抗肿瘤活性天然产物冬凌草甲素的成药性优化及作用靶点探索研究

Natural products (NPs) are vital in the discovery of novel antitumor drugs, however, the developments of NP-based antitumor drugs are hampered by their unidentified targets and structural complexity. Oridonin was an ent-kaurene diterpenoid isolated from genus Isodon (Rabdosia), and had extensive antiproliferative activities against many kinds of cancer cells. But its poor druggability and unidentified drug target greatly impeded its development and application for the preclinical use. In our previous work, we explored the structure-activity relationships of oridonin, and studied its mode of anticancer action by using fluorescent probes. Based on the above results, the present study will focus on the structural modification by strategies of activity improvement, LogP balance, metabolism and solubility improvements. Then, the druggabilities of target compounds will be evaluated including antiproliferative activities, metabolic stability and toxicity. On the other hand, oridonin-biotined probe will be synthesized based on the bioorthogonal strategy and used for the target fishing and identification. Our study will pave the way for the development of potent antitumor drugs with identified target and good druggability.

活性天然产物在抗肿瘤新药研发中占有极其重要的地位，但其复杂结构导致的成药性差和作用靶点不明确一直是天然产物创新药物研发的主要障碍。冬凌草甲素是从香茶菜属植物中分离得到的贝壳杉烷型四环二萜活性天然产物，对多种肿瘤细胞具有广泛的抗肿瘤活性。为了探索其作用靶点，改善其成药性，申请人前期构建了冬凌草甲素四环二萜化合物库，探索了该类化合物的构效关系，获得了值得进一步优化的衍生物；并利用荧光探针研究了其抗肿瘤作用模式与机制。在此基础上，本项目拟根据前期研究结果，针对提高冬凌草甲素衍生物的抗肿瘤活性，平衡其LogP，改善水溶性及代谢稳定性四个方面进行新一轮的结构改造与优化，并进一步考察其成药性特征。同时拟利用生物正交策略，设计合成冬凌草甲素生物素探针分子，对其展开靶点垂钓与靶点验证研究，以探明冬凌草甲素的抗肿瘤作用靶点。为寻找和发现作用靶点明确，抗肿瘤活性强，成药性优良的抗肿瘤候选药物分子奠定基础。

寻找具有优良药理活性的天然产物一直是药物研发中的热点领域，天然产物所特有的生物活性多样性和新颖的结构骨架，为新药研究和靶标发现提供了重要的来源。本项目根据前期研究结果，针对提高冬凌草甲素衍生物的抗肿瘤活性，平衡其LogP，改善水溶性及代谢稳定性四个方面进行结构改造与优化。经过三年的研究，我们选择性去除或修饰了冬凌草甲素的各个羟基，获得了8 个具有全新结构的冬凌草甲素类似物。体外抗肿瘤增殖实验研究显示，部分新母核具有较强的抗肿瘤活性和优良的成药性。进一步针对这几类母核进行了衍生化研究，合成了 48 个冬凌草甲素衍生物，体外抗增殖活性研究表明，大部分化合物抗肿瘤活性优于先导物冬凌草甲素。其中活性最好的化合物 对白血病细胞 K562 的 IC50 达到了 0.085μM。对代表化合物的抗肿瘤机制研究显示， 这类分子可以通过多途径、多通路引起肿瘤细胞凋亡或自噬。进一步的肿瘤学研究表明，部分分子对难治型三阴性乳腺癌具有较好的抗肿瘤活性，代表性分子X-01有着较好的药效学、药动学和毒理学结果，临床前结果显示疗效非常显著，具有突出的抗三阴性乳腺癌作用，且毒副作用较低，具有进一步的临床开发价值。同时，为探明冬凌草甲素的作用机制与潜在作用靶标，我们利用基于Illumina HiSeq测序平台对X-01进行转录组测序与分析。结果表明，表达差异有明显变化的集中于，DNA复制，细胞周期，Fanconi anemia通路，和MAPK信号通路。进一步对表达明显变化的基因进行PCR验证，确认CDC6，AKT1，PLK1，RMI2，BRCA1可能是X-01发挥抗三阴性乳腺癌活性的潜在靶点。本项目的研究丰富了冬凌草甲素的构效关系，为冬凌草甲素结构改造及其成药性优化提供了新思路，同时也为基于天然产物的抗肿瘤新药研发提供了良好的候选化合物分子。