线粒体靶向杀菌剂的设计、合成与相关生物学评价

Mitochondria is the prime target for many drugs and pesticides due to its main role in bioenergy production. However, it is difficult to efficiently deliver drugs to mitochondria because of the barrier of mitochondria inner membrane, resulting in the waste and some other adverse side-effects. It has been reported that the high mitochondria membrane potential could drive triphenylphosphonium(TPP) into mitochondria easily, leading to the efficient uptake to TPP. In this project, TPP will be used as a drug delivery system and be coupled with inhibitors of complex II and III of respiratory chain which somewhat like the style of satellite or missile. Thus mitochondria-targeting fungicides could be produced and might improve accumulation of the fungicides in mitochondria, resulting in improving their activity effectively and reducing amount of usage. Meanwhile, a scientific evaluation system for mitochondria-targeting fungicides will be established by a series of studies including uptake kinetics, bioactivities in vivo and in vitro, QSAR, effects and degradation pathway of TPP delivery system in soil and water, and so on, which will make a good theoretical and practical foundation for investigating novel mitochondria-targeting fungicides. The study might be a great theoretical significance to initiate new ideas and thinking for developing pesticides, and will reduce the usage of the pesticide and the cost of plant protection. Hopefully, the substantial economic and environmental cost will be produced.

线粒体是生物能量生成的重要场所，也是众多药物和农药的理想作用靶标。但由于线粒体膜的存在，一般药物很难高效到达线粒体靶标上，从而造成药物浪费和毒副作用。研究表明，利用线粒体高的膜电势驱动线粒体对亲脂性三苯基鏻盐(TPP)的有效吸收是解决这一问题的理想途径。本项目以TPP作为药物投送系统(DDS)，与线粒体呼吸链复合物II和III抑制剂以“卫星式”或“导弹式”方式相结合，制备成线粒体靶向杀菌剂，使其能够在线粒体上高效积累，从而达到提高药物利用率，降低使用量的目的。同时还将通过对药物吸收动力学和药物在线粒体中的结构形态研究，活性评价，QSAR研究，以及对TPP投送系统的环境影响和降解规律研究，建立起科学的评价体系，为该类杀菌剂的研发和应用奠定理论和实践基础。本研究对于开创新农药创制新理念和新思路具有重要的理论意义，对于减少农药的环境投放量、降低植保成本也具有可以期待的经济和环境价值。

线粒体氧化磷酸化过程是农用杀菌剂的重要靶标，这些杀菌剂在防治作物病害方面发挥着举足轻重的作用。本研究利用线粒体是唯一的带负电荷的细胞器的特点，采用三苯基鏻(TPP)阳离子缀合的策略设计合成了14类线粒体靶向复合物II和复合物III抑制剂，通过离体活性、活体活性和田间防效试验筛选出了II-20201、V-21009等具有优异杀菌性能的候选杀菌剂品种，通过这种策略也提升了一些弱呼吸链复合物抑制活性化合物的生物活性。通过高活性化合物对菌丝形态、细胞结构、膜电位、氧气消耗、ATP含量、活性氧含量、膜通透性等的影响以及对呼吸链复合物的抑制作用等研究初步明确了这些靶向抑制剂的作用机理，即TPP驱动的线粒体靶向化使得药物能够在靶标位点快速积累，从而造成对靶标酶的饱和抑制。活性输出可能是一种复合的方式，它可能来自于饱和抑制所带来的一级效应(即对呼吸链的阻断)、对呼吸链阻断所带来的次级效应(如活性氧的产生以及细胞色素c的泄漏等)以及高亲脂性靶向系统对膜的损伤等。然而，TPP投送系统虽然也具有一定的杀菌活性，但TPP缀合的复合物II和III的杀菌活性主要由携带的“货物”贡献的，而TPP的主要功能是促进活性基团在线粒体内的快速吸收和积累。另外，对TPP驱动的丁氟螨酯靶向化类似物的研究结果表明，这种策略还可能作为药物是否作用于线粒体的证明或证伪的工具。本研究开辟了线粒体靶向农药这一新领域，一方面证明TPP介导的线粒体靶向策略在杀菌剂开发中是高效的，另一方面也获得了一些重要的科学信息，对于系统理解线粒体的工作原理以及以线粒体为靶标的新农药、新医药开发都是非常有帮助的。