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《兰州大学》 2019年
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基于环状二硫/二硒结构设计靶向细胞氧化还原调控系统的小分子

李新明  
【摘要】:硫氧还蛋白还原酶(TrxR)/硫氧还蛋白(Trx)和谷胱甘肽还原酶(GR)/谷胱甘肽(GSH)系统是生物体内重要的两类基于硫醇/硒醇-二硫键交换反应的氧化还原调控系统。大量研究表明,TrxR/Trx和GR/GSH系统在多种肿瘤细胞内处于过表达状态,而这种过表达的TrxR/Trx和GR/GSH对于维持肿瘤细胞的表型至关重要。本论文合成了一系列基于环状二硫/二硒结构的荧光探针和前药分子,并对它们的性质进行了详尽深入地研究。首先,我们设计合成了快速特异性检测TrxR活性的荧光探针Fast-TRFS,并发现了1,2-二硫戊环结构是TrxR的特异性配体;而后,基于1,2-二硫戊环结构,我们设计合成了首个特异性被TrxR激活的前药S-Gem;接着,基于1,2-二硒戊环结构,我们设计合成了被细胞内还原性物质激活的前药S-Gem;最后我们研究了一种具有环状二硫结构的天然产物——芦笋酸(AA)的神经保护机制。主要内容如下:第一章绪论部分,我们首先概述了靶向生物体内氧化还原系统在疾病治疗中的应用以及特异性检测TrxR活性的方法,接着综述了生物体内基于硫醇/硒醇-二硫键交换反应的氧化还原蛋白的功能以及具有环状二硫/二硒结构的化合物的生物学应用。第二章通过对课题组之前发展的检测TrxR活性的荧光探针TRFS-green的结构改造,如将探针识别部位的环状二硫结构变成环状二硒结构、将五元环变成六元环、将连接部位由氨基甲酸酯(-NH-C(O)-O-)变成碳酸酯(-C-C(O)-O-)或者脲(-NH-C(O)-NH-)的结构等,发展了响应速率更快、选择性更高的检测TrxR活性的荧光探针Fast-TRFS。鉴于Fast-TRFS的优良性质,我们建立了以组织粗提物作为TrxR来源的高通量筛选TrxR抑制剂的方法。在这一章节中,我们也系统研究了一系列环状二硫/二硒化物与TrxR和GSH的相互作用,得出了1,2-二硫戊环结构能够特异性被TrxR还原的结论。而后基于水溶性的4-氨基-1,2-二硫戊环(DTA),我们进一步发展了既经济又简便的检测复杂生物样品中TrxR活性的方法。第三章基于1,2-二硫戊环结构特异性被TrxR还原的性质,我们将1,2-二硫戊环与抗肿瘤药物吉西他滨(Gem)通过-NH-C(O)-O-连接,设计合成了前药化合物S-Gem。一系列生物活性测试表明,TrxR能特异性激活S-Gem释放出母体药物分子Gem。尤其重要的是,S-Gem在TrxR表达量高的细胞内表现出更高的细胞毒活性。鉴于TrxR在多种肿瘤细胞内处于过表达的状态,因此,S-Gem的设计合成提供了一种潜在的抗肿瘤药物以及一种靶向肿瘤细胞的新策略。第四章将环状二硒化物与Gem连接,设计合成了含有五元环二硒化物的前药Se-Gem以及含有六元环二硒化物的前药Se6-Gem。活性测试表明,Se-Gem能够有效地被GSH激活并释放出母体药物分子Gem,同时也会释放出一个硒醇分子。而该硒醇分子、环境中的氧气和GSH共同形成了一个氧化还原循环体系,从而能够不断催化环境中还原性物质的氧化并伴随超氧阴离子的生成。一方面,肿瘤细胞内高水平的还原性物质如TrxR、Trx和GSH往往会导致细胞对多种化疗药物产生耐药性;另一方面,肿瘤细胞内较高的ROS水平导致其比正常细胞更容易受到进一步氧化应激的损伤。因此,Se-Gem的设计合成提供了一种潜在的抗肿瘤化疗药物以及一种增加母体药物分子选择性和疗效的新策略。第五章研究发现具有1,2-二硫戊环结构的天然产物芦笋酸(AA)能够保护神经细胞免受氧化应激的损伤。进一步机制研究表明,AA通过激活Keap1-Nrf2-ARE信号通路,上调一系列下游抗氧化蛋白的表达,从而增加神经细胞抵抗氧化应激损伤的能力。这一研究为进一步认识芦笋酸的生物学功效提供了理论基础。第六章对全文进行了总结,同时对环状二硫/二硒化物在靶向氧化还原调控系统的小分子设计中进行了展望。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O657.3;R914

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