选择性靶向拓扑异构酶IIa的ATPase位点抑制剂：新型曼宋酮类化合物设计、合成和机制研究

The disadvantage of traditional topoisomerase(Top)II inhibitors is to increase the gene mutation and activate DNA repair system while inducing DNA cleavage and cell apoptosis, which can produce remarkable drug resistance and genotoxicity. In the mean time, these inhibitors have little selectivity between Top IIa and Top IIb. The ATPase site of Top IIa is suitable to be a novel crucial anti-tumor target, because targeting on this site can overcome above disadvantage.In our previous works, we found that the Mansonone F compounds have 30-40 times activity of etoposide on Top IIa inhibition. Our further study has shown that the compounds can neither induce DNA cleavage, nor intercalate DNA or interact with catalysis site of Top IIa. Through ATP competition assay and SPR assay, it has been confirmed that the mansonone F analogues are a class of novel anti-tumor lead compounds targeting ATPase of Top IIa. Based on our previous work, we plan to carry out rational drug design and structure optimization of the lead compounds, followed by setting up a serial screening and evaluation systems for further mechanistic study. This research will shed light on further development of promising anti-tumor drugs targeting the ATPase site of Top IIa.

传统的拓扑异构酶(Top)II抑制剂的缺点是在诱导双链DNA损伤和细胞凋亡的同时，增加染色体突变的机会并激活体内DNA修复系统，从而产生明显的耐药性和基因毒性。同时对Top IIa和TopIIb的选择性不大。靶向TopIIa的ATPase位点因无上述缺点，被认为是重要的抗肿瘤新靶标。在前期研究中发现：曼宋酮类化合物对TopII的抑制活性比依托泊苷大30-40倍并具有较好的TopIIa选择性。进一步的研究显示，该类化合物既不能诱导形成断裂DNA，无DNA嵌入作用，也不能与酶的催化活性中心识别结合。通过ATP竞争实验及表面等离子共振等技术，证实该类化合物是一靶向TopIIa的 ATPase位点的新型抗肿瘤先导物。在此基础上，对该先导物进行合理的设计和结构优化，建立系列筛选和评价体系，阐明其作用机制，为发展靶向TopIIa ATPase位点的新型抗肿瘤药物提供理论和实验依据。

对于曼宋酮F衍生物，首次创新性的采用C-H活化技术，一步反应构建了关键的三环骈合中间体，成功的将原来合成路线由10步反应缩短为4步，收率由原来不到10%大幅提高至52%，更适于工业化生产。采用该法可以很方便的在母环的2，3，4，5，7，8，9位引入取代基，丰富曼宋酮衍生物结构的多样性，而且该工艺很容易放大至公斤级的制备，为后续的深入测试提供充足的原料。. 设计合成了曼宋酮E或F类衍生物12个系列共116个新化合物，并对它们进行了酶学，细胞水平的活性筛选以及作用机制研究，并优选出候选药物Msn-5a-4，该化合物对多株不同肿瘤细胞MTT的IC50在0.6-3.39µM间，显示了良好的广谱抗肿瘤活性。我们首次发现了该类化合物的作用靶点是Top II，对Top II 的抑制活性比依托泊苷大30-40 倍。进一步的机制研究显示，该类化合物与传统的Top II抑制剂的作用机制不同，属于ATP催化型竞争抑制剂，这种独特的作用机制更不易产生耐药性，具有更低的毒性和副作用。初步的动物实验也证实我们的化合物Msn-5d-4具有体内抗肿瘤活性，5mg/kg对人源A549肺癌裸小鼠皮下移植瘤模型的抑制率达到72.2%，口服生物利用度F=45.9%。初步成药性数据支持我们推动化合物进入临床前研究。. 另外，我们还扩展了研究范围，对三个不同系列的化合物进行了筛选和机制研究，发现（1）芳乙烯基喹啉类化合物是一类非嵌入性Top II催化型抑制剂，优选出先导化合物QEC-29，并对它进行深入的机制和成药性研究；（2）新型苯并吩嗪类是一类新型的Top I 毒剂、Top II催化型双重抑制剂；（3）取代吡嗪并吡咯类化合物是一类新型的非嵌入性Top II催化型抑制剂。这些研究为进一步发现新型抗肿瘤药物打下了良好的基础，这两个候选药物正往临床前研究推进。