西沙海绵中抗疟功能分子骨架的发现及结构修饰

Malaria is an infectious disease causing about 1 million deaths per year, the number of new drugs active against malaria continues to be very small comparing to the rapidly increasing of resistance. Searing for new bioactive chemical entities from secondary metabolites of marine organisms has become a new R&D direction of antimalarial drugs. Two novel skeletons with significant antimalarial activity have been found by bio-guided separation from two marine sponges Diacarnus megaspinorhabdosa and Aaptos aaptos collected from Paracel Islands. On this basis, the proposal focuses on the norditerpene endoperoxide and aaptamine derivatives by the combination of bio-guided and chemical functional group-guided separation. The in vitro and in vivo bioactivities and the mechanism of the compounds will be evaluated.In order to expend the chemical diversity to discover the high efficiency with low toxicity leads, the chemical modification and optimization of the aaptamine-type bioactive metabolites will also be made by utilizing Sandmayer, Suzuki-Miyaura coupling, and condensation reactions.

全球每年约有100万人死于疟疾，疟原虫耐药性的快速增强与研制新型抗疟药物的速度趋缓之间的矛盾日益尖锐，从海洋生物中寻找具有抗疟活性的结构新颖的药物先导化合物已成为抗疟药物研发的新思路。申请人以疟原虫Plasmodium falciparum筛选模型为指导，从采自西沙群岛的海绵Diacarnus megaspinorhabdosa和Aaptos aaptos中发现了两种结构新颖且具有强抗疟活性的系列化合物（环内过氧降萜类和aaptmine生物碱类）。本课题拟在此基础上，以活性导向结合化学官能团导向对该两种类型的化合物进行追踪分离，并对aaptamine系列中活性突出且含量较大的化合物利用Sandmeyer, Suzuki-Miyaura coupling, 氨基缩合等反应进行化学结构修饰和优化，以扩充其分子化学多样性，评价其体外和体内抗疟活性，初步探讨其作用机制，寻找出高效低毒的先导化合物。

本项目以抗恶性疟原虫Plasmodium falciparum筛选模型为指导,建立了UPLC-DAD-MS分子指纹图谱分析和化合物NMR波谱特征导向相结合的方法,形成了海洋活性化合物快速定向追踪分离的成熟体系。从四种西沙海绵和一种总合草苔虫中发现了多种结构新颖且具有抗疟活性的功能骨架(环内过氧降萜类、aaptamine生物碱类、萜醌类、大环内酯类),共分离鉴定得到159个化合物,其中环内过氧降萜36个,aaptamine类生物碱23个,新化合物83个,采用化学合成修饰的方法得到新的aaptamine衍生物12个。运用多种分析手段包括二维核磁、Mosher法、圆二色谱法和量子化学计算ECD法确定其绝对构型。抗疟活性结果显示其中IC50在5ug/mL以下的化合物21个，发现了aaptamine衍生物B18和B19活性极好,对两种虫株D6和W2的IC50值均在0.2 μg/mL左右且安全窗口较大(SI>10)。对于海绵D.megaspinorhabdosa中的环内过氧降萜类化合物，项目难点在于此类化合物相对和绝对构型的确认,具体原因有化合物获得量小,核磁信号的重叠,柔性构象,手性中心相距较远等。以往研究都是依靠经验法则确定其相对构型，鲜有绝对构型的报道。我们首次采用“组合”计算化学的策略,结合多种计算化学方法(包括ECD计算,基于DFT的分子建模,DFT能量计算,优势构象分析,1HNMR和13CNMR模拟计算)确定了这些新型过氧降萜类化合物的绝对构型,并进一步确证和完善了经验法则。其中13个环内过氧降萜类化合物展现出较好的抗疟活性(IC50=0.58-4.76 μg/mL),我们的工作首次系统地确定了此类环内过氧降萜的绝对构型,发现了此系列化合物的抗疟活性,并初步探讨其作用机制,为合成化学家和药理学家提供了工作基础和理论依据。我们从海绵A.aaptos中累积了母体化合物aapatamine,并对其开展化学结构修饰工作,现已得到新型aaptamine衍生物12个。另外,除了抗疟活性,部分化合物同时也展现出较好的细胞毒,抗真菌,抗HIV-1等活性,将来拟对这些化合物的抗肿瘤活性进行更为深入的研究。申请人在该项目的资助下,发表SCI论文20篇,第一作者和通讯作者10篇,协助培养博士2名硕士4名,1名博士后出站,获得上海交通大学晨星青年学者,受聘中国药学会海洋药物青年委员。