1、 藥物化學(xué)專論論文基于HDAC 的雙靶點抗腫瘤藥物研究進展姓名 劉 相 來 專業(yè) 藥物化學(xué) 年級 2016 級學(xué)號 201622267導(dǎo)師 胡 春 沈陽藥科大學(xué)制藥工程學(xué)院 2017年1月基于HDAC 的雙靶點抗腫瘤藥物研究進展摘要：腫瘤的發(fā)生和發(fā)展涉及多個信號傳導(dǎo)通路。研究表明，多靶點抗癌藥物可提高單靶點抗癌藥物的治療效果，并降低耐藥性，是抗癌藥物研發(fā)的重要研究方向。目前，多靶點抗癌藥物的設(shè)計是其研發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一。組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)，其抑制劑可以降低腫瘤細胞凋亡的閾值，具有廣泛的抗腫瘤活性，并且可與多種抗腫瘤藥物聯(lián)合

2、使用發(fā)揮協(xié)同作用。本文主要對基于HDAC 抑制劑的雙靶點抗癌藥物的設(shè)計思路和生物活性進行綜述。關(guān)鍵詞: HDAC抑制劑; 組蛋白去乙酰化酶; 雙靶點藥物;抗癌藥物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 int

3、erfering 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) exp

4、ressions 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

5、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前言腫瘤是一類由遺傳和/ 或表觀遺傳的改變而引起的復(fù)雜疾病。腫瘤的發(fā)生和發(fā)展依賴于多種受體或信號傳導(dǎo)通路，這使得僅作用于某一個靶點的抗腫瘤藥物面臨以下問題：1）不能完全殺滅腫瘤細胞；2）易產(chǎn)生耐藥性1。目前，多種藥物聯(lián)合應(yīng)用雖然在一定

6、程度上解決了以上問題，但是多藥聯(lián)合應(yīng)用容易產(chǎn)生藥物- 藥物之間的相互作用，不良反應(yīng)難以預(yù)測，而且藥物亦不能按照單獨應(yīng)用時的劑量來聯(lián)用。與聯(lián)合用藥相比，多靶點藥物可避免藥物- 藥物之間的相互作用，同時療效也較單靶點藥物明顯提高。 多靶點組的選擇及先導(dǎo)化合物的設(shè)計是多靶點藥物發(fā)現(xiàn)的重要挑戰(zhàn)。目前，多靶點藥物的設(shè)計方法包含以下兩種：1）因受體活性位點的結(jié)構(gòu)相似，從而設(shè)計一個結(jié)構(gòu)單元使其能夠同時作用于這些受體，如多靶點激酶抑制劑；2）藥效團拼接法，將兩種或兩種以上作用于不同通路的藥物藥效團拼合成一個化合物，使該化合物能對不同通路都起作用。基于多靶點進行的藥物研究開發(fā)，已經(jīng)取得了令人鼓舞的研究結(jié)果2。

7、組蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylases，HDACs）與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)，通過催化組蛋白N- 端賴氨酸殘基的去乙酰化進而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)重組（Chromatin remodeling）3-5。此外HDACs 也可以催化非組蛋白去乙酰化，如p21、微管蛋白、HSP90（Heat shock protein 90）等。抑制HDACs 可以誘導(dǎo)腫瘤細胞周期停滯、分化及凋亡。因此，HDAC 抑制劑作為抗腫瘤藥已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點。FDA 目前已經(jīng)批準(zhǔn)了vorinostat( SAHA，圖1) 和romidepsin( FK-228，圖1) 用于治療皮膚T 淋巴細胞瘤。隨后相

8、繼有環(huán)肽類( 如具有環(huán)氧酮基結(jié)構(gòu)trapoxinB，圖1) 、短鏈脂肪族類( 如valproic，圖1) 、苯甲酰胺類( 如MS-275，圖1) 等結(jié)構(gòu)的抑制劑被發(fā)現(xiàn)。1999 年，F(xiàn)innin6首次報道了HDLP（Histonedeacetylase like protein）與SAHA 的共結(jié)晶結(jié)構(gòu)，為HDAC 抑制劑的合理設(shè)計建立了基礎(chǔ)。研究顯示，HDAC 抑制劑的結(jié)構(gòu)特征（見圖1）如下：1）含有一個鋅離子結(jié)合基（Zinc-binding group, ZBG），用于與HDAC 口袋底部的鋅離子螯合；2）含有一個表面識別基團，稱為帽狀部分（CAP）；3）連接ZBG 和CAP 的疏水性連接

9、鏈。根據(jù)ZBG 的類型，目前已報道的HDAC 抑制劑包括異羥肟酸類（如SAHA）、苯甲酰胺類（如MS-275）、短鏈脂肪酸類（如正丁酸）以及環(huán)肽類（如FK-228）。HDAC 抑制劑具有廣泛的抗腫瘤活性，它可降低腫瘤細胞凋亡的閾值7-9，從而可與多種抗腫瘤藥聯(lián)合使用發(fā)揮協(xié)同作用。本文通過對最近幾年HDAC 的雙靶點抑制劑的綜述，提供這一類新藥的最新進展。 Figure 1 The structures of HDAC inhibitors in research1 HDAC-微管雙靶點抑制劑 微管作為重要的細胞骨架，被認為是腫瘤化療的一個有效靶點。研究表明，秋水仙堿具有抑制微管聚合的作用。把秋

10、水仙堿和HDAC 抑制劑聯(lián)合使用時，兩者具有協(xié)同作用10-11。因此，Zhang 等12通過在秋水仙堿分子中引入SAHA的尾部基團作為HDAC 抑制劑的鋅離子結(jié)合區(qū)( zinc-binding group，ZBG) ，合成了一系列新穎的化合物( 1，圖2) 。通過檢測這些化合物在體外對HDAC 酶的抑制活性，并觀察這些化合物對BEL-7401 肝癌細胞周期的變化，分別研究了它們對HDAC 和微管聚合的抑制活性。實驗結(jié)果表明，這些化合物都表現(xiàn)出對HDAC 有溫和的抑制作用，1c 表現(xiàn)出最好的抑制HDAC1 ( IC50 =0. 72 mol·L1 ) 、HDAC2( IC50 = 0.

11、 83 mol·L1 ) 、HDAC6( IC50 = 0. 44 mol·L1 ) 活性。這提示可以用秋水仙堿替代SAHA 的帽子結(jié)構(gòu)。同時，這些化合物對BEL-7401 細胞周期的G2 /M 期有明顯延長作用，表明此類化合物也有抑制微管聚合的作用。在MTT 實驗中發(fā)現(xiàn)這類化合物對人表皮A431 細胞、人肺腺癌A549 細胞、結(jié)腸癌HCT-116 細胞、乳腺癌MCF-7 細胞、前列腺癌PC-3 細胞都有抑制活性，其中1a 的抑制腫瘤細胞增殖活性最好。Figure 2 The structures of HDAC-tubulin dual inhibitors2 IMPDH

12、-HDAC 雙靶點抑制劑 次黃嘌呤磷酸鹽脫氫酶( IMPDH) 抑制劑不僅可以誘發(fā)腫瘤細胞分化和凋亡，而且還可以抑制腫瘤誘導(dǎo)的血管再生13。麥考酚酸( MAP)是IMPDH 受體抑制劑，包含一個芳香基團部分和一個長鏈連接基團，但是缺少鋅離子結(jié)合基團( ZBG) 。因此，Chen 等14通過在MAP 中引入羥肟酸結(jié)構(gòu)合成了化合物2( 圖3) 。同樣，用IMPDH受體阻滯劑merimepodipye 的苯基口惡唑部分替代HDAC 的苯環(huán)基團，得到了化合物3 ( 圖3) Figure 3 The structures of IMPDH-HDAC dual inhibitors酶活性實驗結(jié)果表明，化合

13、物2 可以同時抑制IMPDH( Ki = 30 nmol·L1 ) 和HDAC( IC50 =5 mol·L1 ) 的活性。SAHA 的類似物3 同樣可以同時抑制IMPDH ( Ki = 1. 7 nmol·L1 ) 和DAC( IC50 =0. 06 mol·L1 ) 的活性。在抑制白血病K562 細胞的增殖實驗中，化合物2 和3 比現(xiàn)有上市藥物SAHA 和MAP 表現(xiàn)出更好的抑制腫瘤細胞增殖活性，化合物2 的IC50值為4. 8 mol·L1，3的IC50值為7. 7 mol·L115。Continued Figure 33 To

14、po-HDAC 雙靶點抑制劑 HDAC 抑制劑可以使組蛋白呈高乙酰化狀態(tài)，繼而讓DNA 更易呈染色質(zhì)形態(tài)存在于核小體中; 這樣可以增強拓撲異構(gòu)酶( Topo) 抑制劑的活性16。由此可見兩者聯(lián)合利用有一定的增效作用。N-芐基阿奇霉素( AD-288) 是一種高效低毒的Topo抑制劑。通過在N-芐基阿奇霉素的芐基對位引入HDAC抑制劑的藥效基團，合成了化合物4 和5( 圖4)。 利用從天然型HeLa 細胞核中提取的HDAC酶檢測以上化合物對HDAC 的酶抑制活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們都有抑制活性，有的活性甚至超過了陽性對照藥SAHA。化合物5 的n = 3 時，抑制HDAC1 /2( IC50 = 0.

15、 9 nmol·L1 ) 酶的活性是SAHA(IC50 = 65 nmol·L1 ) 的70 倍，可見三唑基團替代酰胺基團可以明顯提高對HDAC 酶的抑制作用17。 通過脫細胞DNA 分離試驗來檢測化合物4、5 的Topo 的抑制活性，當(dāng)化合物5 的n = 3 時具有較其他化合物更好的活性，說明N-芐基阿奇霉素需要連接一個合適的HDAC 基團才會有更好的活性。分子對接研究顯示，化合物5 在n = 1 和n =3 時，由于碳鏈的長度不同，致使兩者處于不同的口袋中。n = 3 具有合適的碳鏈長度，可以和HDAC 受體的Arg270 形成氫鍵并使羥肟酸達到ZBG 區(qū)，因此具有最佳

16、的活性18。Figure 4 The structures of Topo-HDAC dual inhibitors4 EGFR/HER2-HDAC 雙靶點抑制劑 通過把HDAC 抑制劑的藥效團和表皮生長因子受體( EGFR) 、原癌基因人表皮生長因子受體-2( HER-2) 抑制劑erlotinib( FDA 批準(zhǔn)的一種EGFR/HER2 受體抑制劑) 結(jié)合在同一個藥物分子中，合成了一系列具有EGFR/HER2-HDAC 雙靶點抑制活性的化合物。在多種腫瘤細胞的體外抗腫瘤活性篩選中，發(fā)現(xiàn)化合物6 ( 圖5) 比SAHA、erlotinib或SAHA/erlotinib 合用具有更強的抑制腫瘤

17、增殖活性。如對非小細胞肺癌HCC827 細胞系抑制活性分別為6: IC50 = 0. 6 mol·L 1、SAHA: IC50 =1. 8 mol·L 1、erlotinib: IC50 = 7. 5 mol·L 1、SAHA/erlotinib: IC50 =2. 3 mol·L 1。化合物6 的體外酶活性分別為HDAC: IC50 =4. 4 mol·L 1、EGFR: IC50 =2. 4 mol·L 1、HER-2: IC50 = 15. 7 mol·L 1。這一結(jié)果表明，6 作為一個單獨的化合物同時抑制了EGFR、

18、HER2、HDAC 三個靶點，在腫瘤治療中具有更好的活性，原因可能與同時涉及多條信號通路和協(xié)同作用有關(guān)19。Figure 5 The structures of EGFR/HER2-HDAC dual inhibitors5 HMGA-HDAC 雙靶點抑制劑 最近的研究表明，把抗腫瘤藥物和他汀類降脂藥聯(lián)合使用可以降低藥物不良反應(yīng)，增加抗腫瘤作用20-21。在體外實驗中，將HDAC 抑制劑和3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A 還原酶( HMGA)抑制劑聯(lián)合使用，觀察到兩者有誘導(dǎo)HeLa 細胞凋亡的協(xié)同作用。并且注意到SAHA 的脂鏈和lovastatin( 7，圖6) 的脂鏈重疊。 基于以上觀點，合

19、成了一系列HMGA-HDAC 雙靶點抑制劑15 18 ( 圖6) 。通過酶活性實驗發(fā)現(xiàn)，化合物9 12 同時具有抑制HMGA( IC50 = 16. 8，3. 1，12. 3，43. 1 nmol·L1 ) 和HDAC ( IC50 = 64. 8 600. 1 nmol·L1) 的活性。這些化合物可以有效地降低腫瘤細胞的HMGA 活性、提高組蛋白的乙酰化、增加微管蛋白含量，但是它們對正常細胞沒有細胞毒性22。 Figure 6 The structures of HMGA-HDAC dual inhibitors6 PI3K-HDAC 雙靶點抑制劑 磷脂酰肌醇3-激酶(

20、PI3K) 在腫瘤細胞的抑制、生長、繁殖和生存過程中起著重要作用。通常情況下，PI3K 在腫瘤細胞中處于活化狀態(tài)，通過抑制PI3K 活性可以達到抗腫瘤作用23-24。但是PI3K 抑制劑受到其他有關(guān)細胞生長信號通路作用的限制，抗腫瘤作用并不好25。通過HDAC抑制劑控制組蛋白和非組蛋白的乙酰化水平，聯(lián)合PI3K 抑制劑使用可以達到協(xié)同作用26。Qian等27設(shè)計合成了同時包含PI3K 和HDAC 抑制劑藥效團的化合物13( 圖7) 。體外酶活性實驗結(jié)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 mol·

21、;L 1 ) ; 同時對PI3K、PI3K 和PI3K抑制作用的IC50物13 通過活化ATK，可以有效地抑制腫瘤細胞的增長。它降低藥物耐藥性的機制可能是由于同時抑制PI3K 和HDAC 的活性，廣泛地調(diào)節(jié)其他信號通路的結(jié)果。值為19 、54 、39 nmol·L1。化合物13 通過活化ATK，可以有效地抑制腫瘤細胞的增長。它降低藥物耐藥性的機制可能是由于同時抑制PI3K 和HDAC 的活性，廣泛地調(diào)節(jié)其他信號通路的結(jié)果。Figure 7 The structures of PI3K-HDAC dual inhibitors7其他HDAC 雙靶點抑制劑 關(guān)于HDAC 雙靶點抑制劑的研

22、究還有很多，他們的設(shè)計思路均是將HDAC 抑制劑和其他靶點抑制劑的藥效團結(jié)合到一個新分子中。例如化合物14 16 ( 圖8) 具有抑制EGFR( IC50 = 0. 90、1. 56、5. 16 mol·L 1 ) 和HDACs ( IC50 = 1. 21、1. 09、0. 56 mol·L1 ) 雙重活性28; Topo-HDAC 雙靶點抑制劑17( 圖8) 對HDAC 1 /6 /8 的IC50值分別為37,81,1046 nmol·L129; c-Src 激酶-HDAC 雙靶點抑制劑18( 圖8) 的c-Src 激酶Ki值為138 nmol·L1

23、，HDAC1 的Ki值為0. 26 nmol·L 130。Fischer 等31把Vitamin D 受體激動劑和HDAC 抑制劑的藥效團結(jié)合在一起，合成了化合物19 21( 圖8) ，同樣取得了不錯的抗腫瘤效果。Figure 8 The structures of other dual inhibitors總結(jié) 由于腫瘤的發(fā)生發(fā)展與多種因素有關(guān)，未來的化療藥物不僅需要可以作用于多個靶點，而且要求保持原有的抗腫瘤活性和較低的毒副作用。多靶點藥物具有兩大優(yōu)勢。首先，多靶點藥物較聯(lián)合用藥具有更為簡單的藥動學(xué)特性; 其次，多靶點藥物通過多重抗腫瘤機制，可以克服單靶點藥物治療帶來的藥物耐受性

24、。最近的研究表明，HDAC 抑制劑和很多抗腫瘤藥物聯(lián)用可以達到協(xié)同作用。由于HDAC 抑制劑頭部是一個疏水基團，因此利用其他抗腫瘤藥物的疏水性藥效團替代HDAC 抑制劑的頭部基團，即可以產(chǎn)生一個雙靶點抗腫瘤藥物。 文中介紹的HDAC 雙靶點抑制劑的體外活性實驗結(jié)果表明，這些HDAC 雙靶點抑制劑都比現(xiàn)有的單靶點藥物或聯(lián)合用藥具有更好的活性。但是，目前的這些雙靶點藥物的活性研究僅限于體外實驗。如果要把這些雙靶點藥物應(yīng)用到臨床，則需要一個更好的體內(nèi)模型來證明這些雙靶點藥物更加安全有效。在未來的研究中，隨著更多的腫瘤細胞信號通路的詮釋，將會有更多的多靶點抗腫瘤藥物被開發(fā)。參考文獻:1 Petrell

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