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药物化学专论论文基于HDAC 的双靶点抗肿瘤药物研究进展姓名 专业 药物化学 年级 2016 级学号 7导师 沈阳药科大学制药工程学院 2017年1月基于HDAC 的双靶点抗肿瘤药物研究进展摘要：肿瘤的发生和发展涉及多个信号传导通路。研究表明，多靶点抗癌药物可提高单靶点抗癌药物的治疗效果，并降低耐药性，是抗癌药物研发的重要研究方向。目前，多靶点抗癌药物的设计是其研发的主要挑战之一。组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）与肿瘤的发生密切相关，其抑制剂可以降低肿瘤细胞凋亡的阈值，具有广泛的抗肿瘤活性，并且可与多种抗肿瘤药物联合使用发挥协同作用。本文主要对基于HDAC 抑制剂的双靶点抗癌药物的设计思路和生物活性进行综述。关键词: HDAC抑制剂; 组蛋白去乙酰化酶; 双靶点药物;抗癌药物Abstract: Cancer is a multi-genetic disease arising from the accumulation of different genetic alterations affecting genesthat control cell proliferation and/or apoptosis. There is a general agreement that molecules interfering simultaneously withmultiple receptors might be more effective and less adaptive to resistance than single target agents. The design of multi-targetanti-tumor drugs has become one of the major challenges in the research and development of multi-target agents. Histone deacetylases (HDACs) expressions were associated with the occurrence and development of cancer. HDAC inhibitors were pan anticancer agents. They could lower the apoptotic threshold of tumor cells, and be combined with a variety of anticancer agents to exert synergistic antitumor effects. Here we mainly reviewed the design of bi-target agents that based on the structure of HDAC inhibitors and their biological activities.Key words: HDAC inhibitors; histone deacetylases; Bi-target agents; anti-tumor drugs前言肿瘤是一类由遗传和/ 或表观遗传的改变而引起的复杂疾病。肿瘤的发生和发展依赖于多种受体或信号传导通路，这使得仅作用于某一个靶点的抗肿瘤药物面临以下问题：1）不能完全杀灭肿瘤细胞；2）易产生耐药性1。目前，多种药物联合应用虽然在一定程度上解决了以上问题，但是多药联合应用容易产生药物- 药物之间的相互作用，不良反应难以预测，而且药物亦不能按照单独应用时的剂量来联用。与联合用药相比，多靶点药物可避免药物- 药物之间的相互作用，同时疗效也较单靶点药物明显提高。 多靶点组的选择及先导化合物的设计是多靶点药物发现的重要挑战。目前，多靶点药物的设计方法包含以下两种：1）因受体活性位点的结构相似，从而设计一个结构单元使其能够同时作用于这些受体，如多靶点激酶抑制剂；2）药效团拼接法，将两种或两种以上作用于不同通路的药物药效团拼合成一个化合物，使该化合物能对不同通路都起作用。基于多靶点进行的药物研究开发，已经取得了令人鼓舞的研究结果2。 组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylases，HDACs）与肿瘤的发生密切相关，通过催化组蛋白N- 端赖氨酸残基的去乙酰化进而调控基因转录和染色质重组（Chromatin remodeling）3-5。此外HDACs 也可以催化非组蛋白去乙酰化，如p21、微管蛋白、HSP90（Heat shock protein 90）等。抑制HDACs 可以诱导肿瘤细胞周期停滞、分化及凋亡。因此，HDAC 抑制剂作为抗肿瘤药已经成为了当前的研究热点。FDA 目前已经批准了vorinostat( SAHA，图1) 和romidepsin( FK-228，图1) 用于治疗皮肤T 淋巴细胞瘤。随后相继有环肽类( 如具有环氧酮基结构trapoxinB，图1) 、短链脂肪族类( 如valproic，图1) 、苯甲酰胺类( 如MS-275，图1) 等结构的抑制剂被发现。1999 年，Finnin6首次报道了HDLP（Histonedeacetylase like protein）与SAHA 的共结晶结构，为HDAC 抑制剂的合理设计建立了基础。研究显示，HDAC 抑制剂的结构特征（见图1）如下：1）含有一个锌离子结合基（Zinc-binding group, ZBG），用于与HDAC 口袋底部的锌离子螯合；2）含有一个表面识别基团，称为帽状部分（CAP）；3）连接ZBG 和CAP 的疏水性连接链。根据ZBG 的类型，目前已报道的HDAC 抑制剂包括异羟肟酸类（如SAHA）、苯甲酰胺类（如MS-275）、短链脂肪酸类（如正丁酸）以及环肽类（如FK-228）。HDAC 抑制剂具有广泛的抗肿瘤活性，它可降低肿瘤细胞凋亡的阈值7-9，从而可与多种抗肿瘤药联合使用发挥协同作用。本文通过对最近几年HDAC 的双靶点抑制剂的综述，提供这一类新药的最新进展。 Figure 1 The structures of HDAC inhibitors in research1 HDAC-微管双靶点抑制剂 微管作为重要的细胞骨架，被认为是肿瘤化疗的一个有效靶点。研究表明，秋水仙碱具有抑制微管聚合的作用。把秋水仙碱和HDAC 抑制剂联合使用时，两者具有协同作用10-11。因此，Zhang 等12通过在秋水仙碱分子中引入SAHA的尾部基团作为HDAC 抑制剂的锌离子结合区( zinc-binding group，ZBG) ，合成了一系列新颖的化合物( 1，图2) 。通过检测这些化合物在体外对HDAC 酶的抑制活性，并观察这些化合物对BEL-7401 肝癌细胞周期的变化，分别研究了它们对HDAC 和微管聚合的抑制活性。实验结果表明，这些化合物都表现出对HDAC 有温和的抑制作用，1c 表现出最好的抑制HDAC1 ( IC50 =0. 72 molL1 ) 、HDAC2( IC50 = 0. 83 molL1 ) 、HDAC6( IC50 = 0. 44 molL1 ) 活性。这提示可以用秋水仙碱替代SAHA 的帽子结构。同时，这些化合物对BEL-7401 细胞周期的G2 /M 期有明显延长作用，表明此类化合物也有抑制微管聚合的作用。在MTT 实验中发现这类化合物对人表皮A431 细胞、人肺腺癌A549 细胞、结肠癌HCT-116 细胞、乳腺癌MCF-7 细胞、前列腺癌PC-3 细胞都有抑制活性，其中1a 的抑制肿瘤细胞增殖活性最好。Figure 2 The structures of HDAC-tubulin dual inhibitors2 IMPDH-HDAC 双靶点抑制剂 次黄嘌呤磷酸盐脱氢酶( IMPDH) 抑制剂不仅可以诱发肿瘤细胞分化和凋亡，而且还可以抑制肿瘤诱导的血管再生13。麦考酚酸( MAP)是IMPDH 受体抑制剂，包含一个芳香基团部分和一个长链连接基团，但是缺少锌离子结合基团( ZBG) 。因此，Chen 等14通过在MAP 中引入羟肟酸结构合成了化合物2( 图3) 。同样，用IMPDH受体阻滞剂merimepodipye 的苯基口恶唑部分替代HDAC 的苯环基团，得到了化合物3 ( 图3) Figure 3 The structures of IMPDH-HDAC dual inhibitors酶活性实验结果表明，化合物2 可以同时抑制IMPDH( Ki = 30 nmolL1 ) 和HDAC( IC50 =5 molL1 ) 的活性。SAHA 的类似物3 同样可以同时抑制IMPDH ( Ki = 1. 7 nmolL1 ) 和DAC( IC50 =0. 06 molL1 ) 的活性。在抑制白血病K562 细胞的增殖实验中，化合物2 和3 比现有上市药物SAHA 和MAP 表现出更好的抑制肿瘤细胞增殖活性，化合物2 的IC50值为4. 8 molL1，3的IC50值为7. 7 molL115。Continued Figure 33 Topo-HDAC 双靶点抑制剂 HDAC 抑制剂可以使组蛋白呈高乙酰化状态，继而让DNA 更易呈染色质形态存在于核小体中; 这样可以增强拓扑异构酶( Topo) 抑制剂的活性16。由此可见两者联合利用有一定的增效作用。N-苄基阿奇霉素( AD-288) 是一种高效低毒的Topo抑制剂。通过在N-苄基阿奇霉素的苄基对位引入HDAC抑制剂的药效基团，合成了化合物4 和5( 图4)。 利用从天然型HeLa 细胞核中提取的HDAC酶检测以上化合物对HDAC 的酶抑制活性，结果发现它们都有抑制活性，有的活性甚至超过了阳性对照药SAHA。化合物5 的n = 3 时，抑制HDAC1 /2( IC50 = 0. 9 nmolL1 ) 酶的活性是SAHA(IC50 = 65 nmolL1 ) 的70 倍，可见三唑基团替代酰胺基团可以明显提高对HDAC 酶的抑制作用17。 通过脱细胞DNA 分离试验来检测化合物4、5 的Topo 的抑制活性，当化合物5 的n = 3 时具有较其他化合物更好的活性，说明N-苄基阿奇霉素需要连接一个合适的HDAC 基团才会有更好的活性。分子对接研究显示，化合物5 在n = 1 和n =3 时，由于碳链的长度不同，致使两者处于不同的口袋中。n = 3 具有合适的碳链长度，可以和HDAC 受体的Arg270 形成氢键并使羟肟酸达到ZBG 区，因此具有最佳的活性18。Figure 4 The structures of Topo-HDAC dual inhibitors4 EGFR/HER2-HDAC 双靶点抑制剂 通过把HDAC 抑制剂的药效团和表皮生长因子受体( EGFR) 、原癌基因人表皮生长因子受体-2( HER-2) 抑制剂erlotinib( FDA 批准的一种EGFR/HER2 受体抑制剂) 结合在同一个药物分子中，合成了一系列具有EGFR/HER2-HDAC 双靶点抑制活性的化合物。在多种肿瘤细胞的体外抗肿瘤活性筛选中，发现化合物6 ( 图5) 比SAHA、erlotinib或SAHA/erlotinib 合用具有更强的抑制肿瘤增殖活性。如对非小细胞肺癌HCC827 细胞系抑制活性分别为6: IC50 = 0. 6 molL 1、SAHA: IC50 =1. 8 molL 1、erlotinib: IC50 = 7. 5 molL 1、SAHA/erlotinib: IC50 =2. 3 molL 1。化合物6 的体外酶活性分别为HDAC: IC50 =4. 4 molL 1、EGFR: IC50 =2. 4 molL 1、HER-2: IC50 = 15. 7 molL 1。这一结果表明，6 作为一个单独的化合物同时抑制了EGFR、HER2、HDAC 三个靶点，在肿瘤治疗中具有更好的活性，原因可能与同时涉及多条信号通路和协同作用有关19。Figure 5 The structures of EGFR/HER2-HDAC dual inhibitors5 HMGA-HDAC 双靶点抑制剂 最近的研究表明，把抗肿瘤药物和他汀类降脂药联合使用可以降低药物不良反应，增加抗肿瘤作用20-21。在体外实验中，将HDAC 抑制剂和3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A 还原酶( HMGA)抑制剂联合使用，观察到两者有诱导HeLa 细胞凋亡的协同作用。并且注意到SAHA 的脂链和lovastatin( 7，图6) 的脂链重叠。 基于以上观点，合成了一系列HMGA-HDAC 双靶点抑制剂15 18 ( 图6) 。通过酶活性实验发现，化合物9 12 同时具有抑制HMGA( IC50 = 16. 8，3. 1，12. 3，43. 1 nmolL1 ) 和HDAC ( IC50 = 64. 8 600. 1 nmolL1) 的活性。这些化合物可以有效地降低肿瘤细胞的HMGA 活性、提高组蛋白的乙酰化、增加微管蛋白含量，但是它们对正常细胞没有细胞毒性22。 Figure 6 The structures of HMGA-HDAC dual inhibitors6 PI3K-HDAC 双靶点抑制剂 磷脂酰肌醇3-激酶( PI3K) 在肿瘤细胞的抑制、生长、繁殖和生存过程中起着重要作用。通常情况下，PI3K 在肿瘤细胞中处于活化状态，通过抑制PI3K 活性可以达到抗肿瘤作用23-24。但是PI3K 抑制剂受到其他有关细胞生长信号通路作用的限制，抗肿瘤作用并不好25。通过HDAC抑制剂控制组蛋白和非组蛋白的乙酰化水平，联合PI3K 抑制剂使用可以达到协同作用26。Qian等27设计合成了同时包含PI3K 和HDAC 抑制剂药效团的化合物13( 图7) 。体外酶活性实验结果表明，化合物13( CUDC-907) 可以很好地抑制HDAC 1 /3 /10( IC50 = 1. 7、1. 8、2. 8 molL 1 ) ; 同时对PI3K、PI3K 和PI3K抑制作用的IC50物13 通过活化ATK，可以有效地抑制肿瘤细胞的增长。它降低药物耐药性的机制可能是由于同时抑制PI3K 和HDAC 的活性，广泛地调节其他信号通路的结果。值为19 、54 、39 nmolL1。化合物13 通过活化ATK，可以有效地抑制肿瘤细胞的增长。它降低药物耐药性的机制可能是由于同时抑制PI3K 和HDAC 的活性，广泛地调节其他信号通路的结果。Figure 7 The structures of PI3K-HDAC dual inhibitors7其他HDAC 双靶点抑制剂 关于HDAC 双靶点抑制剂的研究还有很多，他们的设计思路均是将HDAC 抑制剂和其他靶点抑制剂的药效团结合到一个新分子中。例如化合物14 16 ( 图8) 具有抑制EGFR( IC50 = 0. 90、1. 56、5. 16 molL 1 ) 和HDACs ( IC50 = 1. 21、1. 09、0. 56 molL1 ) 双重活性28; Topo-HDAC 双靶点抑制剂17( 图8) 对HDAC 1 /6 /8 的IC50值分别为37,81,1046 nmolL129; c-Src 激酶-HDAC 双靶点抑制剂18( 图8) 的c-Src 激酶Ki值为138 nmolL1，HDAC1 的Ki值为0. 26 nmolL 130。Fischer 等31把Vitamin D 受体激动剂和HDAC 抑制剂的药效团结合在一起，合成了化合物19 21( 图8) ，同样取得了不错的抗肿瘤效果。Figure 8 The structures of other dual inhibitors总结 由于肿瘤的发生发展与多种因素有关，未来的化疗药物不仅需要可以作用于多个靶点，而且要求保持原有的抗肿瘤活性和较低的毒副作用。多靶点药物具有两大优势。首先，多靶点药物较联合用药具有更为简单的药动学特性; 其次，多靶点药物通过多重抗肿瘤机制，可以克服单靶点药物治疗带来的药物耐受性。最近的研究表明，HDAC 抑制剂和很多抗肿瘤药物联用可以达到协同作用。由于HDAC 抑制剂头部是一个疏水基团，因此利用其他抗肿瘤药物的疏水性药效团替代HDAC 抑制剂的头部基团，即可以产生一个双靶点抗肿瘤药物。 文中介绍的HDAC 双靶点抑制剂的体外活性实验结果表明，这些HDAC 双靶点抑制剂都比现有的单靶点药物或联合用药具有更好的活性。但是，目前的这些双靶点药物的活性研究仅限于体外实验。如果要把这些双靶点药物应用到临床，则需要一个更好的体内模型来证明这些双靶点药物更加安全有效。在未来的研究中，随着更多的肿瘤细胞信号通路的诠释，将会有更多的多靶点抗肿瘤药物被开发。参考文献:1 Petrelli A, Giordano S. 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