拓扑异构酶IIα选择性抑制剂的设计、合成及抗肿瘤作用研究

The discovery of specific TOPⅡαinhibitors is one of the hot spot in the field of new antitumor drug discovery and development. Previously, we found that three structurally similar p-terphenyls, H2, H4 and H8 inhibited TOPⅡα, but having quite different selectivity and activities. Therefore, this project is going to investigate the inhibitory mechanism of H2, H4 and H8 against TOPⅡα, and to design and synthesize potent, selective catalytic inhibitors of TOPⅡα with low toxicity. Firstly, it should be defined that TOPⅡα is the main cellular target, and the binding sites and action modes of H2, H4 and H8. Then, with the combination of computation and organic synthesis, H2, H4 and H8 will be structurally modified and optimized to afford a focus chemical library containing more than 300 compounds. Thirdly, these compounds will be screened by various bioassays, such as MMT method, gel shift and [P-32]-gamma-ATP assays at the levels of molecule, cell and animal test, which will afford 1-2 potent inhibitors of TOPⅡα with high specificity. Finally, the selective inhibitory mechanism of these potent inhibitor against TOPⅡα will be studied deeply, which shall put forward a base for the drug development of specific TOPⅡα inhibitors, and be significant to prevention and chemotherapy of oncology.

TOPⅡα选择性抑制剂是抗肿瘤药物研究热点之一。前期研究我们发现结构近似的3个对三联苯类化合物H2、H4和H8对TopIIα有抑制作用，但选择性和活性显著不同。本项目将力图阐明化合物H2、H4和H8抑制TOPⅡα的作用机制，并设计合成高活性、低毒性、高选择性的TOPⅡα催化抑制剂。首先明确TOPⅡα是H2、H4和H8在细胞内的主要作用靶点，及其与TOPⅡα的结合位点和作用模式；其次结合计算机辅助药物设计和化学合成，对H2、H4和H8进行结构修饰和优化，合成目标分子库 (>300个衍生物)；然后采用MTT法、凝胶阻滞、[P-32]-gamma-ATP同位素测定等实验手段，对目标分子进行细胞、分子和实验动物水平上的活性筛选，以期发现1-2个活性强、选择性高的衍生物；最后深入探讨其选择性抑制TOPⅡα的作用机制，为研发选择性抑制TopIIα的新药奠定基础，对肿瘤的预防和治疗具有重要意义。

DNA拓扑异构酶调节DNA的拓扑状态，参与DNA的复制、转录和细胞有丝分裂，是细胞存活所必需的酶。人类DNA拓扑异构酶分为I型 (TopoI)和II型 (TopoII)，这两种类型又分别分为TopoIA/B和TopoIIα/β亚型。TopoI以单体通过形成非ATP依赖的DNA单链断裂而松弛DNA双螺旋；TopoII以同源二聚体通过形成ATP依赖的DNA双链断裂而调节DNA的拓扑状态。TopoIIα在肿瘤细胞中高表达，与多种癌症的发生发展密切相关，而且抑制TopoIIβ可能产生心脏毒性和诱发次生肿瘤。因此，TopoIIα选择性抑制剂是抗肿瘤药物研发的热点领域。.天然产物是肿瘤化疗药物的重要源头。本课题组前期发现天然联三苯类化合物对DNA拓扑异构酶有较强的抑制作用，并引起细胞周期停滞和肿瘤细胞凋亡。本项目以抗肿瘤天然联三苯类化合物为先导，设计、合成了系列新的对联三苯衍生物 (化合物H1-H8)。活性评价实验结果表明，化合物H2是设计与合成TOPI和TOPIIα催化抑制剂的先导物；H8是设计与合成TOPIIα选择性催化抑制剂的先导物。化合物H2经过结构改造得到活性增强的衍生物T2、T4、T5和W2；化合物H8经过结构改造得到活性增强的衍生物D17。进一步综合运用分子模拟和药物合理设计的骨架跃迁，设计合成了90个2-苯基萘类化合物，并对2-苯基萘进行两轮新的骨架跃迁分别设计合成了24个2-苯基苯并呋喃类化合物和22个芳基萘木脂素类化合物。活性评价实验结果表明，2-苯基萘类化合物CS1细胞毒活性高，作用靶点为TopoIIα，引起TopoIIα介导的DNA双链断裂，是一个非DNA嵌入的TopoII毒剂；2-苯基苯并呋喃类化合物B11对TopoI和TopoIIα活性均有较强的抑制作用，是一个新型的双重抑制剂；部分芳基萘木脂素类化合物表现出优良的细胞毒活性，其活性与该类化合物的五元内酯环构型密切相关，但不抑制Topo，作用靶点有待探索。另外还开展了其他相关研究，该项目取得了五项主要进展：结构优化的联三苯CS1是TopoII毒剂，但不是DNA嵌入剂；新型TopoII抑制剂CS1特异性抑制人宫颈癌HeLa细胞有丝分裂中期向分裂后期的转变；TopoIIα抑制剂K34诱导细胞自噬；Lycogarubin C的高效合成与TopoII抑制活性；DA-MED是首个小G蛋白RAC1的小分子激动剂。