穩(wěn)定, 容易釋放出一個活性配體。據 此, 人們設計出一類新型的低氧選擇性抗腫瘤試劑 過渡金屬絡合物, 與金屬絡合的配體包括烷基化 試劑氮芥、DNA 結合試劑及細胞毒試劑。 Ware 等 19, 20 根據以上作用原理設計合成了系 列鈷的氮芥絡合物Co(Racac2

21、LClO4 (其中 Racac = 3-烷基戊烷-2, 4-二酮陰離子, R = Me, Et, Pr, H; L = BEE, BCE, DCE, DED, DCD、Co(Rtrop 2 LClO 4 設計合成了 3 個 TPZCN 的類似物 (圖 16, L1, L2, L3, 這幾個化合物在體外 V79 細胞都 表現(xiàn)出了很好的活性, 但由于其在體內半衰期很短 及水溶性差等原因, 沒有進行進一步的臨床研究。 為了提高生物利用度, 人們設計合成了一系列 TPZCN 與金屬絡合形成的化合物 (圖 16, 如 Torre 等 18 將 2-氰基-3-氨基-喹喔啉-1, 4-二氧化物與銅絡 合得到

22、 3 個化合物 (L4、L5 及 L6, 這些復合物在體 外 V79 細胞中表現(xiàn)出與母體化合物相當的細胞毒活 性及低氧選擇性, 且增加了化合物在溶液中的穩(wěn)定 Urquiola 等17將 TPZCN、 性, 但并沒有改善其水溶性。 L1、 和 L3 分別與金屬鈀絡合得到 4 種新穎的化合 L2 物 L7、L8、L9 和 L10, 這些復合物在體外 V79 細胞 劉井寶等: 以腫瘤低氧為靶點的生物還原劑的研究進展 701 圖 17 過渡金屬絡合物類生物還原劑的結構式 圖 18 氮芥銅絡合物的作用機制 (其中 R = H, Br; L = BEE, BCE, DEE, DCE 和 Co(Racac2

23、LP (其中 R = Me, Et, Pr, H; L = BCA, BPE, BCE; P = I, Cl, ClO4, 其中Co(Meacac2DCEClO4 和 Co(Racac2LP 對低氧腫瘤細胞有很好的殺傷作用。 此外, Ahn 等 20 氧化物后新的發(fā)展方向。盡管生物還原劑的研究已 取得了很大的進展, 但在藥物實際開發(fā)過程中仍有 許多問題有待解決, 如醌類化合物有心臟毒性, 需慎 重選用; 氮氧化物中替拉扎明在使用過程中因其在 組織中的轉運能力弱, 影響了藥效; Co3+與 Co2+的電 化學可逆性還沒有解決, 還處于探索階段。相信在 不久的將來, 研究中遇到的各種問題終將會被克

24、服, 低氧選擇性藥物在腫瘤的治療中會有很好的應用前 景。 還研究了鈷與烷基化試劑 8-羥基 喹啉類化合物 azaCBI 絡合得到化合物 Co(III (cyclen (azaCB (圖 17, 該化合物在 HT29 細胞中可選擇性 地還原釋放出 azaCBI 而殺死腫瘤細胞。 Parker 等 21 利用前藥原理設計合成了 3 個氮芥 類與銅形成的絡合物 5、6、7 (圖 17, 體外活性試驗 表明, 化合物 6 具有很強的抑制肺癌細胞 A549 的作 用, 5 和 7 的活性較弱。作用機制見圖 18。 4 結論 作用于腫瘤細胞低氧區(qū)的選擇性藥物的研發(fā)為 腫瘤的治療開辟了新的研究領域。醌類化合

25、物經還 原可生成半醌和氫醌自由基陰離子, 這些陰離子可 使 DNA 氧化斷裂, 殺死腫瘤細胞; 氮氧化物和金屬 絡合物是新型的低氧選擇性抗腫瘤化合物, 尤其是 前者因具有好的治療效果成為化學工作者們的新寵, 代表化合物替拉扎明與其他放療化療試劑聯(lián)合使用 已進入臨床 II/III 期; 金屬絡合物尤其是鈷絡合物在 動物體內實驗中表現(xiàn)出較好的抗腫瘤活性, 是繼氮 4 3 2 References 1 Supuran CT. Carbonic anhydrases: novel therapeutic applicaNat Rev Drug Discov, tions for inhibitors

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