马钱子生物碱诱导程序性细胞死亡的“效与毒”整合作用机制以及立体构效关系研究

Even if alkaloids from Strychnos nux-vomica have remarkable effects on cancer, the studies of the mechanism and the structure-activity relationship develop slowly for the toxicity and complicated structure. Our earlier studies prove that the alkaloids can induce apoptosis to suppress the proliferation, along with autophagic death in neurocytes. It shows integration of toxic and effect. On one hand, through bioinformatics, molecular biology, network pharmacology and systems toxicology, this project intends to provide deep insight into the molecular network mechanism of the alkaloids. It can disclose the multitarget interaction of TCM more comprehensively. On the other hand, reasonable models based on multi-stereochemical space of the ligands are built by the means of separation analysis, chiral synthetic strategies and CADD. This strategy focuses the effective substance as a whole. It takes in the skeletons, fragments, substituents and chiral centers, not just the existing ingredients isolated from the herb. By the way, it can apply for prediction, virtual screening and drug design by scaffold-hopping.

马钱子生物碱抗癌效果显著，但因其毒性较大、化学成分结构高度复杂且手性中心众多，多年来其作用机制及构效关系研究进展缓慢。前期研究已证明：在细胞PCD层面上，马钱子生物碱既能诱导肿瘤细胞凋亡产生抗肿瘤活性，又可引起神经细胞自噬性死亡产生神经毒性，其毒效整合作用特点明显。本课题一方面将结合生物信息学、分子生物学、网络药理学、系统毒理学等技术，深入研究马钱子生物碱诱导程序性细胞死亡的“效与毒”分子网络机制，阐明其多靶点整合作用的科学内涵；另一方面拟从马钱子药效物质整体效应考察成分对活性的贡献，借助分离分析技术、手性合成手段和CADD模拟构建基于配体“多样性立体化学空间”的计算模型，该模型克服中药固有药效成分数据的局限性，在“骨架/片段/取代基/手性中心”多层次水平上阐释结构差异与药效差异的量化关系，进一步实现类似活性物质的预测、筛选和评判，并指导基于骨架跃迁的药物设计。

本课题通过网络药理学及生物信息学等手段，构建并完善了马钱子生物碱从自噬、凋亡、细胞坏死等层面上调控PCD的“效和毒”整合作用的药靶网络，揭示中药马钱子有效成分调控PCD的多靶点、多途径的作用机制。通过分子对接、Pharmacophore建模筛选、ABPP等方法筛选出了马钱子碱类药效物质作用的靶标，包括MDM2、CDK4、GPX4、Ras等。研究发现，基于钩藤碱骨架的吲哚衍生物调控PCD的主要机制包括：直接调控PCD相关的信号通路，如PI3K-Akt-mTOR信号通路、MAPK信号通路，从而调控自噬与凋亡；间接通过抑制凋亡相关的信号通路，从而增强自噬效应。该过程中细胞内PCD相关的蛋白表达水平受到调控，涉及到的蛋白包括：caspase家族蛋白、Bcl-2家族蛋白、细胞色素c、LC3、SQSTM1、ULK1等。通过化学合成手段，利用侧链替换、基团取代等策略获得了骨架/官能团/立体中心多样性的基于马钱子碱的吲哚类创新结构手性分子。药靶网络的合理性和完整性通过分子、细胞、动物药效学实验在多层次上验证，在多水平上阐释结构差异与药效差异的量化关系，并指导基于骨架跃迁的药物初步设计。通过本项目开展，作为通讯作者发表基金号标注的SCI收录的研究论文15篇，影响因子>5的论文共13篇；第一作者国际学术会议论文1篇（256届美国化学年会，SCI收录论文摘要）；申请专利2项；培养硕士研究生8人，培养博士研究生4人；研究成果“基于构效关系的中药活性物质发现及其开发应用”2019年获得四川省科技进步一等奖（排名第一）。完成了预期的研究目标。