抗癌微生物药物的研究与开发

抗癌微生物药物的研究与开发,前言,恶性肿瘤是人体组织和细胞发生异常的增生，这些细胞的盲目迅速生长，损耗人体大量营养，同时还破坏正常组织结构，使器官功能失调，最后导致宿主死亡。恶性肿瘤的致病因素比较复杂，除机体本身免疫，内分泌，神经功能紊乱和外界化学、物理的致病因素外，已阐明细胞核内的遗传物质DNA发生了结构和功能上的变化，就可形成恶性肿瘤。70年代已发现某些实验致癌的RNA病毒中存在一种逆转录酶，它能以RNA病毒为模板合成DNA，这种变异的DNA就是癌变的物质基础。,从丰富的微生物代谢产物中寻找具有抗肿瘤作用的生物活性物质的工作已有多年的历史，为了寻找高效低毒的抗癌微生物药物，很多微生物如链霉菌、真菌、细菌及海洋微生物等作为对象，进行了大量筛选工作，所获临床有效的微生物药物除个别外，几乎都是从链霉菌产生的。这类药物的独特之处在于它们具有极其多样性的化学结构对这类药物的抗肿瘤活性的评价，将有助于进一步设计出更好的抗癌药物。,1.来源、结构及抗癌活性,1.1.1放线菌素D,1.1 多肽和蛋白质类抗生素,放线菌素类(actinomycins，ActD)是一类含有环肽的抗生素，结构中含有两条对称的五肽内酯环,连接于一个吩恶嗪酮发色团，如图所示。它也是最早用于临床的抗肿瘤抗生素。自发现放线菌素对何杰金氏病有效后,人们开始从微生物产物中寻找抗肿瘤药物。至今,报道的放线菌素已有50种以上，临床上应用的仅为放线菌素C和D。,1.1.2 博来霉素（Bleomycin,BLM,USP),一个典型的BLM-A2分子由四部分组成：1）末端氨基，参与BLM与核酸的相互作用；2）bithiazole部分，也参与BLM通过DNA小沟与DNA结合；3） 一个假肽部分，通过几个配位键结合过渡态金属，与识别特定DNA序列有关；4） 一个多聚糖部分，其功能尚待讨论。,博来霉素是由日本微生物化学研究所的梅泽滨夫首先从一株轮支链霉菌（Streptomyces vertillus）中分离出来的糖肽类抗生素。疗效显著，毒性，尤其是对白细胞的毒性较低。BLM 组分繁多，天然组分中，结构衍生物有十几个，国际市场上所用的BLM 药品为BLMA2和B2的混合物。争光霉素：轮支链霉菌平阳变种产生，1971年投入生产、临床。它的2个组分与BLMA2 B2 完全一致，但是国内的主要组分是BLMA5，所以被命名为平阳霉素。,培罗霉素（pepleomycin,PEP）：是在BLM基础上发展起来的第二代BLM 产品，是在BLM 的发酵过程中添加苯乙丙双胺前体定向合成的。泰莱霉素（talisomycin）被称为第三代博莱霉素，其疗效比博莱霉素好，而毒副作用较小。,1.1.3 新制癌菌素（Neocarzinostatin),含有肽或非肽发色团，由S.carzinostaticus F41产生的一个抗肿瘤蛋白质，由109个氨基酸组成（分子量为10700） 。对Hela细胞、Flow2000、NS-3细胞等有抗肿瘤活性。可作用于细胞膜引起DNA合成和细胞分裂障碍。,1.2.1 柔红霉素（Daunorubicin),1.2 蒽环类抗生素（Anthracycline antibiotics),1.2.2 阿霉素（Adriamycin, Doxorubicin),又称14-羟基柔红霉素，由波赛链霉菌变种Caesius产生，也可由柔红霉素化学转化制得。,1.2.3 洋红霉素（Carubicin，又名Carminomycin) 又称4-去甲基柔红霉素，最初由洋红放线马杜拉菌(Actinomadura Carminata)分离得到，后由Actinomyces Cremcopoinus及Streptosporanglum中分离得到。1.2.4 正定霉素（zhengdingmycin) 由天蓝淡红色放线菌正定变种（S.coerulo-rubidus var. Zhengding）所产生，与国外报道柔红霉素相同。,1.2.5 阿克拉霉素A(Aclarubicin, AclacinomycinA,阿柔比星）,1.2.6 诺加霉素（Nogalamycin,Ruticulomycin),诺加霉素由Streptomyces nogalater变种nogalator菌中分离，对肝癌及十二指肠癌有效。,1.3.1 丝裂霉素（Mitomycin C),1.3 醌类抗生素,丝裂霉素是一类强效抗生素，于1950年由日本微生物学家从Streptomyces caesoitosus的发酵培养物中发现。其家族成员之一丝裂霉素C（mitomycin C，MC）。由于丝裂霉素C对实体瘤具有广谱的抗肿瘤活性，已于上世纪60年代被用于临床癌症化疗。MC是乳房、肺，前列腺癌症联合化疗的一种重要药物，也是少数几种有效的抗结肠癌药物之一，并且是治疗表皮膀胱癌所选择的药物之一和单一治疗非小细胞型肺癌的最具活性的药物。,1.3.2 链黑菌素（又名链黑霉素）Streptonigrin Rufocromomycin,链黑菌素（streptonigrin，SN）是从Strptomyces flocculus培养物中分离到的一种氨基苯醌类抗肿瘤抗生素。由Rao等在1963年通过化学分析法和质谱鉴定并最终由Chiu和Lipscomb于1975年用X-衍射法确证。分子结构中A、B和C环几乎共平面，而D环与它们完全垂直。,链黑菌素表现出多种对DNA的不可逆性的金属络合位和络合键，通过特定的金属离子如锌、铜、铁、锰、镉、金形成链黑菌素-金属-DNA络合物。金属离子的出现阻止了SN-DNA的缔合。用含有不同的锌摩尔当量的DNA滴定链黑菌素表明：一分子链黑菌素需要5.7摩尔锌离子和2025摩尔的磷酸DNA才能形成络合物。Sinha报道说离体的化学温育降低链黑菌素与DNA的络合，250个核苷酸结合1分子链黑菌素，而二价锌离子的存在大大加强了成键，使络合变为180个核苷酸结合1分子链黑菌素。,1.3.3 克大霉素（Kidamycin,rubiflavin B),1.4 色霉素类抗生素,色霉素（chromomycin）也叫阿布拉霉素、光神霉素（mithramycin）也叫普卡霉素，与橄榄霉素（olivomycin）属于金霉酸类抗肿瘤抗生素，其分子中都具有一个甙元发色基团，和五个附着在甙元上的糖环，A-B两个糖环与C-D-E三个糖环相对附着，其化学结构如图所示。研究发现：这两个药物在Mg 2的介导下形成一个二聚体，然后嵌入到一个富含G/C序列的被拓宽的DNA小沟中。,1.5 氨茴霉素类（Anthramycins)抗生素,Tetragomycin是从S.rimous的一株变种中分离得到的第一个新四环结构苯骈蒽醌类抗生素,1.6 苯骈蒽醌类（Benzaanthraquinone),三类： 第一类：A环饱和的，如Aquayamycin， Rabelomycin，Sakyoyamycin 第二类：A环不饱和的，Tetrangomycin， Saquayamycin 第三类：B环不饱和的：如PD1167,Aquayamycin,Saquayamycin,二羟苯Anthraquinone抗癌抗生素PD116740，其结构特点是B环不饱和，对L1210白血病和HCT-8人细胞有抑制作用。,1.7 激素类,1.8 其他微生物代谢物,免疫增强剂,2. 作用机理,作用机制研究是指导临床应用的重要基础理论研究。药物学家或化学家则必须根据抗癌微生物药物的作用机制及其构效关系，来改造其化学构。 抗癌微生物药物可能有各种不同的作用靶位，如有的作用于细胞的生物合成酶，有的作用于细菌质膜上的某种成分，有的作用于DNA或RNA的信息转移系统，还有的作用于蛋白质合成过程中的某一环节，现将最新报道的作用机理分述如下：,2.1 蒽环类抗生素的作用机理,蒽环类抗生素的生物学效应复杂多样，包括致DNA；断裂；染色体交换率增高；染色体畸变；抑制DNA复制与转录及蛋白质合成；影响质膜的结构和功能等等归纳起来，从细胞及分于水平来分析其机制，大致有3点：,2.1.1 插入DNA,蒽环类对DNA的作用的基本方式是以其B和C环为主垂直插入双链DNA长轴的碱基对之间，A和D环伸出DNA双链的两侧，氨基糖部分的氨基则与DNA的磷酸基成离子键结合，从而形成相对稳定的蒽环类-DNA结合物，改变DNA的模板性质，抑制依赖DNA和RNA聚合酶，插入引起部分双链解链。如图所示。此外，还损伤DNA，引起DNA单链双链断裂，使染色体变换增高及烷化DNA。,由甲醛分子介导的2：1 DNR-CGCGCG共价复合物的三维结构 箭头所示为甲醛分子介导的共价交链。A：从DNA小沟所示；B：从DNA大沟所示。,另外一个蒽环类抗肿瘤抗生素诺加霉素（nogalamycin，Ng），它对DNA的嵌入模式跨越小沟和大沟。,图中红色所示为诺加霉素分子中的nogalose部分，其嵌入在DNA小沟中；图中紫色所示为诺加霉素分子中的氨基葡萄糖部分，其嵌入在DNA大沟中；金黄色所示为诺加霉素的甙元部分。,2.1.2 自由基形成,具有未配对电子的化合物被称为自由基。药物代谢产生的自由基能和体内重要的生物大分子如DNA，膜相结构等发生强烈反应，现已证明心脏线粒体自由基形成是ADM和 DR心脏毒性的主要原因，ADM和DNA在心脏细胞中被还原成半醌自由基，继而与氧发生反应生成超氧负离子，后者转变为过氧化氢后再形成性质极为活泼的羟基自由基。羟基自由基能与多种生物分于如脱氧核糖，线粒体等发生反应，造成对细胞的损伤。由于心脏组织中基本不存在具有解毒作用的酶类，因此，其毒性往往比其他组织要大。另外，蒽环的氧化还原循环抑制了谷光苷肽超氧酶的活性。,2.1.3 对细胞膜的作用,蒽环类抗生素能与红细胞膜结合；引起细胞膜形态学改变，最终导致膜被溶解。膜结合的ADM也能产生自由基，自由基诱导的脂过氧化物通过损伤细胞膜磷脂的未饱和脂肪酸而改变膜通透牲。脂过氧化物也改变多种膜结合蛋白的功能。,2.2 新氨茴霉素的作用机理,新氨茴霉素具有识别或结合双股螺旋DNA的某些特殊结构的特性，它在与生物系统DNA的化学受体之间相互作用时，大致开始于新氨茴霉素的C-11位与生物系统DNA鸟嘌呤（或胞嘧啶）碱基的N-2位处发生反应，然后形成共价键。,2.3 环孢菌素的作用机理,环孢菌素主要作用于T细胞，对淋巴细胞的影响，说的更恰当一点是发生在诱导期，它主要表现为抑制一系列淋巴激活素，诸如白细胞间质2（IL-2），r-干扰素和OAF，在转录水平或在激活作用的初期，能有选择地引导这些的转录作用，有人报道环孢菌素可干扰OKT3单克隆抗体的结合，提示环孢菌素是结合在抗原和有丝分裂原受体的附近。,2.4 抑制DNA模板功能的一类微生物药物的作用机制,2.5 干扰蛋白质生物合成,2.6 其它抗癌微生物药物的作用机理,L-门冬酰胺酶通过分解L-门冬酰胺而抑制其增殖。OK-432具有活化巨噬细胞，增强T细胞活性，诱导干扰素的产生以及激发其它抗肿瘤免疫功能。Bestatin降低细胞膜负电性，在有细胞增殖抑制剂存在时强化对细胞DNA合成的抑制。,3.1 肽类抗生素放线菌素D多用于小儿肾母细胞瘤、绒毛癌和黑素瘤等恶性肿瘤，已明确了放线菌素在治疗绒毛癌和黑素瘤的地位。博莱霉素和苯乙丙双胺博莱霉素（PEP）多用于皮肤癌，头颈部瘤、食道癌及恶性淋巴瘤等。新制癌素对白血病及胰腺癌较有价值。,3. 临床试验及疗效,3.2 蒽环类抗生素,临床前大量实验证明其对多种实验性肿瘤有抗瘤作用。第一代DNM和ADM被称为人类白血病治疗的“奠基石”。还有报道阿霉素可治疗肝细胞癌。亚德黑亚霉素、更生霉素、博莱霉素、环磷酰胺分别与含肿瘤坏死因子的血清合并应用时，可有效增强杀伤肿瘤细胞的活性。,3.3 色霉素类抗生素 光辉霉素治疗睾丸胚胎瘤，链脲霉素治疗胰腺胰岛细胞癌（转移性胰岛细胞癌）。3.4 氨茴霉素类抗生素 新氨茴菌素对肾癌、舌癌、癌性腹膜炎有效3.5 激素类 强的松龙和强的松用于造血器官肿瘤。环硫雄醇及Meipitiostane可口服用于乳癌治疗。,3.6 其他微生物代谢物,环孢菌素A是维持肾脏、心脏及心、肺移植物的首选药物，还用于骨髓和胰腺移植，实验性葡萄膜炎、脑脊髓炎、神经炎、肾炎、甲状腺炎、重症肌无力及全身的红斑狼疮等。OK-432全身或局部给药可改善肿瘤患者的免疫机能，提高抗肿瘤效果。Bestatin与常用的抗肿瘤化疗药物有显著协同作用，可强化药物的治疗效果，减少毒副作用。,4. 毒副作用,可采用联合化疗减少毒副作用：1、森修等用长春新碱、放线菌素D、环磷酰胺和ADM联合治疗15例四肢恶性软组织瘤，5年累积存活率达72.7%，无严重副作用。2、钙通道阻断剂甲哌氟丙嗪、喹尼丁、吐温-80等与ADM联用，可减轻ADM的细胞毒性。3、有报道辅酶Q10可阻断ADM产生的心脏毒性，提高抗癌疗效。4、另有报道认为血中维生素E的浓度提高23倍，可降低ADM的毒性作用。,5、Abe等报道丝裂霉素C、5-氟尿嘧啶核苷与苯丁亮氨酸联合用药有协同作用6、苯丁亮氨酸通过免疫修饰放大阿糖胞苷、博莱霉素、阿霉素等抑制细胞增殖效应。7、乳腺癌及前列腺癌一旦发生向骨髓转移，往往对性激素的治疗不敏感，如应用Bestatin可使原激素恢复其治疗功能，延长幸存期。,5 研究动向,1.发现了5种杀伤癌细胞作用非常强的烯二炔类抗生素，如：esperamicin、calichemicin、dynemicin、kedarmicin和C-1027。它们的作用机制是分子中的环状烯二炔部分发生环芳香化，形成二自由基切断DNA 链所致。2.不仅继续注意寻找癌细胞杀伤剂，也筛选癌细胞分化诱导剂、生物反应调节剂以及抗致突变、抗促癌变、抗致癌等癌化学预防药物。3.利用癌化学疗法的新靶点，如DNA拓扑异构酶、微管蛋白、钙调蛋白、蛋白激酶C等，建立筛选模型，探索作用于各靶点的抗生素。4.研究开发可用于定向治疗的单克隆抗体-抗生素偶联物等。,烯二炔类抗肿瘤抗生素的研究进展,研究者常把烯二炔称作enediyne，也有称作diynene、bicyclo diynene等，这类抗生素大多由稀有放线产生，目前已发现并确定为烯二炔结构的抗生素有C1027，Esperamicin（EPM），Calicheamicin（CLM），Dynemicin（DNM），Neocarzinostatin（NCS），Kedarcidin（KDC），Feractamicin（FTM）等及它们的衍生物。它们虽然来源不同，化学结构也有较大的差异，但因其共有的新颖活性中心，独特的作用机制，广泛的抗瘤谱和强大的生理活性而倍受人们注目，被誉为抗肿瘤抗生素的新希望。,烯二炔类抗生素的最大特点是其发色团中存在双烯双炔的共轭大环。由于此特异结构的存在，以一种全新的机制对肿瘤细胞产生作用。它一改传统抗肿瘤药物多以插入DNA分子序列的方式破坏肿瘤细胞，而是生成特有的苯环自由基直接氧化断裂DNA分子链，从而显现出强大的杀灭肿瘤细胞能力。通过对这一独特构效关系的研究，不仅有利于了解本类抗生素的性质，还有利于开阔思路，得以广泛利用物质的结构信息开展新药的筛选研究。,烯二炔类抗生素的产生菌,结构特点上是共同具有一个10元或12元的大环结构母核。此结构包含两个烯键和两个炔键并彼此共轭。 这