（物理化学专业论文）抗癌性钌配合物构效关系及作用机理的理论研究.pdf

摘要 抗癌性钌配合物构效关系及作用机理的理论研究 专业：物理化学 博士生：陈锦灿 指导教师：郑康成教授 摘要 钌配合物的低毒性以及本身特有的优势使他们成为取代顺铂的最佳的无机金 属类抗肿瘤药物。从已经进入临床的三价钌配合物如i i i l h 【舭z ，l s - r u c l 4 ( d m s o ) ( h 1 1 ) 】 ( n 蝴i a ) 和( i n d h ) 【舭矾s r u c l 4 ( h l d ) 2 】( k p l 0 1 9 ) 到正在研究中的r u ( i d a z p y ( a 印y = 2 p h e i l y l a z o p 舛n e ) 和i 沁( i i ) 一芳烃类等二价钌配合物，可以看出钉配合物的研究已经 成为国际上生物无机化学中的热点，具有很大的发展潜力。但是虽然有很多钌配 合物作为抗肿瘤药物被广为研究，即使是对已经进入临床的药物，它们的抗肿瘤 机制并不是很清楚，而这方面理论上的研究更为罕见。因此，在实验的基础上， 进行抗癌性钉配合物构效关系和作用机理的理论研究，对设计结构新颖、高效低 毒且能进入临床应用的抗肿瘤新药及作用机理分析具有十分重要的意义。 本论文运用g a u s s i a i l0 3 量子化学程序包，采用密度泛函理论( d f t ) 并结合 c p c m ( c o n d u c t o r - l i k ep 0 1 撕z a b l ec o n 缸n u u mm o d e l ) 等溶剂化模型，对几类典型的 抗癌性钌配合物，包括已经进入临床实验的n a m i a ，进行作用机理方面的理论 研究。基于计算结果获得有关的结构特征、热力学和动力学性质数据，通过探讨 配合物结构与活性的关系、水解行为、水解产物与d n a 碱基模型的作用得出该类 配合物的构效关系。 本文内容包括以下六部分： 第一章前言，简要介绍了顺铂的发展历史以及研究现状，系统的总结了几类 典型的钌配合物可能存在的抗肿瘤作用机理、研究现状及其理论方面的研究进展。 说明了理论研究新型抗癌性钌配合物构效关系及作用机理的意义。 第二章理论基础与计算方法，简要介绍了量子化学计算方法，分子力学理论 摘要 及溶剂效应原理和方法。 在第三章中，研究了异构配合物仅一，p 一，p ，6 一，- r u ( 唧y ) 2 c 1 2 】( 1 5 ) 的结构 与其抗癌活性的关系。对配合物进行d f t 计算，首先分析了异构体1 3 的几何及 电子结构特征，对其构效关系进行理论探讨，藉以理解这类异构体抗癌活性差别 的原因，并用得到的构效关系预测迄今尚未见活性报道的该系列其它两个异构配 合物6 ，8 r u ( 唧y ) 2 c 1 2 】( 4 和5 ) 的抗癌活性。通过对母体的三个甲基取代衍生 物采用同样的方法进行计算分析，发现其构效关系遵循和母体系列相似的规律。 在第四章中，对一系列结构相关且抗癌活性有较大差异的i 沁( i i ) 配合物，即 仿 r u ( a z p y ) 2 c 1 2 】，伊 r u ( a z p y ) 2 c 1 2 ，仿【i h ( a z p y ) ( b p y ) c 1 2 】和c 括一 i h ( b p ”2 c 1 2 】利用 d f t 方法研究其水解产物与d n a 碱基( 主要是鸟嘌呤和腺嘌呤) 的相互作用。通 过研究r u ( i i ) d n a 碱基模型加合物的结构特征发现氢键对其稳定性和r u b 键分 裂能都有重要的影响。基于计算得到的热力学性质，得出该系列结构相关配合物 的完全水解产物与d n a 碱基模型在气相中和水溶液中的键合力次序。为了证实 r u ( i d 配合物的水解产物在动力学和热力学上都优先结合鸟嘌呤的n 7 位( g 7 ) 而 非腺嘌呤的n 7 位( a 7 ) ，除了计算r u g 7 ，r u - a 7 加合物的i h b 键在气相和液相 中的分裂能外，还以仅 r u ( a z p y ) 2 ( h 2 0 ) 2 】2 + + g 7 ( a 7 ) 化学反应为例，进行了动力学 研究。在计算的r u ( i d d n a 碱基模型加合物的结构特征、热力学和动力学性质基 础上得到了本系列配合物可能的构效关系。 在第五章中，对成功完成i 期临床试验的抗癌性钌配合物n a m i a 的水解行 为进行d f t 计算研究。通过分析水解过程中中间体、过渡态的结构特征、热力学 能量及反应速率常数，并与实验结果进行对比，研究了该配合物在生理条件下的 水解作用机理。同时，还研究了酸性条件对水解行为的影响。基于计算结果得到 详细的反应势能面，并推测出n 怂l i a 水解反应的路径。 在第六章中，对一系列“k 印p l e r 型”钌配合物生理条件下的水解过程进行 d f t 理论研究。得到反应中相关物质( 包括中间体，过渡态) 的结构特征、详细 的反应势能面及一些定性规律。同时，用极性叠加原理对配合物第一步水解反应 快慢的定性规律进行了合理解释。 最后，对本论文的工作作了扼要的总结与展望。 关键词：钌配合物，抗癌性，构效关系，作用机理，d f t 计算 h t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h es t r u c t l i r h c t i v i 锣r e l a t i o n s h i pa n d a c t i o nm ：e c h a n i s mo fa n t i c a n c e rr u t h e n i u mc o m p l e x e s m a j o r ：p h y s i c a lc h e i i l i s 仃y n a m e ：j i n c a nc h e l l s u p e r v i s o r ：p r o k a n g c h e n gz h e n g a b s t r a c t s i n c em el o wc e l l t o x i c i 够a n di t so w n a d v a n t a g e ，t 1 1 en l m e n i u mc o m p l e xa st l l em o s t p o t e i l t i a li n 0 唱a i l i c m e t a l a i l t i c a n c c rd m gh a sb e c o m em eb e s ts u b s t i t u t o ro f c 西一p l a t i 删m a 1 1 t i c a i l c e r c 0 m p l e x f r o m也e r u ( i i i )c o m p l e x e s o f h 1 1 h 【加以s - r u c l 4 ( d m s o ) ( i i l l ) ( n a m i - a ) a 1 1 d ( i n d h ) 棚，z s r u c l 4 ( 1 1 1 d ) 2 】( k p 1o19 ) w h i c hh a v ee n t e r e dc l i l l i c a lt r i a l ，t oi 沁( i i ) c o m p l e x e su n d e rs t u d i e d ，s u c h 硒i 沁( i i ) 一a 印y ( a z p y = 2 一p h e i l y l a z o p 妒n e ) 髓dm ei h ( i i ) - a r e n ec o m p l e xe t c ，w ec a nf i i l dm a tm e s t u d i e so nm ea n t i c a n c e rm t h e n i u mc o m p l e x e sh a v eb e c o m eah o t s p o ti nt 1 1 ec i l r r e n t i n t e n l a t i o n a lb i o i n o r g a i l i cc h e m i s h yr e s e c h a 1 t h o u g l lm a l l ym m e i l i u mc o m p l e x e s 嬲 a n t i c a i l c e rd r u g sh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y ，e v e ns o m eo ft h e mh a v ee n t e r e dc l 越c a l t r i a l ，眦t i ln o wt h e i r a c t i o nm e c h a i l i s m s 啪l a i nu n c l e a ry e t m o r e o v t 00 1 1 r k n o w l e d g e ，廿l em e o r e t i c a ls t u d i e sa r ei n 卿e n t l yf o u n di nt h i sf i e l d h e i l c e ，o nt 1 1 e b a s i so fe x p 甜m e n t a l r e s u l t s ， t 1 1 et h e o r e t i c a ls t u d i e so nm es 觚c t u r e _ a c t i v i 够 r e l a t i o n s h i p a i l da c t i o nm e c h a l l i s mo fa i l t i c a i l c e r1 1 l m e i l i u mc o m p l e x e sa r ev e r y s i 印i f i c a l l tf o ra i l a l ) ，z i n gm ea c t i o nm e c h a i l i s ma 1 1 dd e s i g l l i n gn o v e ls 咖c t u r a la 1 1 t i c a l l c e r r u c h e i l i u mc o i n p l e x e sw 池h i 曲e 衔c i e i l c ya 1 1 dl o wt o x i c i 够 i i lt h i sd i s s e n a t i o n ，l e o r c t i c a ls t u d i e so nm ea c t i o nm e c h a n i s mo fs e v e r a l 邯i c a l 1 d n d so f 锄t i c a l l c e rm n l e i l i u m 唧l e x e s ，i n c l u d i n gn a m i - a 砌c hh a se i l t e r e dt h e c l i l l i c a lt r i a l ，h a v eb e 饥c a r r i e do u tu s i n gt h ed e i l s i t yf 、m c t i o nt l l e o r ) ，( d f t ) c o n l b i n e d w i t hc o n d u c t o r 1 i k ep o l a r i z a b l ec o n t i n m l mm o d d ( c p c m ) a nc a l c u l a t i o n sw e r e p e r f o 姗e du s i n gg a u s s i 孤0 3p r o 黟a mp a c k a g e s b a s e do nm e c a l c u l a t e dr e s u l t s ，t l l e r e l a t e d 曲n l c t u r a lc ：h a r a i c t e r s ，t h e n n o d y l l a m i c a la n dd y n 撇i c a lp r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e d i i i 1 1 l es 仃u c t u r e - a “v i t yr e l a t i o n s h i p ，l eh y d r o l y s i sp r o c e s s 孤dm eb i n d i n go ft h e h y d r 0 1 y z e ds p e c i e so fm t h e i l i u mc o m p l e x e st od n a m o d e lb a s e sw e r ed i s c u s s e di n d e t a i l ，锄dt h u st h eg e n e r a ls t m c t l 脚卜a c t i v i 锣r e l a t i o n 蛳po ft h i sk i n do fc o m p l e xw 弱 o b t a i n e d s i xc h a p t e r sa r ei n c l u d e di i l “sd i s s e n a t i o n c h a p t e ro n ei si n t r o d u c t i o n t h ed e v e l o p m e l l t a lh i s t o 巧a i l dt h ec u r r c 栅r e s e a r c h s t 咖so fp l a t i n u m b a s e dd m g sa r eb r i e n yi i l 仃o d u c e d 1 1 1 ep o s s i b l ea c t i o nm e c h 越s mo f s e v e r a lt y p i c a lk i n d so f 锄t i c a n c e rr u t h 咖u mc o m p l e x e s ，嬲w e l l 鹤t h e i rc u r r e n ts 挑 a l l dd e v e l o p m e i l to nm et h e o r e t i c a ls t u d i e sw e r es y s t e m a t i c a l l ys 硼m 撕z e d ，a i l d 伯【u s m er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h em e o r e t i c a ls t u d i e so nm es 衄l c t l l r e _ a c t i v i 锣r e l a t i o n s l l i p a r l da c t i o nm e c h 砌s mo fm e s en e w - s t y l ea n t i c 锄c e rn l m e l l i 啪 c o m p l e x e sw 嬲 e l u c i d a t e d n em e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dc a l c u l a t i o n a lm e m o d sa r ep r e s e n t e di nt h e2 n dc h 甜既 1 1 1 em o l e c u l e - m e c h a n i c st h e o q u a l l t u m c h e i i l i c a lc a l c u l a t i o n a lm e m o d s ，鹤w d la s t h em e o r ya n dm e t h o d so fs o l v c l l te 虢c t i o nw e r eb r i e f l yi n 们d u c e d i nm e3 r dc h a r t t h e o r e t i c a ls t l l d i e so nt h es 咖c n 鹏a c t i v i 够r e l a t i o n s b i p ( s a r ) o fa s e r i e so fi s o m e r i cc o m p l e x e s 仪- ，p - ，p ，6 一，一 r u ( a z p y ) 2 c 1 2 】( 1 5 ) h a v eb e e nc a m e d o u t u s i n gd f tm e t h o d 1 1 l i sc h a p t e rm a i l l l y f o c u s e so nr e v e a l i n gm ed i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o i l i cs t m c t l l r e sa 1 1 d 廿l es 仃u c t u r e - a c t i v i t ) ，r e l a t i o n s h i p ( s a r ) o ft h ei s o m e r i cc o m p l e x e s1 ，3i 1 1o r d e rt ou n d e r s t a l l dt h ed i f 咖c e so ft h e s ei s o m e r si i l t h ec 舛o t o x i ca c t i v i t ya i l dh e r c b yt op r e d i c tt h eh e r e t o f o r em l r 印o i r t e da | l t i m e t a s t a t i c a c t i v i t i e so fm eo t l l e r 锕oi s o m 嘶cc o m p l e x e s6 一，一【r u ( a z p y ) 2 c 1 2 】( 4a i l d5 ) m o r c o v m ec a l c u l a t i o n o ft h r e em e l y ls u b s t i t u e n t so ft h ep a r e l l tc o m p l c x e sw e r ea l s oc 硎e d o u tl l s i n gt h es a m em e t h o d ，a n dw ef o u n dt l l a tt 1 1 e i rs 觚l c t u r e - a c t i v i t yr d a t i o n s h i p f i o l l o w sm es a m er u l e i i lt 1 1 e4 t l lc h a r t w es e l e c t e das 砸e so fs t m c t u r a l l yr c l a t e dc o m p l e x e sw i md i s t i n c t c y t o t o x i ca c t m 饥i e ，势 r u ( a z p y ) 2 c 1 2 】1 ，肛 r u ( a z p ”2 c 1 2 】2 ，甜【i 沁( a z p y ) m ”c 1 2 】3 觚dc 西一 r u ( b p y ) 2 c 1 2 】4 ，t 0c a n yo u tat 1 1 e o r e t i c a ls t l j d yo n 廿l ei 1 1 t e r a c t i o n so fm e i r h y d r o l y s i ss p e c i e sa n dd n am o d e lb 弱e s ( g i l a i l i n ea i l da d e i l i n c ) a p p l 姐n gm ed f t m e l o d t h es 缸1 l c t u | 试c h a r a c t 嘶s t i c so fi 沁( i i ) - d n aa d “c t ss h o w 1 a tt 1 1 eh y d g e l l b o n dc h a r a c t 嘶s t i cp l a y sav e 巧j m 脚tr o l eb o mi i lt l l es t a b i l i z a t i o no ft l l ed n a a d d u c t sa 1 1 di nt 1 1 ei 沁一bb o n dd i s s o c i a t i o n 旧e 锄髓g y a c c o r d i n gt o 廿1 ec a l c u l a t e d 也锄o d ”锄i c a lp r o p e n i e s o f 1 ei 沁( i i ) 一d n ai n o d e lb a s ea d d u c t s ，t l l eb i n d i n ga m i l i t ) r o r d e r s 矗wm ec o n s i d e r e di 沁( ) 一d n aa d d u c t sb o mi nt l l eg 硒p h a s ea 1 1 di na q u e o u s s o l u t i o nw e r cb u i l t r e s p e c t i v e l y h 1 a d d i t i o nt 0 也ec a l c u l a t e db o n dd i s s o c i a t i o n e i l m a l p i e sa n d 眈ee n e 晒e si ng a sp h a s ea i l ds o l u t i o nf o rm er u g 7a i l dr u - a 7a d d u c t s ， i l lo r d e rt o 如r n l e rc o n 矗mm a tg u a i l i n ei ss u p e r i o rt oa d e l l i n ef l o ri t sc o o r d i n a t i o nw i t l l i h ( i i ) h y d r o l y z e ds p e c i e s ，ak i n 砸cs t i l d yw a sa l s oc o n s i d e r e da n dc a r r i e do u tu s i n g d f tm e t l l o d ，t a l ( i n g 也er e a c t i o n so f a r u ( a z p y ) 2 ( h 2 0 ) 2 】2 + w i n lg 7a 1 1 da 7a se x 锄p l e 。 b a s e do nt h ec a l c u l a t e ds 仇l c t u r a lc h a r a c t e r s ，m et l l e n n o d y n a i i l i c a l 锄dd y i l a m i c a l p r o p e r t i 鹪，ap o s s i b l es 们j c t u r e a c t i v i t ) ，r e l a t i o n 幽pf o rt 1 1 i ss 耐e so fc o m p l e x e sw 嬲 o b t a i n e d i i lm e5 t i ic h 砒a 血e e t i c a ls t i j d yo nt l l eh y d r 0 1 y s i sp r o c e s so ft h em m e l l i 啪 c o m p l e xn a m i a i np h y s i o l o 酉c a lc o n d i t i o i l s ，讹c hh a sf i l l i s h e dt l l ec l i i l i c a lt r i a l so f 廿l e 丘r s tp h a s ea s 锄锄t i m e t a s t a t i cd 1 1 l 岛h a sb e e nc a r r i e do u tu s i n gd f tm e t h o d t h e s t n l c t l l r a lc h a r a c t e r so ft h ei n t e n 】【1 e d i a t ea i l dt r a n s i t i o ns t a t ew e r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a r l d 也et l l e r m o d y n 锄i c a le n e 哂e sa n dr a t ec o i l s t a n t sw e r ec a l c u l a t e da 1 1 dc o m p a r e dw i t l lt h e e x p 鲥m 朋t a lr e s u l t s m e 锄w h i l e ，t l l ee 毹c to fn l ea c i d i cc o n d i t i o n so nm eh y d r o l y s i s p r o c e s sw 嬲a l s os t u d i e d b 嬲e do nt h ec a l c u l a t e dv a r i e dr e a c t i o np r o f i l e s ，t h ep a t l l so f h y d r 0 1 y s i sp r o c e s sw e r ep r e s u m e d i i ln l e6 mc h a n at 1 1 e 0 硎c a ls t u d yo nm el l y d r o l y s i sp f o c e s so fm e “l 唧p l e rt ) ，p e ， c o m p l e x e s i 1 1p h y s i o l o 舀c a lc o n d i t i o n sw a sc a r r i e do u t1 l s i n gd f tm e t h o d t h e s 饥l c t u r a lc h a r a c t e r so ft l l ei n t 印n e d i a t ea n d 仃a n s i t i o ns t a t e ，v 耐e dr e a c t i o np r o f i l e s 锄d s o m e q u a l i t a t i v e1 1 1 1 e sw e r eo b t a i n e da c c o r d i n gt om ec a l c u l a t c dr e s u l t s m e 锄w h i l e ，n l e q u a l i t a t i v em l eo ft l l e r e a c t i o nr a t eo ft 1 1 e6 r s th y d r 0 1 y s i sp r o c e s sw a sr e a s o n a b l y e x p l a i n e db ym ep d n c i p l eo fp o l 撕t yi n t 柏e n c e f i n a l l y ，l es u n m a 巧a 1 1 dp r o s p e c tw e r eb r i e f l yp r e s e l l t e df o rt l l i sw o r k k e y w o r d s ：r u t l l e l l i u mc o m p l e x ，a n t i c a n c e fa 鲥v i 劬s 饥1 c n l r e 嘲c t i 、，i t yr e l a t i o n 幽p ， a c t i o nm e c h 锄i s m ，d f tc a l c u l a t i o n v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：转碍姒 日期：2 0 0 8 年上月2 8 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主 管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版， 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将 学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采 用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：豫活髟灿 日期：2 0 0 8 年j 月谬日 导师签名：矫李嗜 日期：2 0 0 8 年月移日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是 本人在导师指导下完成的成果，该成果属于中山大 学化学与化学工程学院，受国家知识产权法保护。 在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书 面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位作 全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：獬烛 日期：2 0 0 8 年岁月3 日 第l 章前言 1 1 引言 第1 章前言 癌症是当今世界直接危及人类生命的一种常见疾病，寻找高效低毒的抗肿瘤 药一直是人类不懈奋斗的目标。最早的有关金属配合物具有抗肿瘤活性的报道可 以追溯到十六世纪，但直到二十世纪六十年代无机金属配合物顺铂的抗肿瘤活性 被发现才引起人们注意，并激起科研工作者极大的研究兴趣，各国科学家投入大 量工作研究合成了一批铂类抗肿瘤药物，从而开辟了金属配合物抗癌药物研究的 新领域。但由于铂类抗癌药物的毒副作用及长期使用而产生耐药性等，使其应用 受到限制。于是，科学家的研究方向开始拓展到非铂类金属抗癌药【m 】。 钌配合物是非铂类金属药物中的佼佼者【3 5 1 ，大多数报告认为钌配合物对正常 细胞的毒性小、易于被肿瘤组织吸收，并且对转移瘤具有明显的效果。国际上也 普遍认为，钉配合物将成为最有前途的抗肿瘤药物之一。到目前为止，已经有两 个钌配合物进入临床试验，第一代钌配合物1 1 1 1 h 【加瑚一r u c l 4 ( d m s o ) ( h ) 】 ( n a m i a ，已经完成i 期临床，并于2 0 0 3 年下半年进入i i 期临床试验) 对肺部的转 移瘤效果明显【6 - 8 】，另一个钌配合物k p l 0 1 9 ( 2 0 0 3 年进入i 期临床试验) 主要是对 结肠癌起作用9 ，1 0 】。相信在今后很长一段时间内，钌配合物作为抗肿瘤药物的研究 将成为国际上生物无机化学研究的一个热点。虽然钌配合物的抗肿瘤作用机理并 不是十分清楚，但是研究者提出了水解机理、氧化还原机理、与d n a 结合、与蛋 白结合的假设。 随着量子化学理论和计算方法在最近二十年的飞速发展，越来越多的科研工 作者把量子化学和计算化学作为研究手段很好的应用到实验中来。正如k o l l i l 和 p o p l e 在诺贝尔化学奖授予颁奖公告中说：“量子化学已经发展成为广大化学家所使 用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探 讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了 。因而，用量子化学和计算化 学方法从分子的电子结构水平上及热力学、动力学方面研究抗癌性钌配合物与 2 0 0 8 届中山大学博士学位论文陈锦灿 d n a 的作用，得出该类配合物的构效关系，可以深入理解钌配合物的抗肿瘤作用 机理，并为设计合成高效低毒的抗肿瘤新药提供理论参考。 1 2 铂类抗肿瘤药物研究简介 铂类药物是2 0 世纪6 0 年代开发的新型无机抗癌药。经历了近3 0 年的研究发 展，已相继成功开发了顺铂( c i s p l a t i n ) 、卡铂( c a r b o p l a t i n ) 、奈达铂( n e d 印l a t i n ) 、奥 沙利铂( o x a l i p l a t i n ) 、舒铂( s u n p l a ) 和洛铂( l o b a p l a t i n ) ，用于临床治疗癌症。特别是 顺铂和卡铂是目前临床上使用最广的抗癌药物之一，是治疗许多肿瘤的首选药物。 据最新统计，现临床使用的联合化疗方案中，有8 5 的方案是以顺铂或卡铂为主药， 或有它们参与配制【l l 】。 o h 3 n 、c ih 3 n 、 h 3 n ，：r r j o x a l i p l a t i n s u n p l a l o b a p l a t i n 但是目前，临床应用铂类抗癌药最大的问题是耐药性，许多患者先天或后天 对铂类抗癌药物产生耐药性，严重降低了药物的疗效及其抗癌谱。因此，针对耐 药性机理，设计和合成能克服癌细胞耐药性的铂类药物是当前药物研究和发展的 方向。在过去的3 0 余年里，对几千个新的铂类化合物进行了筛选，其中有几十个 化合物进入了临床研究，有4 个被获准进入市场。以下我们从作用机理方面仅对应 用最广的顺铂做一介绍。 1 2 1 顺铂的作用机理 2 工 o o夕p r 也 、z 叱 第l 章前言 顺铂是顺二氯二氨合铂( i i ) 的简称，缩写为d d p ，于1 9 7 9 年首次在美国上市， 成为第一个上市的铂类抗癌药，目前己被收录到中、美、英等国的药典，世界上 有数十家企业生产该药。顺铂治疗睾丸癌和卵巢癌的效果很好，也可以用来治疗 膀胱、颈部、头部、食管的癌症以及小细胞肺癌【1 2 1 。顺铂抗癌药物的缺点是：( 1 ) 严重的毒副反应，包括肾毒性、胃肠道毒性、耳毒性及神经毒性；( 2 ) 对某些瘤细胞 活性较低，如乳腺癌、结肠癌等；( 3 ) 易产生耐药性；( 4 ) 水溶性小，在体内不易代谢； ( 5 ) 须注射给药。 为了克服顺铂在临床上的不足，降低毒性、改善其耐药性，人们研究了铂类 配合物的抗癌活性构效关系，研制合成大量的第二代铂抗癌药物。卡铂( 环丁烷1 ， 1 二羧二合铂( i i ) ) 是其中的代表物【1 3 1 ，于1 9 8 6 年上市。卡铂的水溶性优于顺铂， 肾毒性低于顺铂，主要不良反应为骨髓抑制。 n h 3 d n a p r o l e i nc r o s s i i n k 。 8 i f u n c i o n a i8 i n d j n gt og u a n i n e 图1 1 顺铂与双螺旋d n a 的交联及与鸟嘌呤的双齿键合。 很多文献认为，顺铂起活性作用的关键一步是c l 离子的水解【1 4 1 6 1 。当顺铂进 入细胞内后，由于细胞内的氯离子浓度低，它很快就发生水合解离，生成带正电 荷的水合配离子【p t ( n h 3 ) 2 ( h 2 0 ) 2 】”。顺铂在体液中存在两个平衡： k 1 c 话- 【p t ( n h 3 ) 2 c 1 2 】；= 已 c 函一【p t ( n h 3 ) 2 c l ( h 2 0 ) 】+ + c l ( 1 ) k 1 k ， c 括一【p t ( n h 3 ) 2 c l ( h 2 0 ) 】+ ；亏手昔c 缸- 【p t ( n h 3 ) 2 ( h 2 0 ) 2 】2 + + c l - k 2 。 ( 2 ) 篙譬 2 0 0 8 届中山人学博上学位论文陈锦灿 通过测量血浆中的顺铂浓度说明血浆中也存在上述平衡。这可能说明真正起 药效作用的不是顺铂本身，而是其在水溶液中转化生成的物质。因为h 2 0 是比c l - 更为活泼的离去基团，钌配合物的水解产物更加容易与癌细胞d n a 分子内的鸟嘌 呤和腺嘌呤( 主要是鸟嘌呤) 的n 7 原子络合，形成链内或链间化合物( 图1 1 ) ， 从而阻止癌细胞d n a 的复制【1 7 ，18 1 。顺铂攻击的主要靶点是d n a 【1 9 1 ，它与细胞核 内基因d n a 的结合决定了其抗癌活性【2 0 ，2 1 1 。并且这种结合会干扰j 下常d n a 复制， 最终引起癌细胞死亡。由于顺铂分子中两个c l 一相处邻位，因而可与d n a 链中相 邻的碱基结合，结合后对d n a 的结构和构象改变不明显。 另有数据表明，d n a 链中许多相邻的碱基间，两个氮原子距离为o 3 4 n m ， 而顺铂中两个氯原子问的距离为o 3 3 n m ，两者恰好匹配【2 2 1 ，形成的铂化d n a 寿 命较长且不易被细胞蛋白识别并修复，因而将破坏肿瘤细胞d n a 的复制，抑制细 胞分裂，最终杀死肿瘤细胞。而其反式异构体一反铂，一方面，由于两个c l _ 空间 位置的关系，只能与相距较远的氨基结合而使d n a 分子明显弯曲发生形变，或是、 与处于d n a 双螺旋结构不同链上的氨基结合形成链间交联形式的铂化d n a ，这 两种情况显然使d n a 的双螺旋结构严重变形，自身稳定性较低，致使细胞蛋白很 容易识别并予以修复，阻止其对d n a 的复制及细胞分裂的破坏作用。同时，反铂 的水解速率比相应的顺铂快5 1 0 倍，因而在进入体内的运输过程中，很容易与其 它的亲核基团作用，以至无法使足够数量的分子抵达有效的抗癌部位。以上原因 造成反铂的活性远远低于顺铂。 1 2 2 顺铂作用机理的理论研究 为了预测顺铂作用模式中的活性物质，很多量子化学工作者把研究焦点集中 在顺铂的水解上，因为水解是药物到达分子内作用靶点d n a 的最关键的一步。在 早期的d f t 研究中，对顺铂的电子结构和水取代反应都有所探讨【2 3 。3 4 】。z h a n g 等 人在i i l p w l p w 9 1 s d d 基组水平上通过三个模型对顺铂及其衍生物进行理论研究， 得到反应物、产物、过渡态详细的结构特征和反应中的热力学能量，并指出溶剂 效应对于精确的水解模型是必不可少的【2 5 1 。c h v a l 和z h 龃g 等在研究中得出同样的 结论，即顺铂的第二步和第三步水解是强的吸热反应，双水解产物 4 第l 章前言 c 括一 p t ( n h 3 ) 2 ( o h 2 ) 2 】2 + 和c 西 p t ( n h 3 ) 2 ( o h 2 ) ( o h ) 】+ 并不是顺铂的活性物质成分 【2 5 ，2 9 1 ，这个结论似乎是传统性的定论。然而，d e u b e l 等人在最近的d f t 研究中， 结合连续介质模型( c d m ) 得出出一 p 州h 3 ) 2 ( o h 2 ) 2 】2 + 和协 p t ( n h 3 ) 2 ( o h 2 ) ( o h ) 】+ 都是顺铂的活化成分【3 5 】。这一点似乎是正确的，因为顺铂的水解产物与双螺旋d n a 的碱基对g g 和a g 反应速率研究也表明双水解产物确实是顺铂的活化物种 【1 5 ，3 6 瑚】，所以d e u b e l 等人的理论研究无疑进一步证实了实验现象。另外，b u r d a 等人在c c s d ( t ) 6 3 1 + + g ( d ，p ) 和m p 2 6 3 1 g ( d ) 的理论水平上，对顺铂水解过程中 的热力学能量、速率及有关结构进行详细的研究，并且和相应的钯类配合物的水 解进行对比【3 3 】。p 1 a t t s 等人还利用d f t 理论研究了氢键和溶剂对顺铂水解过程的 影响吲。 在顺铂水解机理理论研究的基础上，很多理论工作者又进一步研究了顺铂水 解产物与d n a 碱基( 鸟嘌呤和腺嘌呤) 的键合情况，包括热力学和动力学方面的 研究【3 9 4 9 1 。无论在动力学还是在热力学上，顺铂水合物都优先结合鸟嘌呤的n 7 位 【4 3 出】。h i r a o 等人利用d f t 方法结合量子力学分子力学( q m m m ) 方法研究了顺 铂水解产物与d n a 碱基对键合过程中的质子转移问题【4 5 1 。d e u b e l 还对顺铂水合物 与d n a 碱基配位位点的选择，还有双核铂的形成进行了深入的理论方面的探讨 【4 6 4 9 】 o 除了顺铂水解机理方面的理论研究，一部分理论工作者对顺铂衍生物也进行 了有意义的研究。e r i k s s o n 等人利用三个水解模型研究了顺铂衍生物 出一p t ( n h 3 ) p c 6 h l l n h 2 ) c 1 2 ( j m l l 8 ) 的水解过程，进一步表明溶剂效应的重要性 【5 0 1 。r u s s o 等人利用d f t 方法结合导体极化连续模型( c p c m ，一种溶剂化计算 模型) 研究了卡铂在中性和酸性条件下的水解过程【5 。 总之，顺铂及其衍生物作用机理方面的理论研究，在最近1 0 年有了很大的发 展，研究方法多样化，有量子化学( d f t ) 、分子力学和分子动力学模拟等，采用 各种各样不同的模型，模拟的反应环境越来越接近真实。对顺铂的水解反应，水 解产物与d n a 碱基、碱基对的作用以及反应过程中的氢键、质子转移等问题都有 深入的研究。这些理论研究对理解铂类药物作用机理，设计合成新型高效的抗癌 药物都有一定的帮助和促进作用。 5 2 0 0 8 届中山大学博士学位论文 陈锦灿 1 3 钌配合物抗肿瘤活性研究现状 在非铂类过渡金属配合物中，钌是铂类抗肿瘤药物最具有潜力的取代者。钌 配合物独特的自身特点决定了它与顺铂有不同的作用机制【5 2 】。首先，r u ( i i i ) 和r u ( i i ) 的配合物都是六配位八面体的构型，而p t ( i i ) 则通常采取平面正方形四配位的模式，