抗肿瘤药物CombretastatinA

1、抗肿瘤药物Combretastatin A-4 结构修饰的研究进展摘要：Combretastatin A4( CA-4) 为南非灌木矮柳树( Combretum caffrum) 树皮植物中分离的一种具有抗肿瘤活性的二苯乙烯类化合物，它作为一种新型微管蛋白抑制剂， 能够抑制多种肿瘤的生长和转移, 是一种很有潜力的抗癌药物，有着良好的上市前景。但是也存在着众多缺陷，比如水溶性差，反式构型没有活性等,所以，近年来围绕提高CA-4 水溶性、保持顺式构型等衍生物的设计研究成为了热点。本文就CA-4的结构改造的研究进展进行综述，其主要集中在对CA-4 中的A 环、B 环及其骨架结构的修饰改造。关键词：抗

2、肿瘤药物 ；Combretastatin-4 ；构效关系；结构修饰前言微管蛋白是抗肿瘤药物的一个主要靶点，为一种异二聚体蛋白，在细胞分裂中发挥重要作用。微管蛋白抑制剂是临床上最有效的一类抗癌药物，通过对微管的解聚或稳定作用而发挥其抗癌功效。目前，临床上应用的微管蛋白抑制剂有长春新碱、长春碱、紫杉醇、秋水仙碱等。然而，这些药物对晚期癌症患者的疗效欠佳，而且对正常组织有一定的破坏作用。Combretastatin A4( CA-4，1a) 系从南非灌木矮柳树( Combretum caffrum) 的树皮分离得到的一种顺式二苯乙烯类天然产物，上世纪70 年代末，通过美国国立癌症研究所广筛发现，由O

3、xigene 公司进一步临床开发。其作用靶点与秋水仙碱类似，而活性却明显优于秋水仙碱。CA-4 抑制微管蛋白聚合的IC50为( 2 4 ± 14) mol·L-1。为了能够提高它的水溶性，使其更易于体内给药，将CA-4 设计改造为磷酸二钠前药( CA-4P，1 b) ，其磷酸盐基团可在血浆中解离而释放出CA-41。CA-4 和CA-4P 的结构式见图1。1 佚名抗癌药物Combretastatin A4 及其类似物J药学进展，2007，31(1) : 138 139图1 CA-4 和CA-4P 的结构式近年来，对CA-4 结构修饰以及类似物的研究开发也受到研究人员的青睐，成

4、为抗肿瘤新药研究的热点课题之一。CA-4 结构较为简单，主要由三部分组成，即3，4，5-三甲氧苯基( A 环) 、3-羟基- 4-甲氧基苯基( B 环) 以及连接两个苯环的顺式双键。对CA4 类似物的研究主要集中在对这三个部分的结构改造，在保持CA-4 关系的基础上，对其骨架进行改造是近年来人们研究的重点，本文就近年来有关CA-4 的的有关研究进展进行综述。1 CA-4 的抗癌机理它的作用机制与血管生成抑制剂不同，血管生成抑制剂仅能阻止新血管的生成，而CA-4 能针对肿瘤的血管显示出特异性靶向和破坏已生成的肿瘤血管,使肿瘤得不到氧气和营养，直到肿瘤“饿死”。现有的化疗和放疗不可能轻易的杀死肿瘤

5、核心部位的癌细胞，而CA-4 可以从内到外彻底的杀死癌细胞2。CA-4 结构简单，具有很高的活性而且能抑制微管聚合和有丝分裂，也是秋水仙碱(Colchicine)对微管聚合作用的竞争抑制者3。而且CA-4 比Colchicine 更容易与微管蛋白结合4。2 OXIGENE 公司开发出新型抗癌药Combretastatin. 药学进展, 2000;2:127.3 C M Lin, S B Singh, P S Chu et al. Mol. Pharmacol., 1988, 34(2):200208.4 J Griggs, J C Metcalfe, R Hesketh. Lancet Onc

6、ol,. 2001, 2(2):8287.CA-4和它的前药Combretastatin A-4 Phosphate(CA-4P)具有相同的作用机制，但后者对肿瘤的选择性较高5。因为磷酸酯酶在增殖的血管内皮细胞中的浓度比在静止的细胞中要高得多。CA-4P 显著改变新生血管内皮细胞的构象，改变毛细血管血流量，暴露血管基底膜引起广泛的出血和凝血，对处于分裂状态的内皮细胞具有强烈的细胞毒和抗增生效应，而对处于静止状态的细胞无明显作用65 G M Tozer, V E Prise, J Wilson et al. Cancer Res., 1999, 59(7):162634.6 张莉，刘皋林. 第二

7、军医大学学报, 2000;21(10):987990.2 CA-4 的构效关系由于相对简单的结构、强抗肿瘤活性及低毒副作用，CA-4 受到极大关注。科学家对CA-4 进行了修饰研究，结果一系列CA-4 类似物被合成和评价，并从这些合成物中总结出清晰的构效关系，见图2。图2A 环上的三甲氧基对保持抗肿瘤活性有着重要作用。连接A、B 环的桥式结构可以是双键、杂环( 如吡唑、噻唑、咪唑、唑、呋喃、噻吩、三唑、四唑及吲哚等) 及非杂环结构( 醚、酮、磺胺、磺酸酯、胺、胺衍生物及环戊烷等) ，连接两环的原子数可以2 或3，但以2 个为最佳，且顺式是活性必需构型。B 环上的甲氧基为维持活性的重要基团，而3

8、 位的羟基是修饰的重要部位7。7 PETTIT G R，MINARDI M D，ROSENBERG H J，et al. Antineoplastic agents. 509: synthesis of fluorcombstatin phosphate andrelated 3-halostilbenesJ. J Nat Prod，2005，68( 10) : 1450-1458.3 CA-4 的结构修饰研究8CA-4 是一个有效的微管蛋白抑制剂，但其水溶性较差和易变构为反式而致活性消失的特点限制了其临床价值，因此，科学家们以CA-4 为母体化合物进行了大量的研究工作。为了提高CA-4 的活

9、性和减少毒副作用，研究者们就以它为母体结构不断对它进行修饰，现在就从以下几个方面来说明它的发展情况: A 环上取代基修饰；B 环上的结构修饰；连接A 环和B 环的桥状结构修饰（保持顺式构型）；增加水溶性。8李杰，马大友，刘苏友. 微管蛋白聚合抑制剂Combretastatin A4 衍生物的研究进展J, 2012,47(03):166-1723.1 增加水溶性CA-4 水溶性较差，难以经血管给药，故设计了化合物1，2，3 等以提高其水溶性9-11。1 是CA-4 磷酸酯的二钠盐形式( combretastatinA-4 phosphate，CA4P) 。CA-4P 作为CA-4 的前体药物，极

10、大地改善了CA-4 的水溶性和药代动力学性质，利用磷酸酯酶在增殖的血管内皮细胞中的浓度高于正常细胞的特点，使CA4P 在肿瘤血管中被选择性激活，靶向释放出CA-4 并发挥抗血管、抗肿瘤作用12。I 期临床研究表明，CA4P 表现出很好的活性，并有很好的耐受性且无血液毒性，现已进入III 期临床试验阶段。2是CA1的双磷酸酯二钠形式，此药也已经进入了临床试验阶段。3是将CA-4 结构上的羟基用水溶性更强的基团取代。药理结构显示，3不仅保持了CA-4 较强的生物活性，水溶性也大大提高。另外一种增加水溶性的方法是在羟基接上水溶性较强的基团，如Megan等13设计和合成了一系列的化合物，水溶性明显增大

11、。其中4 的活性较强，IC50值达到了41 molL 1。9 蔡于琛，邹永，冼励坚 小分子血管阻断剂抗肿瘤研究进展J 药学学报， 2010， 45( 3) : 283 28810 BANERJEE S，WANG ZW，MOHAMMAD M，et al Efficacy ofselected natural products as therapeutic agents against cancerJ J Nat Prod，2008， 71( 3) : 492 49611 HILL SA，TOZE GM，PETTIT GR， et al Preclinical evaluation of the

12、antitumour activity of the novel vascular targeting agent Oxi4503J Anticancer Res，2002，22( 3) : 1453 145812 BUTLER MS Natural products to drugs: natural product derivedcompounds in clinical trialsJ Nat Prod Rep，2008，25 ( 3 ) :475 51613 MEGAN L，OLIVIA B，ARMAAN D， et al Design and synthesis of novel e

13、nhanced water soluble hydroxyethyl analogs of Combretastatin A-4J Bioorg Med Chem Lett，2011，21 ( 7 ) : 2087 20913.2对A 环的结构修饰一直以来，三甲氧基苯基即A 环部分一直被认为是保持抑制微管蛋白活性和细胞毒性的重要基团。但是，最近的一些研究显示，以其他的一些取代基替代三甲氧基而衍生出来的化合物也显示出了良好的微管蛋白抑制活性。Chang 等14合成了一系列在A 环的2 位上引入一个硝基、氨基或卤素的CA-4 衍生物，其中2-氨基取代化合物5a和5b( 图3) 的抗微管活性与CA-

14、4 相近甚至好于CA-4，对多种肿瘤细胞的IC50值在11 44 nmol·L 1之间，而在2 位上的硝基和溴原子替代活性下降明显。Hall 等15则用氟原子替代三个甲氧基合成了一系列衍生物，其中活性最好的化合物6( 图3) 较CA-4 的抗微管活性与细胞毒性下降明显，基本无活性。Simoni 等16用苯并噻吩等杂环替代A 环合成了一系列衍生物7a g( 图3) ，活性普遍较好，其中又以苯并噻吩类化合物7f 活性最好，不仅能有效抑制微管蛋白，对BMEC 和HT-29 细胞的IC50值也分别达到20 和21 nmol·L 1，而化合物7a 和7b 抑制微管聚合的作用与CA-4

15、 相近，且它与秋水仙碱位点结合的能力是CA-4 的5 倍。 图3 CA-4的A环修饰后的衍生物14 CHANG J Y，YANG M F，CHANG C Y，et al. 2-Amino and 2'-aminocombretastatin derivatives as potent antimitotic agentsJ.J Med Chem，2006，49( 21) : 6412-6415.15 HALL J J，SRIRAM M，STRECKER T E，et al. Design，synthesis，biochemical，and biological evaluation o

16、f nitrogen-containingtrifluoro structural modifications of Combretastatin A-4 J.Bioorg Med Chem Lett，2008，18( 18) : 5146-5149.16 SIMONI D，ROMAGNOLI R，BARUCHELLO R，et al. Novel ARingand B-Ring modified combretastatin A-4 ( CA-4) analoguesendowed with interesting cytotoxic activity J. J Med Chem，2008，

17、51( 19) : 6211-6215.2. 2 B 环的结构修饰2. 2. 1 B 环取代基修饰在B 环上进行取代基修饰是对CA-4 修饰研究的一个重要研究方向，迄今为止在这个位置上进行取代基修饰所得的化合物很多，所以近年来在这个位置上进行的修饰研究较少。Monk等17尝试在B 环上引入氨基、硝基得到一系列衍生物，其中活性较好的化合物8a 和8b( 图4) ，其抗微管活性稍弱于CA-4，而将甲氧基移至2 位得到化合物8c 是活性明显下降。Chang 等18则合成了一个2-氨基-5-甲氧基苯基替代B 环的化合物9，见图4，活性基本消失。图4 B环取代基修饰的CA-4衍生物17 MONK K A

18、，SILES R，HADIMANI M B，et al. Design，synthesis，and biological evaluation of combretastatin nitrogen-containingderivatives as inhibitors of tubulin assembly and vascular disruptingagentsJ. Bioorg Med Chem，2006，14( 9) : 3231-3244.18 CHANG J Y，YANG M F，CHANG C Y，et al. 2-Amino and 2'-aminocombretast

19、atin derivatives as potent antimitotic agentsJ.J Med Chem，2006，49( 21) : 6412-6415.2. 2. 2 以其他环状结构替代B 环的修饰 Simoni 等19以杂环替代B 环合成了一系列衍生物10a i( 图5) ，其中化合物10a 和10b 的抗肿瘤活性较好，其IC50值分别为23 和93 nmol·L 1，将10a 和10b 的2-甲基换成苯基活性下降明显。将苯并噻吩环上的羟基甲基化也会使活性下降，如10c 和10d。苯并噻吩及苯并呋喃环与乙烯基相连的位置对活性也有明显影响，在6 位上与乙烯基相连比在5

20、位上活性要高出一个数量级，如化合物10e和10f。萘环替代B 环的化合物10g的抗肿瘤活性也较好，将3-羟基甲基化活性亦下降。苯并吡唑环替代B 环衍生物10h的抗肿瘤活性一般，但吲哚环衍生物10i 的IC50值达到28 nmol·L 1。图5 杂环替代B环修饰的CA-4衍生物19 SIMONI D，ROMAGNOLI R，BARUCHELLO R，et al. Novel combretastatin analogues endowed with antitumor activityJ. J Med Chem，2006，49( 11) : 3143-3152. 同时，田然等20利用遗

21、传函数分析方法进行了二维定量构效关系研究，阐明了B 环上的各取代基对活性的影响。因此，认为B 换上引入较强吸电子效应的基团可能会提高其生物活性。20 田然，季宇彬，刘振，等 Combretastatins 类微管蛋白抑制剂的定量构效关系与结合模式J 高等学校化学学报，2007，28( 11) : 2150 21552.3连接A 环和B 环的桥状结构修饰 连接A 环和B 环的桥状结构也就是CA-4 两环中的烯键结构，首先因为分子结构中存在烯键就必然有顺反异构的问题，所以研究者把它的顺式和反式进行比较。经研究表明顺式比反式明显有较高的活性21,2221 M Cushman, D Nagarathn

22、am, D Gopal et al. J. Med. Chem,. 1991, 34(8):257988.22 N H Nam, Y Kim, Y J You et al. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2002, 12(15):19558. 顺式双键是CA-4 的细胞毒性和抗微管蛋白活性的基础，决定了2 个取代苯环具有合适的角度和空间距离。然而，顺式双键容易异构为反式，从而失去其生物学活性。因此，近年来国内外以CA-4 为先导化合物进行了大量的顺式构型的锁定工作，即在双键部位成环或引入其他结构单元以使两个苯环保持顺式关系。 Johnson 等23设计合成了一系列的吡唑啉

23、类CA-4 衍生物，一方面保留了CA-4 的A 环的基本结构，另一方面利用吡唑啉环锁定顺式结构，很好的模拟了CA-4 的顺式构型。其实13 的抗肿瘤活性较强，对B16 肿瘤株的IC50值达到了2 5 mol·L 1。Bojan 等24设计合成了一系列的利用吡唑啉酮环作为控位基团的化合物，并考察了不同的取代基，基团位置等对生物活性的影响。其中14， 15 对微管蛋白的抑制率高达97%和100%。对肿瘤细胞也具有很好的抑制活性，达到0 048 和0 176 mol·L 1。Kristin 等25,26根据CA-4 的构效关系研究结果设计并合成了1，5-二取代-1，2，3-三氮唑

24、类化合物。分别考察了三氮唑的位置，分子链长度等对化合物活性的影响，如16， 17， 18。该类化合物中均包含了CA-4 的A 环3，4，5-三甲氧基苯基片段和B环对甲氧基苯基片段结构，同时，1，2，3-三氮唑杂环充当了CA-4 中双键的作用，并且通过环的刚性结构，使得1 位和5 位的取代基处于环的同侧，很好地模拟了CA-4 的顺式构型，从而保持了良好的活性。药理实验结果表明，化合物13 对不同的肿瘤细胞均表现出了良好的体外细胞毒活性，其IC50值与CA-4相当( 0 011 mol·L 1，CA-4 为0 010 mol·L 1 ) 。14， 15 生物活性明显降低， 14

25、 对抗肿瘤活性很低， 15具有一定的抗肿瘤活性，对K562 细胞株的IC50值达到了1 83 mol·L 1。 Li 等27以化合物A-105972 ( 19) 为先导化合物合成了一系列2-取代吲哚噁唑啉类化合物。在所合成的化合物中，化合物20 对NCI-H460 及HCT-15两个肿瘤细胞株均表现出了明显的抗增殖活性。同时还对化合物20 的两个对映异构体进行了进一步的研究，研究结果表明，化合物17 的S-异构体( 21) 抗增殖作用明显优于R-异构体，并表现出明显的抑制微管蛋白聚合的作用，其IC50值达2 3 mol·L 1。Sun 等28设计和合成的二芳基异恶唑类CA-

26、4衍生物同样具有很强的抗肿瘤活性，如22，对HeLa肿瘤株的IC50高达0 022 nmol·L 1。23 JOHNSON M，YOUNGLOVE B，LEE L，et al Design，synthesis，and biological testing of pyrazoline derivatives of combretastatinA-4J Bioorg Med Chem Lett，2007，17( 21) : 5897 59024 BOJAN B，TAMARA CZ，SANJA T Pyrazolone-fused combretastatinsand their prec

27、ursors: synthesis，cytotoxicity，anti-tubulinactivity and molecular modeling studiesJ Bioorg Med Chem，2010， 18( 7) : 2375 238725 KRISTIN O，JEAN H，JEREMIE FC 1，5-Disubstituted 1，2，3-triazoles as cis-restricted analogues of combretastatin-A4: synthesis，molecular modeling and evaluation as cytotoxic agen

28、ts andinhibitors of tubulinJ Bioorg Med Chem，2008，16 ( 9 ) :4829 483826 KRISTIN O，JEREMIE FDC，SYLVIE D， et al 1，2，3-Triazoleanalogs of combretastatinA-4 as potential microtubule-binding agentsJ Bioorg Med Chem，2010， 18( 18) : 6874 688527 LI Q，WOODS KW，CLAIBORNE A，et al Synthesis and biologicalevaluation of 2-indolyloxazolines as a new class of tubulinpolymerization inhibitors Discovery of A-289099 as an orally activeantitumor agentJ Bioorg Med Chem Lett，2