基于肿瘤转移模型的多功能拓扑异构酶抑制剂的设计、合成及抗侵袭转移研究

The microenvironment of cancer cells plays an important role in metastatic process and in the process the matrix metalloproteinases (mmp) and lysyl oxidase (lox) are essential enzymes for metastasis. The drugs that targeting the microenvironment of cancer cells and host cells are less available for clinics. In our preliminary work, we introduced a chelating group into ciprofloxacin(topoisomerase inhibitor) to generate a multifunctional topoisomerase inhibitor, exerting better antitumor activity. It was surprised that its metal complex exhibited excellent antitumor activities and topisomerase inhibition. In the current proposal, we will synthesize a series of multifunctional compounds that both containing a group which can inhibit the mmp and lox from microenvironment of tumor cell, and also a group(4′-demethylepipodophyllotoxin) that inhibits topoisomerase based on the metastasis model of cancer. And then we will 1)investigate their inhibition of mmp, lox and topoisomerase; 2) evaluate their growth and metastasis inhibition against different cancer cell line; 3) chose the best candidate(s) and observe their proliferation and metastasis inhibition by using nude mice and changes of related genes; 4)explore their effect on NDRG1(in time), Wnt/β-catenin and apoptosis pathway. The results from the project will be helpful to understand the mechanism of metastasis inhibition of the new topoisomerase inhibitors, revealing the potential molecular mechanism. Finally, the project will make contribution to theory of antitumor drug designation.

肿瘤细胞的微环境对其生长转移有着重要的影响，而微环境中的基质金属蛋白酶（mmp）及赖氨酸氧化酶（lox）起着关键作用。针对肿瘤微环境及肿瘤细胞的双靶向药物并不多见。前期研究显示在环丙沙星(拓扑异构酶(Topo)抑制剂)上引入螯合基团能显著提高抗肿瘤活性，其铜的配合物展示更好的Topo抑制活性。本课题依据肿瘤扩散模型，拟化学合成一些既有干预肿瘤微环境中的mmp的基团，又有Topo抑制剂（4'-去甲基表鬼臼毒素）结构单元的多功能抑制剂。1）研究它们对mmp、lox及体内外Topo 抑制作用；2）评估它们对肿瘤细胞的生长抑制、转移能力的影响；3）选择优良的抑制剂，观察它们对动物模型中肿瘤细胞生长抑制、转移能力及相关基因的影响；4）探讨它们对抑癌基因NDRG1、Wnt/β-catenin以及凋亡信号通路的影响；研究结果将有助于阐明此类多靶点药物抑制肿瘤细胞转移的分子机制，为肿瘤药物研发提供理论支撑

化疗是癌症治疗主要手段之一，然而它的毒副作用以及产生的耐药性使得化疗难以长期使用，设计合成新型化疗药物是解决此问题的重要途径之一。铁螯合剂，尤其是硫代甲酸衍生物具有良好的生物活性。另外细胞生长需要拓扑异构酶解决复制过程中DNA缠绕问题，所以抑制拓扑异构酶能抑制细胞生长。本课题旨在合成一类新型的多功能药物，不仅能抑制细胞的侵袭转移又能抑制其生长。为此我们将铁螯合剂结构单元与拓扑异构酶抑制剂通过化学偶联技术结合起来，即将吡啶醛（酮）二硫甲酸酰腙的脂肪酸酯与鬼臼毒素连接起来，构成了既可抑制基质金属蛋白酶（肿瘤微环境）又能抑制拓扑异构酶的多功能药物。本课题完成了目标药物及相关铁螯合剂的合成，获得4个目标药物，8个吡啶醛（酮）二硫代甲酸酰腙的脂肪酸酯类铁螯合剂。体外实验表明，目标化合物不仅能抑制基质金属蛋白酶，亦能抑制拓扑异构酶，且优于依拓泊苷。细胞生长抑制评估说明所合成药物均有较好的抗肿瘤活性。在实验数据分析基础上，获得初步的构效关系：（1）吡啶醛腙二硫代甲酸脂肪酸酯，乙酸酯活性较弱；丙酸、丁酸活性较高；戊酸等活性更弱，即生物活性与脂肪碳链长度有关。（2）同样地，在吡啶酮腙二硫代甲酸脂肪酸酯系列有相似的结果。当这些铁螯合剂与鬼臼毒素偶联时， 丙酸、丁酸衍生物易于连接，而过短或过长不已偶联。（3）吡啶酮腙二硫代甲酸丙酸、丁酸与鬼臼毒素的偶联物的抗肿瘤活性稍高于吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸、丁酸与鬼臼毒素偶联物。在机制研究方面我们发现：（1）合成的铁螯合剂均能又到凋亡、自噬、铁死亡（ferroptosis）；(2) 产生的生物作用与它们能诱导铁蛋白自噬有关；(3) 进一步研究发现所合成药物抑制肿瘤细胞侵袭转移与上皮-间质抑制有关; (4)这些药物的生物活性部分地与诱导的铁蛋白自噬。综上所述，我们的研究成果不仅有重要的应用前景，亦为药物作用机制提供了重要的理论基础。