葱莲生物碱类化合物的抗白血病作用及机理研究

Despite modern advancements in diagnosis, prevention and therapy, leukemia still affects millions of patients worldwide. Therefore, it is very essential to develop new therapeutic drugs. According to the clinical data, natural products have widely used for cancer treatment on the basis of the high efficiency and lower toxicity. So it could be a good strategy to discover more anti-leukemia drugs from natural products. Alkaloids are widely distributed in natural and have diverse pharmacological active. Previously, 15 alkaloids monomer were isolated and identified from Zephyranthes candida by our group, in which 7 new alkaloids included. Their cytotoxicity were preliminary evaluated, N-methylhemeanthidine chloride (NMHC, 1) exhibited strong cytotoxicity against leukemia cells lines HL60 and K562, and with selectivity indices as high as 10 when compared to the normal cell line Beas-2B. However, their anti-leukemia potential and mechanisms have not been systemic elucidated yet. The purpose of the current study is to assess the anti-leukemia effects and the molecular mechanisms of NMHC and its derivatives, using modern pharmacology, cell biology, molecular biology, proteomics and structural biology approaches. Based on these, we can analysis the structure-activity relationship of NMHC and their derivatives; it will helpful to the further research or clinic use of alkaloids, it will also provide an insight into the pharmacological research of other potent and safe antitumor agents.

完全有效的治疗白血病方法依然缺乏，开发高效低毒的抗白血病药物十分必要；以天然药物目前在临床上应用的普遍性和有效性来看，继续在资源丰富的自然界寻找抗白血病药物具有可行性。生物碱是一类来源丰富、药理活性多样的天然化合物，本实验室前期从葱莲的球状根茎中分离出了15种生物碱，其中包括7种新型生物碱。新化合物1（NMHC）对以HL60和K562细胞系为代表的白血病细胞具有很强的增殖抑制作用,IC50小于1µM，且相对其他细胞有很强的选择性。在此基础上，本研究将以白血病为切入点，拟采用现代药理学、细胞生物学、分子生物学、蛋白质组学和结构生物学等学科的方法，以白血病细胞和小鼠为模型着重研究以NMHC为代表的葱莲生物碱抗白血病的作用和机理，以评价该类化合物作为先导化合物和成药的可能性；并以此为基础，对NMHC及其衍生物进行构效关系分析，为这一类化合物的结构优化、进一步开发和利用提供科学依据。

生物碱是一类药理活性多样的天然产物，本实验室前期从葱莲中分离出了24种新型生物碱。初步活性研究显示，它们中的大多数对癌细胞特别是急性髓系白血病（AML）细胞具有很强的选择性杀伤作用,IC50都小于1µM，从结构上看，都含有菲啶酮结构。但是除了NMHC和Zephycandidine A外，其他的天然生物碱的含量都很少。因此，我们开发了通过Na2S2O8促进联芳基-2-草酰胺脱羧环化来合成菲啶酮骨架的方法，本项目利用该方法合成了20种菲啶酮衍生物，并利用药理学和分子生物学的方法深入研究了NMHC、Zephycandidine A和合成的菲啶酮衍生物抗AML的作用和机制。结果显示，NMHC在体内和体外都具有很强的抗AML作用，该作用通过激活NOTCH信号通路来实现；Zephycandidine A通过作用于凋亡相关蛋白如PARP, Bcl-2, Bax和Cleaved-caspase3、激活凋亡通路来发挥抗AML作用。20种合成的菲啶酮衍生物中，ZYH005（5-（4-甲氧基苯乙基）- [1,3]二氧杂环戊烯并[4,5-j]菲啶-6（5H）-酮）对AML，特别是M3型AML-早幼粒细胞白血病（APL）及反式维甲酸（ATRA）耐药APL在体外和体内都显示出特异性的抑制作用，同时，该化合物对非癌细胞系没有毒性作用。机制上，ZYH005是一种DNA嵌入剂，可导致DNA损伤，细胞G2/M期阻滞和PML-RARα融合蛋白依赖于Caspase家族的降解，进而导致细胞发生凋亡；而且，这一凋亡诱导作用比三氧化二砷和包括5-氟尿嘧啶，顺铂和阿霉素在内的抗癌药物更强，提示该类化合物具有成为治疗APL尤其是ATRA耐药 APL候选药物的潜力。综上所述，本项目首次阐明了具有菲啶酮母核结构的生物碱衍生物是一种潜在的DNA嵌入剂，可通过靶向DNA相关信号通路，造成DNA损伤和细胞周期阻滞进而激活下游的NOTCH信号通路、凋亡信号通路来发挥抗AML作用。该研究还从侧面证明了菲啶酮衍生物可以通过靶向DNA来治疗DNA损伤修复系统存在缺陷的癌症，比如AML。另外，该研究还提示N-（4-甲氧基苯基）乙基衍生物上的杂原子取代基对抗癌活性起决定作用。相关成果发表在Nucleic Acids Research和 Scientific reports杂志上。本项目为该类天然衍生物的抗肿瘤开发和临床应用打下了基础。