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基于亲电修饰策略设计荜茇酰胺和姜黄素导向的谷胱甘肽-S-转移酶抑制剂和抗癌试剂

王海波  
【摘要】:癌细胞与正常细胞相比,呈现出许多不同的生化特征,例如过度表达的谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione S-transferases,GSTs)和升高的活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平。一方面,癌细胞可利用高表达的GSTs实现其耐药性,因此,发展GSTs抑制剂作为敏化剂是一种克服癌细胞多药耐药性的有效策略。另一方面,癌细胞利用提高水平的ROS来维持其恶性表型,同时也更加依赖于一种还原适应的机制控制ROS水平的进一步提高,避免达到“ROS死亡阈值”。也正因为如此,癌细胞更加容易受损于进一步ROS的生成。癌细胞既依赖又受损于ROS生成的矛盾角色被称之为“成也萧何,败也萧何”(live by the sword,die by the sword)(Cancer cells,2006,10,175)。癌细胞的这一特征衍生出一种与传统的抗氧化治疗完全相反的促氧化抗癌策略:通过促进胞内ROS的生成,实现选择性杀死癌细胞。亲电性和亲核性的概念是有机化学的基础理论之一。一个亲核体的亲核中心进攻另一个亲电体的亲电中心构筑了一个新共价键。然而,在自然界中,亲电体和亲核体却被相互隔离(Nat.Prod.Rep.2012,29,659)。具有生物活性的亲电天然产物能与生物体内含有亲核中心的生物大分子如蛋白或核酸发生共价结合反应,从而实现大自然对生命过程的调控。天然产物荜茇酰胺(piperlongumine)和姜黄素(curcumin)因其结构中含有两个Michael受体单元,是一类重要的亲电分子和促氧化的抗癌试剂。自噬作为II型程序性细胞死亡方式,已经成为继凋亡之后当前生命科学最热的研究领域之一。然而,目前基于天然产物骨架设计GSTs抑制剂、促氧化抗癌试剂和自噬性死亡激活剂的工作尚不多见。综上所述,我们提出:基于亲电修饰策略设计荜茇酰胺和姜黄素导向的GSTs抑制剂、促氧化抗癌试剂和自噬性死亡激活剂是否具有可行性?因此,本论文基于亲电修饰的策略对荜茇酰胺和姜黄素进行结构改造,设计、合成了一系列的亲电体,评价了它们的抑制GST(第二、四章)和促氧化抗癌活性(第三、五和六章)。主要研究内容如下:(1)基于亲电修饰的策略,我们设计、合成了十三个荜茇酰胺类似物,评价了它们的GST抑制活性。结果表明:荜茇酰胺及其类似物的亲电性在GST抑制中扮演了重要角色。在这些类似物中,苯环和内酰胺环上分别存在着对位-CF3和α-Cl原子的PL-13,作为一个新颖的GSTs抑制剂,能够凭借其Michael受体单元抑制肺癌A549细胞内的GSTs,从而克服细胞对顺铂的耐药性(Scheme 1)。该工作以荜茇酰胺为例诠释了基于亲电修饰策略设计天然产物导向的GSTs抑制剂的可行性。Scheme 1 PL-13 works as a potent GST inhibitor to overcome cisplatin resistance in lung cancer A549 cells.(2)我们利用第二章节所设计的分子并以人骨肉瘤U2OS作为细胞模型,证实了发展荜茇酰胺导向的促氧化自噬激活剂的可行性。发现与母体分子荜茇酰胺相比,亲电性最强的类似物PL-13呈现出显著增加的细胞毒性。机制研究表明:此分子凭借其Michael受体单元导致H_2O_2的产生,从而激活MAPKs信号通路,诱导细胞自噬性死亡(Scheme 2)。本工作中,我们不仅澄清了PL-13诱导的ROS的产生是诱导癌细胞死亡的上游信号,而且分别通过ROS清除试剂VE和H_2O_2专一清除剂CAT部分和完全抑制上述信号,证实该ROS为H_2O_2。Scheme 2 Mechanisms for the PL-13-induced autophagic death of U2 OS cells.(3)基于亲电修饰的策略,我们在姜黄素苯环上引入吸电子的-CF3或给电子的-OCH3和-OH,同时也引入不同的五碳连接体(丙酮、环戊酮和环己酮)来屏蔽掉导致母体分子不稳定性的β-二酮结构,设计、合成了三个系列的单羰基姜黄素类似物,评价了它们的GST抑制活性。在这些类似物中,NC-3作为一个重要的先导化合物,其分子结构中存在着两个苯环间位-CF3和一个丙酮连接体,能够凭借其Michael受体单元抑制细胞内的GSTs,从而降低顺铂的外排和活化ASK1-JNK/p38信号通路,进而敏化顺铂耐药的肺癌A549细胞(Scheme 3)。Scheme 3 NC-3 acts as a potent GST inhibitor to overcome cisplatin resistance in lung cancer A549 cells.(4)由于氮杂环能够以中性和质子化的形式存在,因此,在姜黄素结构中引入哌啶酮可以增加它的溶解度以及透膜能力(Bioorg.Med.Chem.2010,18,6701)。因此,我们引入不同的五碳连接体(环己酮、哌啶酮和甲基哌啶酮)和基于亲电修饰的策略引入吸电子-CF3或给电子的-OCH3,设计、合成了三个系列的单羰基姜黄素类似物。发现大多数的类似物呈现出比母体分子姜黄素更高的诱导肺癌NCI-H460细胞死亡活性,尤其是苯环间位-CF3取代的单羰基哌啶酮姜黄素类似物CNH-3呈现出最强的细胞毒性。机制研究表明:该分子能够凭借其Michael受体单元促进胞内ROS(包含H_2O_2)的产生,并以ROS依赖的方式诱导线粒体介导的细胞凋亡和p38蛋白介导的自噬性死亡(Scheme 4)。该工作证实了基于亲电修饰策略设计姜黄素导向的细胞凋亡诱导剂和自噬性死亡激活剂的可行性。Scheme 4 Mechanisms for the CNH-3-induced apoptosis and autophagic death of NCI-H460 cells.(5)我们利用第四章节所设计的分子并以肺癌NCI-H460作为细胞模型,证实了设计姜黄素导向的促氧化周期阻滞试剂的可行性。发现大多数的类似物呈现出比母体分子姜黄素更高的活性,尤其是CP-5有着最强的细胞毒性,其分子结构中存在着两个苯环邻位-OCH3和一个环戊酮连接体。机制研究表明:该分子能够凭借其Michael受体单元促进胞内ROS(包含H_2O_2)的产生,并以ROS依赖的方式上调p53蛋白和下调细胞分裂周期蛋白Cdc25C来降低细胞周期蛋白依赖的激酶Cdk1的表达,从而阻滞细胞周期在G2/M期(Scheme 5)。Scheme 5 Mechanisms for the G2/M cell cycle arrest induced by CP-5 in NCI-H460 cells.


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