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槐定碱及苦参碱衍生物的靶向设计、合成及抗肿瘤活性研究

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  • 【题名】:槐定碱及苦参碱衍生物的靶向设计、合成及抗肿瘤活性研究
  • 【年度】:2019
  • 【作者】:许亦明
  • 【关键词】:TopoⅠ抑制剂  HSP90抑制剂  槐定碱  苦参碱  抗肿瘤活性  作用机制
  • 【摘要】:癌症是世界难题,严重影响人类健康与寿命。目前,放疗、化疗及手术治疗是癌症的主要治疗手段,其过程带给病人极大的痛苦和严重的毒副作用。中药治疗具有其独特的优势已越来越受到人们的关注。苦参作为一味传统中药,其成分槐定碱和苦参碱是作为差向异构的两类生物碱,两者结构简单,毒副作用小,具有广谱的生物活性,例如:抗肿瘤、抗病毒、抗炎、镇痛、杀虫等优点。但其缺点是活性不强。因此,以槐定碱和苦参碱为骨架进行设计、修饰,寻找高活性、低毒性的抗癌新药具有重要的意义。槐定碱的靶向蛋白为DNA拓扑异构酶I(Topoisomerase I,Top I)。Top I在细胞内DNA复制、转录、修复等过程中负责维持DNA拓扑学结构特征的一种重要核酶,它是通过切断DNA的一条链形成可切割复合物来完成DNA超螺旋的松弛与再连接。在肿瘤细胞中Top I具有高表达的特性,其含量和活性远高于正常体细胞,因此干扰Top I的催化活性或者诱导产生Top I介导的DNA损伤已成为抗肿瘤治疗的重要策略。以Top为靶标进行抗肿瘤药物设计是目前药物研究领域的热点之一,临床上有近50%的治疗方法要依赖于使用一种或几种Top抑制剂。本论文一方面基于槐定碱及其他抑制剂与Top I的不同分子作用机制为研究手段,进行新型槐定碱类Top I抑制剂发现、优化设计和抗肿瘤机制研究。一、14-位槐定碱衍生物一具有新型作用机制Top I抑制剂的发现通过在槐定碱骨架14位上引入双键进行α,β-不饱和酮的构建,以期望得到查尔酮结构,从而发挥抗肿瘤协同作用。在该策略下,设计合成了 17个目标化合物,体外抗肿瘤活性测试结果表明,2e和2k较槐定碱表现出优良的抗肿瘤活性,其分子对接结果表明槐定碱母体主要与Top I氨基酸残基发生氢键或疏水作用,而其引入的叔丁基苯环和3-甲基噻吩共轭杂环结构能插入DNA,与碱基对形成π-π堆积作用,从而增加其抗肿瘤活性。该重要发现为进一步设计优化槐定碱衍生物提供了分子作用方式研究依据。二、槐定碱并喹啉类TopI抑制剂喜树碱是研究最为广泛的一类Top I抑制剂,X射线晶体数据表明,其作用方式是骨架结构插入DNA使其平面结构部分与碱基对形成π-π堆积力。同时鉴于14-位槐定碱衍生物具有新型作用机制,我们将槐定碱与喜树碱进行结构杂交,使其π-π堆积力最大化。基于该策略,设计合成了 18个化合物,其中3h、31和10b具有优良的抗肿瘤活性,同时10b能够抑制Top Ⅰ活性,诱导凋亡使细胞停滞在S期。分子对接结果表明这些化合物存在与喜树碱类似的分子作用机制,揭示设计策略的可行性,为寻找抗肿瘤候选药物奠定基础。三、吲哚类槐定碱TopⅠ抑制剂通过对比喜树碱类、吲哚咔唑类及茚并异喹啉类等抑制剂及其分子作用机制,吲哚因其共性的平面分子被引入槐定碱,设计合成了30个目标化合物,通过平面上取代基的改变对其活性及其堆积力进行构效关系讨论。研究发现,14个化合物(4a、6c、6e、6h-6p、10a和10b)具有强效的体外抗肿瘤活性,同时其中5个化合物(6e、6i、6m、10a和10b)具有Top Ⅰ抑制活性。构效关系分析结果表明取代基通过改变吲哚电子云密度使其与碱基对产生不同的π-π堆积力是其产生活性差异性的原因,进一步确定了引入共轭平面结构的重要性。10b对三个肿瘤细胞株具有最好的TopI抑制活性,它使细胞生长停滞在S期。体内抗肿瘤实验表明10b能够有效的抑制肿瘤生长,毒副作用低,预计可作为抗肿瘤候选药物。我们构建了235个小分子数据库,进行与靶标Top Ⅰ-DNA对接研究,得到6个(SZ21,SZ25,BL25,SZ20,SZ13和BL24)较好的配体,以便进一步设计发展槐定碱类Top I抑制剂。本论文另一方面内容是发现、设计以及筛选以苦参碱为母体的抗肿瘤衍生物,苦参碱作用靶标的不明确性为结构修饰带来了困难,分析结构发现其独特的L形骨架类比于根赤壳菌素,启示我们基于根赤壳菌素的结构特点及其与作用机制将苦参碱设计成HSP90抑制剂。HSP90作为分子伴侣,协助多种客户蛋白正确折叠构象成熟与激活,参与细胞的生长、增殖、凋亡。其客户蛋白350多种,与肿瘤发生相关的客户蛋白48种,以HSP90作为工具靶标可以避免耐药性,其活性口袋深而广,有助于配体结合。基于此,设计合成了得到18个苦参碱衍生物,其中8个化合物(21e、22a-g)有优良的体外抗肿瘤效果。Thermal Shift Assay(TSA)实验表明这些化合物与HSP90有良好的结合力,首次证明了苦参碱衍生物的靶点为HSP90,其抗肿瘤活性与其靶向性强弱相关。其中22g被作为代表性化合物进行机制研究,结果表明该化合物能够降低细胞内HSP90表达水平,诱导细胞凋亡,阻滞细胞生长在S期。后续进行了苦参碱吡唑、异嗯唑类5个衍生物的合成。这些工作为基于HSP90靶向设计的苦参碱的结构修饰、寻找抗肿瘤获选药物提供了理论依据。综上所述,本论文以Top I及HSP90为作用靶点,结合其具有代表性抑制剂的作用机制,分别对槐定碱和苦参碱进行结构改造,合成了具有新型作用机制的槐定碱衍生物65个;同时基于HSP90为靶点首次合成了 23个苦参碱衍生物。从中发现了多个高活性化合物并在分子、细胞和动物水平显示了优秀的抗肿瘤活性。对代表性化合物进行了深入地作用机制探讨,并获得了高效、低毒和广谱的槐定碱和苦参碱类抗肿瘤新化学实体,为开发具有自主知识产权的抗肿瘤原创药物奠定了基础。
  • 【分类号】:TQ461
  • 【学位名称】:博士
  • 【导师名称】:王立升
  • 【学位授予单位】:广西大学
  • 【学位年度】:2019
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