氟代阴离子转运体的合成及其诱导细胞死亡机制研究

Effective transmembrane anion transporters are able to induce cell death by perturbing the cellular anion homeostasis, modulating the intracellular pH or disrupting the autophagy of cells, and thereby may be developed as a new type of therapy for the treatment of cancers. However, systematic study on the effect of anion transporters on cells and biological systems as well as on the probable mechanism of action is still in a relatively early stage. In this project, we will use the fluorine- or fluoro-containing group substitution-based rational drug design principles to synthesize a series of fluorinated bis(benzimidazolyl) derivatives as potent small-molecule anion transporters. Structural optimization will be made by optimizing the hydrophilic/lipophilic balance or fine-tuning the binding affinity towards anions. Systematic investigations will be performed on the ability of all the designed compounds to mediate the transmembrane transport of anions in liposomal models and cells (in particular chloride influx into cells), regulate the intracellular and extracellular pH, alkalinize lysosomes and induce the death of cancer cells. The probable mechanism of action and pathways through which the target compounds exert their biological activity will be investigated by using various modern biochemical techniques, such as vital staining of live cells. This project is aimed at creating small-molecule organic anion transporters having high anionophoric and cell death-inducing activity, with a view towards the development of organic small-molecule anion-selective ionophores as potential chemotherapeutic agents for cancers.

有机小分子阴离子跨膜转运体，因可紊乱细胞内外的离子动态平衡和影响细胞自噬等过程以诱导细胞死亡，可望发展成为一类潜在的新型抗肿瘤药物。但是，阴离子转运体对细胞和生物体系的影响以及可能的作用机制研究尚处于早期阶段。本项目将运用基于氟原子或含氟基团取代的合理药物分子设计原理，对前期工作中发现的具有阴离子转运活性的苯并咪唑类先导物进行结构修饰，设计合成一系列氟代双苯并咪唑类衍生物，并用亲水亲脂平衡修饰和阴离子结合性能调控等阴离子转运体活性优化策略进一步优化结构。将系统研究各目标物在脂质体模型上的阴离子转运活性、机制和机理，在细胞水平上促进氯离子内流细胞、调节细胞内外pH和碱化溶酶体活性；将详细测试目标物诱导肿瘤细胞死亡活性，并用活体细胞染色等生化方法阐明可能的作用机制。本项目旨在构筑一类具有高阴离子跨膜转运活性和诱导肿瘤细胞死亡活性的有机小分子阴离子转运体，期望为新型抗肿瘤药物的研发提供一种新策略和方法。

细胞内外正常的阴离子浓度动态平衡是细胞维持形态和功能的基础。具有阴离子跨膜转运活性的有机小分子化合物，即阴离子转运体，可紊乱细胞内外正常的阴离子，特别是氯离子的浓度动态平衡以诱导细胞凋亡，可望发展成为一类新型抗肿瘤药物。基于这个科学假设，本研究项目聚焦于具有阴离子转运活性的小分子化合物的设计合成及其抗肿瘤活性和可能作用机制研究。具体而言，本项目主要构筑了双苯并咪唑类阴离子转运体、细胞器靶向的阴离子转运体、含氟基团修饰的氮杂冠醚-方酰胺共轭物类阴阳离子同向转运体以及金属配合物类阴离子转运体等几类高效阴离子转运体，并采用多种生化方法系统研究了每类转运体的阴离子转运活性和抗肿瘤活性。结果发现，这些化合物在脂质体模型和细胞上都具有较强的阴离子转运活性，在细胞水平和动物上都具有较强的抗肿瘤活性，主要是通过改变细胞内的氯离子浓度和碱化溶酶体等多种方式诱导肿瘤细胞的凋亡。.取得的主要成果包括：(i) 系统研究了几类阴离子转运体的阴离子转运活性和抗肿瘤活性，并阐明了其可能的抗肿瘤作用机制，可望为新型抗肿瘤药物的研发提供一种新的策略和方法。(ii) 首次将溶酶体靶向功能赋予阴离子转运体构筑了第一例溶酶体靶向的荧光型和非荧光型阴离子转运体，通过靶向作用有效地碱化溶酶体而发挥生物作用。这代表一种有效改变溶酶体pH的新方法，有望对溶酶体pH失调引发的疾病的药物开发提供一定的研究思路。(iii) 首次在活体水平证明阴离子载体具有很好的抗癌效果，为阴离子转运体作为抗肿瘤药物的研发提供了进一步的支撑。(iv) 首次将阴离子转运活性与细胞免疫响应关联起来系，可望为开发新型的肿瘤免疫调控分子提供研究思路。.相关工作发表后受到国内外同行的广泛关注，被发表在世界著名综述性期刊的综述论文长篇引用及评述。