许晓辉，许莉莉，张生萍，朱爱丽，曹恩君（甘肃省兰州市食品药品检验所，甘肃兰州70000；甘肃省平凉市药品检验检测中心，甘肃平凉744000；甘肃省庆阳市药品检验检测中心，甘肃庆阳745000）

·药学与转化医学·

以作用机理模式模型设计新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物

许晓辉1，许莉莉2，张生萍1，朱爱丽2，曹恩君3
（1甘肃省兰州市食品药品检验所，甘肃兰州730000；2甘肃省平凉市药品检验检测中心，甘肃平凉744000；3甘肃省庆阳市药品检验检测中心，甘肃庆阳745000）

鬼臼毒素具有显著的抗肿瘤活性，研究者对其抗肿瘤机制进行了大量的研究，为寻找高效低毒的鬼臼毒素类抗肿瘤药物提供了依据．本研究讨论了鬼臼毒素作用机理的几种模式模型，提出了以作用机理模式模型设计新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物的思路．

模式模型；鬼臼毒素；抗肿瘤

0　引言

鬼臼毒素（podophyllotoxin，PPT，图1A）及其衍生物是具有显著生理活性的木脂素类化合物，主要存在于小檗科（Berberidaeeae）的八角莲属（Dysosma Woodson）、山荷叶属（Diphylleia）、桃儿七属（Sinopo⁃dophyllum Ying）及柏科（Cupressaceae）、大麻科（Linaceae）等植物中．在我国，含鬼臼毒素的植物资源主要分布于青海、甘肃、西藏、四川、台湾等地［1－4］．鬼臼毒素具有明显的抗肿瘤活性以及导泻、抗风湿和抗病毒活性。目前，临床上使用的鬼臼毒素类抗肿瘤药物有依托泊苷 （VP⁃16，图1B）和替尼泊苷 （VM⁃26，图1C），主要用于包括小细胞肺癌、睾丸癌、淋巴瘤和卡波济氏肉瘤等的治疗，它们是以鬼臼毒素为先导化合物衍生出的糖苷缩醛类抗癌药物．然而在临床使用中，发现这两种药物的水溶性差，且易产生耐药性，限制了在临床上的广泛应用．为了使鬼臼毒素类抗肿瘤药物研究更加清晰深入，本研究提出了以作用机理模式模型设计新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物，以期为进一步研究鬼臼毒素类抗肿瘤药物提供参考．

图1　鬼臼毒素（PPT）、依托泊苷（VP⁃16）、替尼泊苷（VM⁃26）的结构

1　鬼臼毒素类抗肿瘤药物的作用机理模式模型

鬼臼毒素具有显著的抗肿瘤活性，目前对其抗肿瘤机制的研究取得了一些重要成果，主要有以下几种作用机理模式模型．

1．1鬼臼毒素类抗肿瘤药物抑制微管聚合作用模式

鬼臼毒素及其衍生物与细胞微管蛋白能够特异性结合，阻滞微管聚合，进而使染色体在复制以后不能分离，导致细胞有丝分裂停止在G2／M期，最终引起细胞凋亡．鬼臼毒素及其衍生物与微管蛋白的结合是一个单一的双分子过程，而且不能用直接的方法区别复合物和无配体的微管蛋白．此外，鬼臼毒素及其衍生物还能抑制细胞对腺嘌呤A、尿嘧啶U、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T等核苷酸的摄取，进而阻断细胞DNA、RNA以及蛋白质的合成．

1．2鬼臼毒素类抗肿瘤药物对DNA拓扑异构酶II具有抑制活性的药效团模型研究发现，当依托泊苷与细胞核混合时，能引起DNA的解旋、断裂，但依托泊苷和纯的DNA混合在一起时，并不会引起DNA的解旋、断裂，表明依托泊苷作用于细胞核中的某一种物质并引起了DNA的变化，研究证明促使DNA变化的是细胞核中的拓扑异构酶II（TOP⁃II）［5］．鬼臼毒素及其衍生物能够与DNA拓扑异构酶II（DNA TOP II）形成“DNA TOP II⁃Drug”的复合物，干扰DNA TOP II介导的DNA再连接反应，从而导致DNA双链的断裂，阻断DNA复制．根据药物与DNA的结合方式，DNA TOP II可分为DNA嵌入剂和DNA非嵌入剂．MacDonald等［6］通过分子模拟研究对DNA TOP II抑制剂的嵌入式和非嵌入式提出了一种通用的模型．该模型指出鬼臼毒素及其衍生物必须具备三个药效团结构才能够发挥良好的DNA拓扑异构酶II抑制活性：具有DNA的插入部分；具有能够与DNA最小凹槽键合点作用部分；具有能够容纳不同结构的取代基的分子区域，其模型见图2．

图2　鬼臼毒素及其衍生物对DNA拓扑异构酶II具有抑制活性的药效团模型

1．3鬼臼毒素类抗肿瘤药物的自由基作用模式在生物体内，依托泊苷（VP⁃16）存在一种邻苯醌自由基作用模式［7］．该邻苯醌自由基作用机制是依托泊苷E环酚羟基通过生物氧化反应生成一种半醌酮式的自由基中间体，通过这种自由基中间体进一步发挥作用．随着研究的深入，大量的研究结果也支持此观点，认为鬼臼毒素及其衍生物与体内代谢物中的二甲氧基苯酚环（E环）以及DNA形成化学配合物致使DNA失活而达到抗肿瘤作用．其作用模式见图3．

图3　VP⁃16的邻苯醌自由基作用模式的示意图

1．4鬼臼毒素类抗肿瘤药物的构效关系模型鬼臼毒素先导化合物在化学结构上共有五个环，DNA分子嵌入的重要功能区是其A、B、C、D四个环形成平面刚性结构，研究者在尽可能保持鬼臼毒素先导化合物平面刚性结构的前提下，对鬼臼毒素先导化合物结构进行了大量的化学修饰工作，以期寻找高效低毒的化合物．通过对鬼臼毒素及其上百个鬼臼毒素衍生物进行SAR、QSAR以及三维QSA构效关系研究，结果表明，鬼臼毒素及其衍生物若要保持良好的抗肿瘤活性必须具备以下结构：①鬼臼毒素C⁃4位取代基保持4β构型；②鬼臼毒素C⁃4’位保持游离的酚羟基；③存在反式的内酯环结构；④存在鬼臼毒素A环中的二氧亚甲基；⑤要有可以自由旋转的E环．其结构的A、B、C、D和E环的分子骨架药效结构见图4［8］．

图4　鬼臼毒素及衍生物构效关系模型

2　以作用模式模型设计新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物

2．1以对DNA拓扑异构酶II具有抑制活性的药效团模型设计目标化合物鬼臼毒素及其衍生物的抗肿瘤机制主要是抑制拓扑异构酶II的活性，而拓扑异构酶II是鬼臼毒素及其衍生物作用的靶点，以嵌入式和非嵌入式的拓扑异构酶II抑制剂的通用模型为依据，设计利于与标靶三维空间结构结合的目标化合物，是寻找新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物的关键．该模型要求目标化合物必须具备三个结构特征：具备能与DNA最小凹槽键合点作用部分，具备DNA插入部分，具备能够容纳不同结构的取代基的分子区域，主要是在C⁃4位和C⁃4’位进行一定的结构修饰，结构修饰所选择的链接基、小分子化合物、药效团等要以使目标化合物有效与拓扑异构酶II结合，并相互作用．

2．2以构效关系模型为依据设计目标化合物要得到抗肿瘤活性效果良好的目标化合物，鬼臼毒素母体的结构最好拥有以下部分：鬼臼毒素母体上的D环保持反式结构，4⁃位为β⁃构型，可自由旋转的E环等．在尽可能保持鬼臼毒素的平面刚性结构的前提下，对鬼臼毒素母体A、C、D、E环的位置进行结构修饰，主要修饰点是C环的C⁃4位和E环的C⁃4’位．鬼臼毒素C⁃4位的修饰主要通过在C⁃4位的羟基以酯或者酰胺键连接其他小分子化合物，或者对C⁃4位的基团进行电子等排体取代和在C⁃4位进行胺基化形成杂环并连接其他小分子化合物进行修饰，也有研究者在鬼臼毒素C⁃4偶联其他抗肿瘤药物形成拼合物，目前已经合成的拼合物有与偏端霉素的拼合物、与紫杉醇的拼合物、与喜树碱的拼合物、与秋水仙碱的拼合物、与嘧啶的拼合物、与聚合物的拼合物、与长春瑞滨的拼合物、与非甾体类消炎药的拼合物等［9－18］．研究者也对鬼臼毒素母体的C⁃4’位进行了大量的修饰工作，在C⁃4’位进行修饰要利于酚羟基能够在体内游离暴露出来，最终氧化生成邻醌类衍生物，增强抗肿瘤活性．因此在C⁃4’进行修饰时，通常采用在C⁃4’位形成容易断裂的酯键、酰胺键．

2．3以自由基作用模式设计目标化合物以鬼臼毒素及其衍生物的自由基作用模型设计目标化合物要趋于在体内产生一种半醌酮式的自由基中间体．这种半醌酮式的自由基中间体是由鬼臼毒素及其衍生物E环的酚羟基通过生物氧化反应得到的，因此设计的目标化合物要保留母体化合物中E环的酚羟基或者能够在体内进行作用暴露出E环中的酚基．

2．4以适宜脂水分配系数模式设计目标化合物

Log P是衡量化合物疏水性的重要参数，也是预测化合物生物活性的参数之一．大量化合物的构效关系研究表明，药物具有适宜的Log P能够使该药物在生物体内达到溶解度和脂溶性之间的平衡，有较好的吸收性和渗透性，有利于药物发挥药效．设计具有适宜脂水分配系数的目标化合物，有利于药物在体内吸收和利用，提高药物的生物利用度．应用脂水分配系数计算软件ChemBioOffice模拟预测设计的目标化合物的Log P，设计具有适宜吸收和利用的脂水分配系数的目标化合物，再通过测定该目标化合物的Log P以及体内生物活性试验验证它们之间存在的关系．

3　结语

随着对鬼臼毒素及其衍生物的抗肿瘤作用机理模式模型的不断深入研究，依托鬼臼毒素及其衍生物作用机理模式模型，同时借助计算机辅助药物设计，设计与鬼臼毒素及其衍生物作用机理相趋近的目标化合物，并以适宜的药理实验相佐证，筛选出新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物，为寻找新型鬼臼毒素类抗肿瘤药物奠定了基础．

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R914．5

A

2095⁃6894（2015）08⁃107⁃03

2015－05－22；接受日期：2015－06－16

许晓辉．硕士．研究方向：药品检验检测．E⁃mail：aiwosuozuo ＠163．com