以肿瘤低氧为靶点的生物还原剂的研究进展

1、药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695702 695以肿瘤低氧为靶点的生物还原剂的研究进展刘井宝 1, 傅 磊 1, 胡永洲 2, 姜发琴 1*(1. 上海交通大学药学院药物化学教研室 , 上海 200240; 2. 浙江大学药学院药物化学教研室 , 浙江 杭州 310058摘要 : 肿瘤低氧是实体瘤发展过程中必经的过程 , 是引起肿瘤耐药、复发、侵袭和转移的重要原因。低氧肿 瘤细胞对放疗化疗有一定的耐受。 肿瘤低氧已成为肿瘤药物治疗的一个重要靶点 , 近年来 , 以肿瘤低氧为靶点的 生物还原剂在治疗肿瘤方面取得了很大的进展。本文对生物还

2、原剂研究的最新进展予以综述。关键词 : 低氧 ; 肿瘤 ; 生物还原剂中图分类号 : R916 文献标识码 :A 文章编号 : 0513-4870 (2009 07-0695-08Recent advances in the study of bioreductive drugs targeted tumor hypoxia LIU Jing-bao1, FU Lei1, HU Yong-zhou2, JIANG Fa-qin1*(1. Department of Medicinal Chemistry, College of Pharmaceutical Sciences, Shanghai

3、 Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Department of Medicinal Chemistry, College of Pharmaceutical Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, ChinaAbstract : Tumor hypoxia is the necessary process in the development of solid tumors, which is the key factor for drug resistance, recurr

4、ence, attack and shift of tumor. Hypoxic tumor cells have a certain extent of tolerance to radiation and chemotherapy. Tumor hypoxia is an important target for medication therapy. In the recent years, the bioreductive drugs targeted tumor hypoxia has made great process in the treatment of tumors. Th

5、e latest advances of bioreductive drugs targeted hypoxia were reviewed in this paper.Key words: hypoxia; tumor; bioreductive drug肿瘤中实体瘤占了 90%以上 , 低氧是实体瘤发展过 程中必经的环境条件之一 , 是实体瘤对放疗、 化疗产 生耐受的重要原因 , 低氧和肿瘤的转移及恶化关系 密切 , 也是肿瘤预后的独立指标 1。近年来生物还原 剂因其可选择性在肿瘤低氧区经还原酶作用 , 产生对 细胞有毒的代谢产物 , 成为治疗肿瘤的研究热点。 生物还原剂的种类很多 , 本

6、文主要从醌类 (如丝 裂霉素 C 、甲基丝裂霉素 、氮氧化物类 (如替拉扎 明 及过渡金属络合物类 (如钴、 铬等金属的络合物 生物还原剂的作用机制和临床应用等方面进行综述。 1 醌类生物还原剂的研究进展醌类化合物是一类重要的生物还原剂如天然产 物丝裂霉素 C 、 喹啉醌、 链黑菌素及蒽醌和阿霉素等 都是当前在临床使用的抗肿瘤药物 , 部分含天然产收稿日期 : 2009-02-18.*通讯作者 Tel: E-mail: jfq2008 物的醌结构的化合物如吲哚醌 EO9、蒽醌 AQ4N 及 苯醌 RH-1在体内和体外肿瘤细胞中都表现出高的 细胞毒活性 , 这些化合物目

7、前已进入临床试验阶段 (图 1 2。作用机制 : 醌生物还原剂可经一电子还原生成 半醌或二电子还原成氢醌自由基阴离子片段 (图 2 。 半醌和氢醌自由基阴离子可使 DNA 氧化断裂。半醌 可被分子氧终止以保护正常细胞。1.1 AQ4NAQ4N 没有 DNA 亲和力 , 毒性低 , 但是它的还 原物 AQ4对 DNA 有很强的亲和力 , 能有效地抑制 DNA 拓扑异构酶而抑制肿瘤细胞的增殖 3 (图 3 。 在此基础上修饰得到的化合物 AQ6N (图 4 经代谢 后得到的 AQ6的拓扑异构酶 II 抑制活性是 AQ4的两 倍。 体内研究表明当 AQ4N 与放疗或化疗药物 (环丙 沙星 , SR4

8、233, 顺铂和三胺磷硫 联合使用时可提高 作用效率。 696 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695 702 图 1 几类醌类生物还原药物 图 2 生物还原药物的作用机制1.2 丝裂霉素 C (mitomycin C, MMC天然产物丝裂霉素 C 是研究最多和最成熟的生 物还原剂 , DT-心肌黄酶可以将 MMC 直接还原为对 苯二酚的结构 (MMCH2, P450酶系可将 MMC 经一 电子还原成半苯醌类结构 , 这种半苯醌类结构是不 稳定的 , 在氧气存在下可以重新被氧化成 MMC 。对 苯二酚结构和半醌类结构都可以通过失去甲氧基

9、, 开氮丙啶环 , 失去氨甲酰基生成具有生物活性的烷化物 , 使 DNA 交联 4。作用机制见图 55。自 1958年丝裂霉素 C 被引入临床使用以来 , 丝 裂霉素 C 通常与其他化疗药物和放疗一起治疗胸部、 头部、颈部和非小细胞肺癌 , 产生了较好的抗肿瘤作 用。近来它与阿霉素联用可有效地治疗局部膀胱癌。 其类似物甲基丝裂霉素放疗联合使用治疗头颈鳞片 状细胞癌 , 治疗效果优于丝裂霉素 C 6。丝裂霉素 C 的 7位氨基被氧取代称为丝裂霉素 A (mitomycin A, MMA (图 4 衍生物 , 对 P388鼠的白血病和皮下黑 色素瘤 B16有高的活性。丝裂霉素 C 上的氮丙啶结 构

10、以环丙烷基替代的化合物 1 (图 4 在 V79细胞中有 高的活性。 Gellis 等 7设计合成了丝裂霉素 C 的衍生 物 2 (图 4, 体外实验中对乳腺癌细胞 (T47D、肺癌 细胞 (A549 和结肠癌细胞 (HT29 的抑制作用比 丝裂霉素 C 更加优秀。最近 Lynch 等 8合成了含有 5, 6, 7元环 1, 2-a骈 合咪唑醌类衍生物 T1、 T2、 T3和 T4 (图 6, 这类衍 生物体外试验中对人类皮肤纤维原细胞 GM00637的 抑制作用是丝裂霉素 C 的 4.4倍。 图 3 AQ4N抗肿瘤的作用机制刘井宝等 : 以肿瘤低氧为靶点的生物还原剂的研究进展 697 图 4

11、 醌类生物还原剂的结构式 图 5 MMC低氧下抗肿瘤的作用机制 图 6 5, 6, 7元环 1, 2-a骈合的咪唑醌类的结构式 1.3 RH-1 含有双氮丙啶结构的 2, 5-二氮丙啶 -3-羟甲基 -6-甲基 -1, 4-苯醌 (RH-1 是 DT-心肌黄酶的底物 , 其水 溶性好 , 在体内外具有很好的抗肿瘤活性。 RH-1在体内 NADPH 、细胞色素酶 P450作用下形成活化的 半醌形式进而发挥抗肿瘤作用 9 (图 7 。 RH-1在体内 代谢稳定性比丝裂霉素 C 和 EO9高 , 细胞活性是丝 裂霉素 C 的 225倍 , 毒性主要包括骨髓抑制和引起局 部炎症 , 视网膜毒性比 EO

12、9小 , 针对实体瘤的 I 期临床正在进行中 10。图 7 RH-1 抗肿瘤的作用机制698药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695 7021.4 醌类作为载体一个毒性较大的药物与醌直接或间接相连 (通 常在醌 3位甲基上 可制成毒性较小或无毒的前药 , 该前药经还原活化生成半醌自由基 (单电子还原过 程 或者氢醌 (二电子还原过程 再裂解释放出治疗 药物 (图 8、图 9 。常用载体包括苯醌、 萘醌和吲哚醌 , 其中最常用 的是苯醌和吲哚醌。药物经氧或氮连接链连接到醌上制成前药 , 前 药还原后生成醌亚甲基 , 醌亚甲基与 DNA 发生烷

13、基 化反应 , 产生毒副作用。为了避免醌亚甲基的生成 , 可通过醌内酯化和醌内自我烷基化来消除醌内亚甲 基。1.4.1醌内酯化 11如图 10所示 , 醌化合物经还原 后得到中间体的邻羟基与连接链上的羰基经分子内 环合生成非烷基化内酯成分 , 同时释放出药物。 该体 系适合丙酸酯或丙酰胺 , 其在环内酯化的同时 , 可释 放一个醇或胺类药物。1.4.2 自我烷基化 12如果醌本身带有一个亲核部 分 , 醌化合物经还原得到的醌亚甲基与该亲核部分发 生自身烷基化反应 , 并释放一个活性药物 , 自我烷基 化中的亲核部分可以是专门引入的亲核片段 (图 11, 图 8苯醌类递剂活化途径 图 9吲哚醌类

14、递剂活化途径 图 10醌内酯化的过程示意图 图 11自我烷基化的示意图刘井宝等 : 以肿瘤低氧为靶点的生物还原剂的研究进展 699方式 a, 也可以是醌活化后的羟基 (图 11, 方式 b 。 活性药物经酯、胺或醚连接到吲哚醌的 3位上 , 吲哚醌 3位甲基经过 Michael 消除得到吲哚醌亚甲基 的同时高效释放出药物 13, 得到的亚甲基作为烷基 化试剂会产生一些副作用 , 但这些副作用可通过 3位 引入大体积基团而减轻。2 氮氧化物类生物还原剂的研究进展氮氧化物低氧选择性生物还原剂可被某些特异 性的酶选择性地活化产生活性 , 大量氮氧化物 (图 12 被报道具有低氧选择性的细胞毒活性 ,

15、 如 1, 2, 4-三嗪 -1, 4-二氧化物替拉扎明 (Tirapazamine, TPZ、 喹喔啉类化合物 2-氰基 -3-氨基 -喹喔啉 -1, 4-二氧化物 (TPZCN 和吩嗪 5, 10-二氧化物 , 其中化合物替拉扎 明已进入临床试验研究阶段。氮氧化物的作用机制 : 在低氧下氮氧化物被一 或二电子还原酶活化 , 得到活性羟基自由基中间体 , 该中间体与 DNA 结合 , 抽提 DNA 单链或双链上的氢 , 使 DNA 氧化断裂 (图 14 。如 TPZ 经一电子还原得 到羟胺自由基。 参与氮氧化物活化的还原酶有细胞色 素 P450还原酶和 DT-心肌黄酶。一电子还原生成的 图

16、12氮氧化物类生物还原剂的结构式 图 13包含氮氧化物部分的官能团 羟胺自由基的过程可被分子氧终止 , 以保证在有氧 组织中的安全性 14。2.1 1, 2, 4-三嗪 -1, 4-二氧化物1, 2, 4-三嗪类二氧化物是近年来研究得非常活 跃的生物还原剂 , 主要包括单环 1, 2, 4-三嗪 -二氧化 物和苯并三嗪 -1, 4-二氧化物 (图 15 。为了降低毒副作用 , 人们对此做了进一步的修 饰 , 如替拉扎明去氨基衍生物 SR4482, 还原电位比 替拉扎明高 (还原电位为 190 mV, 替拉扎明为 332 mV, 在体内被快速代谢 , 其体内体外活性和低氧选 择性均比母体化合物低

17、。3-烷基 -1, 2, 4-苯并三嗪 -1, 4-二氧化物 SR4895 (3-乙基衍生物 、 SR4898 (3-丙基 和 SR4909在鼠体内 SCCVII 肿瘤放射试验中活性与替拉扎明相当 , 其中 SR4985优越的物理化学性质和体内活性可作为替拉 扎明候选化合物 , SR4909虽有高的活性但其毒性也 高 , 不适合在体内使用 , SR4895及 SR4909分别与顺 铂联合使用时表现出与替拉扎明与顺铂联合使用时 相当的活性。3-氨基被 3-烷基胺或 3-烷基醚取代得到的化合 物 , 增加了水溶性 (盐酸盐 , 如 -氨基乙基类似物 SR4916体外细胞毒活性为替拉扎明的 12倍

18、15。 3- (2-甲氧乙基 -1, 2, 4-苯并三嗪 (SR4941 的溶解性比 替拉扎明高 9倍 , 低氧活性相当 , 选择性高 (HCR=180, 毒性小。2.2 喹喔啉 -1, 4-二氧化物1994年报道了喹喔啉 -1, 4-二氧化物具有低氧选 择性细胞毒活性 , 体外活性最好的是 3-氨基 -2-氰基 衍生物 (TPZCN (图 12, 其活化机制与替拉扎明相 似 , 经酶活化引起 DNA 氧化断裂 16。人们以喹喔啉 -1, 4-二氧化物为母体结构设计合 成了系列化合物 , 如 7-(4-硝基 -苯基 -2-氰基 -喹喔啉 - 1, 4-二氧化物 (3 (图 16 在 V79细胞

19、中比替拉扎明 及其母体化合物活性高 150倍 , 低氧选择性比替拉扎 图 14氮氧化物的代表化合物 替拉扎明的活化途径700 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695702 图 15 1, 2, 4-三嗪类二氧化物的结构式 图 16 喹喔啉-1, 4-二氧化物的结构式 明和其母体化合物高 3 倍, 但它没有改善母体化合物 的水溶性。3-烷氨基衍生物 (4 (图 16 表现出高的 体外活性, 但在体内实验中因半衰期太短没有得到 理想的治疗效果。 Urquiola 等 17 中表现出比母体化合物优越的细胞毒活性及低氧选 择性, 且增加了化合物在

20、溶液中的稳定性和水溶性。 但目前这一类络合物在体内的作用机制还不清楚, 有待进一步研究。 3 过渡金属络合物的研究进展 利用过渡金属氧化还原的性质如 Co3+和 Co2+在 动力学反应速度上的差别设计合成了新型生物还原 剂。配体与高价过渡金属得到的络合物相对稳定, 但 在体内还原酶的作用下, 高价金属被还原成低价, 低 价金属络合物不稳定, 容易释放出一个活性配体。据 此, 人们设计出一类新型的低氧选择性抗肿瘤试剂 过渡金属络合物, 与金属络合的配体包括烷基化 试剂氮芥、DNA 结合试剂及细胞毒试剂。 Ware 等 19, 20 根据以上作用原理设计合成了系 列钴的氮芥络合物Co(Racac2

21、LClO4 (其中 Racac = 3-烷基戊烷-2, 4-二酮阴离子, R = Me, Et, Pr, H; L = BEE, BCE, DCE, DED, DCD、Co(Rtrop 2 LClO 4 设计合成了 3 个 TPZCN 的类似物 (图 16, L1, L2, L3, 这几个化合物在体外 V79 细胞都 表现出了很好的活性, 但由于其在体内半衰期很短 及水溶性差等原因, 没有进行进一步的临床研究。 为了提高生物利用度, 人们设计合成了一系列 TPZCN 与金属络合形成的化合物 (图 16, 如 Torre 等 18 将 2-氰基-3-氨基-喹喔啉-1, 4-二氧化物与铜络 合得到

22、 3 个化合物 (L4、L5 及 L6, 这些复合物在体 外 V79 细胞中表现出与母体化合物相当的细胞毒活 性及低氧选择性, 且增加了化合物在溶液中的稳定 Urquiola 等17将 TPZCN、 性, 但并没有改善其水溶性。 L1、 和 L3 分别与金属钯络合得到 4 种新颖的化合 L2 物 L7、L8、L9 和 L10, 这些复合物在体外 V79 细胞 刘井宝等: 以肿瘤低氧为靶点的生物还原剂的研究进展 701 图 17 过渡金属络合物类生物还原剂的结构式 图 18 氮芥铜络合物的作用机制 (其中 R = H, Br; L = BEE, BCE, DEE, DCE 和 Co(Racac2

23、LP (其中 R = Me, Et, Pr, H; L = BCA, BPE, BCE; P = I, Cl, ClO4, 其中Co(Meacac2DCEClO4 和 Co(Racac2LP 对低氧肿瘤细胞有很好的杀伤作用。 此外, Ahn 等 20 氧化物后新的发展方向。尽管生物还原剂的研究已 取得了很大的进展, 但在药物实际开发过程中仍有 许多问题有待解决, 如醌类化合物有心脏毒性, 需慎 重选用; 氮氧化物中替拉扎明在使用过程中因其在 组织中的转运能力弱, 影响了药效; Co3+与 Co2+的电 化学可逆性还没有解决, 还处于探索阶段。相信在 不久的将来, 研究中遇到的各种问题终将会被克

24、服, 低氧选择性药物在肿瘤的治疗中会有很好的应用前 景。 还研究了钴与烷基化试剂 8-羟基 喹啉类化合物 azaCBI 络合得到化合物 Co(III (cyclen (azaCB (图 17, 该化合物在 HT29 细胞中可选择性 地还原释放出 azaCBI 而杀死肿瘤细胞。 Parker 等 21 利用前药原理设计合成了 3 个氮芥 类与铜形成的络合物 5、6、7 (图 17, 体外活性试验 表明, 化合物 6 具有很强的抑制肺癌细胞 A549 的作 用, 5 和 7 的活性较弱。作用机制见图 18。 4 结论 作用于肿瘤细胞低氧区的选择性药物的研发为 肿瘤的治疗开辟了新的研究领域。醌类化合

25、物经还 原可生成半醌和氢醌自由基阴离子, 这些阴离子可 使 DNA 氧化断裂, 杀死肿瘤细胞; 氮氧化物和金属 络合物是新型的低氧选择性抗肿瘤化合物, 尤其是 前者因具有好的治疗效果成为化学工作者们的新宠, 代表化合物替拉扎明与其他放疗化疗试剂联合使用 已进入临床 II/III 期; 金属络合物尤其是钴络合物在 动物体内实验中表现出较好的抗肿瘤活性, 是继氮 4 3 2 References 1 Supuran CT. Carbonic anhydrases: novel therapeutic applicaNat Rev Drug Discov, tions for inhibitors

26、and activators J. 2008, 7: 168181. Danson S, Ward TH, Butler J, et al. for new anticancer drugs J. 437449. Atkinson SJ, Loadman PM, Sutton C, et al. Examination of DT-diaphorase: a target Cancer Treat Rev, 2004, 30: the distribution of the bioreductive drug AQ4N and its active metabolite AQ4 in soli

27、d tumours by imaging matrix-assisted laser desorption/ionisation massspectrometry J. Commun Mass Spectr, 2007, 21: 12711276. Fang H, Yang B, He QJ. The study of drug resistance Rapid 702 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (7: 695702 mechanism and cancer therapies targeted hypoxia J. Pharm J (中国

28、药学杂志, 2005, 40: 12081212. 5 Wolkenberg SE, Boger DL. Chin 13 Jaffar M, Williams KJ, Stratford IJ. Bioreductive and gene Adv Drug Deliv therapy approaches to hypoxic diseases J. Rev, 2001, 53: 217228. 14 Kotandeniya D, Ganley B, Gates KS. Mechanisms of in situ activation Chem Rev, 2002, for DNA-targe

29、ting antitumor agents J. 102: 24772496. 6 Haffty BG, Wilson LD, Son YH, et al. Oxidative DNA base damage by the antitumor agent 3-amino-1, 2, 4-benzotriazine Concurrent chemo1, 4-dioxide (Tirapazamine J. 2002, 12: 23252329. 15 Hay MP, Denny WA. New and versatile syntheses of 3-alkylBioorg Med Chem L

30、ett, radiotherapy with mitomycin C compared with porfiromycin in squamous cell cancer of the head and neck: final results of a randomized clinical trial J. 2005, 61: 119128. 7 Gellis A, Kovacic H, Boufatah N, et al. Synthesis and cytoInt J Radiat Oncol Biol Phys, and 3-aryl-1, 2, 4-benzotriazine 1,

31、4-dioxides: preparation of the bioreductive cytotoxins SR 4895 and SR 4941 J. Tetrahedron lett, 2002, 43: 95699571. 16 Chowdhury G, Kotandeniya D, Daniels JS, et al. Enzyme- toxicity evaluation of some benzimidazole-4, 7-diones as bioreductive anticancer agents J. 18581864. 8 Lynch M, Hehir S, Kavan

32、agh P, et al. Synthesis by radical Eur J Med Chem, 2008, 43: activated, hypoxia-selective DNA damage by 3-amino-2quinoxalinecarbonitrile 1, 4-di-N-oxide J. Chem Res Toxicol, 2004, 17: 13991405. 17 Urquiola C, Vieites M, Torre MH, et al. Cytotoxic palladium cyclization and cytotoxicity of highly pote

33、nt bioreductive alicyclic ring fused 1, 2-a benzimidazole-quinones J. Chem Eur J, 2007, 13: 32183226. 9 Hasinoff BB, Begleiter A. The reductive activation of the complexes of bioreductive quinoxaline N1, N4-dioxide prodrugs J. Bioorg Med Chem, 2009, 17: 16231629. Novel Cu (II 18 Torre MH, Gambino D, Araujo J, et al. antitumor drug RH1 to its semiquinone free radical by NADPH cytochrome P450 reductase and by HCT116 human colon cancer cells J. Free Radic Res, 2006