片螺素中期报告.docx
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片螺素中期报告
题目:
基于天然产物片螺素的抗肿瘤药物中期报告
学生姓名:
李铮
指导老师:
向皞月
学院:
化学化工学院
专业班级:
制药工程1201
目录
1海洋天然产物Lamellarin类化合物的主要结构类型
2Lamellarin类化合物及其类似生物碱的生物活性
2.1抑制HIV-1整合酶
2.2抑制拓扑异构酶I
2.3与DNA相互作用和诱发金属依赖性的DNA降解
2.4结构与活性
3片螺素主要结构类型的分离、提纯、结构确定
3.1.1片螺素A~D
3.1.2片螺素E~H
3.1.3片螺素I,J,K,L,M和片螺素N三乙酸酯
3.1.4片螺素O,P,Q,R
3.1.5片螺素S
4Lamellarin类生物碱的全合成研究
4.1片螺素O及其衍生物的合成
4.2LukianolA的合成
4.2.1通过α,β不饱和羰基化合物形成吡咯中心来合成LukianolA
4.2.2直接通过吡咯环经Suzuki偶联合成LukianolA
4.2.3通过芳香酮经过亚胺盐形成非对称吡咯中心合成LukianolA
4.2.4以末端炔和碘代芳烃形成吡咯中心合成LukianolA
4.2.5具有高区域选择性的吡咯经Suzuki偶联合成LukianolA
4.2.6通过芳香酮不经过亚胺盐形成吡咯中心来合成LukianolA
5实验思路
6结语
7参考文献
摘要:
Lamellarin类化合物,译为片螺素,是从海洋软体动物中分离得到的一类生物碱。
Lamellarin类生物碱及其类似物具有良好的抑制肿瘤细胞增殖、逆转p-糖蛋白介导的多药耐药等活性,显示出成为抗肿瘤候选药物的潜力。
近年来,对Lamellarin类生物碱结构改造和新型杂合体及类似物的研究,已成为新型抗肿瘤候选药物研究的热点之一。
近年来,Lamellarin类生物碱的生物活性与构效关系的研究主要集中在抗肿瘤与抗HIV病毒方面.已有多篇文献报道Lamellarin类生物碱对肿瘤细胞具有较强的抑制增殖活性,其抗肿瘤作用主要是通过抑制拓扑异构酶I促进肿瘤细胞线粒体凋亡、抗p-糖蛋白介导的多药耐药等机制实现.
本文概述了Lamellarin类生物碱的生物活性研究和一些主流合成策略。
1海洋天然产物Lamellarin类化合物的主要结构类型
迄今为止,被发现的Lamellarin类化合物以及与他们结构相似的天然吡咯类生物碱已达70余种,它们结构中几乎都含有3,4-二芳基取代的吡咯母核。
Jia等人根据Lamellarin类化合物的结构特点,将其分为三大类。
把以LamellarinA-D和L为代表的吡咯环与其他环稠合的化合物归为第一类,该类化合物又可根据C-5/C-6是否具有烯键进一步分为2个亚类。
与之对应的,则把吡咯环未与其它环稠合的Lamellarin类化合物归为第二类,如LamellarinsO-R。
其他的Lamellarins相类似的吡咯类生物碱则属于第三类。
图1Lamellarin类化合物的分类
2Lamellarin类化合物及其类似生物碱的生物活性
由于生物碱是从天然产物中提取的,它的量较少,所以部分生物碱的作用机制是未知的。
近年来随着对其合成的研究,收集了大量的样品,为其活性研究提供条件。
以下是部分片螺素及类似生物碱的生物活性。
2.1抑制HIV-1整合酶
一般来讲,片螺素的硫酸盐很少或几乎没有细胞毒性。
对类似不含硫酸根基团的片螺素则有较强的细胞毒性.Reddy等发现片螺素α20-硫酸盐在抗HIV-1病毒细胞培养中,具有很强的抑制整合酶终端分裂和链转移的活性,而且比片螺素U,V20-硫酸盐的衍生物有更强的抑制HIV-1病毒能力,其活性与非硫酸盐的片螺素W和片螺素V相当。
片螺素α20-硫酸盐在IC(50%的抑制浓度)为88µmol/L时可以抑制HIV-1的复制,在IC50为22µmol/L时可以抑制链转移活性,在IC为22µmol/L的具有抑制链转移活性能力,在IC为16µmol/L时具有抑制整合酶终端分裂活性,在IC为8µmol/L时具有抑制HIV-1病毒的生长的作用.如果片螺素α20-硫酸盐脱去20-硫酸盐基团,其细胞毒性就会增强,但此时对抑制HIV-1整合酶的活性已完全消失了.而对13,20-二硫酸盐在脱去20-硫酸盐基团仍具有抗整合酶活性。
由此可见,硫酸盐基团是片螺素系列化合物具备抗HIV-1病毒的关键.这一特性在其它含有硫酸盐的天然产物中也得到验证.例如三萜系化合物,Cyclodidemniserinoltrisulfate和ThalassiolinsA~C也具有抑制HIV-1整合酶活性。
2.2抑制拓扑异构酶I
Reddy研究小组在研究片螺素α20-硫酸盐抑制HIV-1整合酶的同时也平行地研究了它抑制软疣感染病毒中的拓扑异构酶活性.发现在IC为0.23µmol/L时,片螺素H具有高效的抗拓扑异构酶活性.具备活性的原因可能是由于片螺素H的多羟基结构(它是唯一没有甲氧基的片螺素).
2.3与DNA相互作用和诱发金属依赖性的DNA降解
人类拓扑异构酶紧密结合在DNA周围,片螺素D及其衍生物的五元环平面结构容易与DNA结合,当片螺素分子插入到DNA碱基对之间时,DNA的双螺旋结构发生扭曲,此时可能引发片螺素细胞毒性作用。
由于多羟基的生物碱易与金属形成螯合物,所以当有片螺素H,StorniamideA多羟基的化合物出现时,破坏了金属与DNA的结合,从而诱发了金属依赖性的DNA降解。
2.4结构与活性
一般来讲,C(5)=(6)为双键的片螺素较C(5)—C(6)为饱和健的细胞毒性高[3,49],例如,片螺素N-三乙酸酯的细胞毒性高于片螺素L-三乙酸酯.高细胞毒性的片螺素D,将C(5)=C(6)键变成饱和键,生成的5,6二氢片螺素D,失去了抑制拓扑异构酶的活性,见图2-1。
但也有例外,片螺素M细胞毒性基本等同于饱和片螺素K,而片螺素M-三乙酸酯的细胞毒性小于片螺素K-三乙酸酯.
图2-1
Ishibashi等研究了片螺素D系列化合物的结构与生物活性的关系:
改变片螺素D
结构中的任何一个基团都有可能降低或者是完全取消细胞毒性.具体改变官能团与生物活性的关系见图2-2。
图2-2
3片螺素主要结构类型的分离、提纯、结构确定
3.1.1片螺素A~D
1985年Faulkner等在Koror,Palau附近从前腮亚纲软体动物(ProsobranchMolluscLamellariasp.)中首次提取了四种片螺素A~D.由片螺素A和B的分子结构可看出,后者可以通过前者脱水得到.Faulkner通过实验也证明这一点.片螺素A有两种顺反异构体且其比例为1:
1。
3.1.2片螺素E~H
1988年Fenical等从印度洋Aldabra的环礁附近的海鞘类动物中提取了四种新片螺素E~H.利用薄层色谱法分离得到片螺素E.片螺素H是这一类型生物碱中唯一完全没有甲氧基官能团的成员.X射线单晶衍射结果表明这四种片螺素均以外消旋形式存在.
3.1.3片螺素I,J,K,L,M和片螺素N三乙酸酯
1993年Bowden等报道了从深紫色海鞘类动物中提取六种新的片螺素I,J,K,L,M和片螺素N三乙酸酯以及以前已经发现的片螺素A~D.样品分别于1989年7月和1991年3月在北昆士兰珊瑚海(Coralsea)和Broadhurst暗礁附近通过潜水(深10m)获得.通过硅凝胶色谱和反相高效液相色谱相结合的手段进行分离提纯样品.样品的结构通过光谱分析与已知光谱数据比较,或者结合实验进一步确定.例如,片螺素L三乙酸酯在一定条件下经过脱氢所得产物的结构与片螺素N三乙酸酯的结构完全一样,确定了后者的结构.
3.1.4片螺素O,P,Q,R
1994年,Capon等成功地提取了两种新的片螺素O和Franklin于1991年5月在澳大利亚南巴士海峡通过拖网作业获得一种黑色海绵(Dendrillacactos),经反复的凝胶渗透色谱分离及光谱分析和部分合成确定了片螺素O,P的结构.片螺素P不稳定,片螺素O相对较稳定,可能是由于氢键的作用.
1995年Capon等又报道了两种新的片螺素Q,R.样品采集于1994年7月,在澳大利亚的新南威尔士海岸,从同样的黑色海绵中通过潜水(深15m)获得.
3.1.5片螺素S
1996年Capon等又报道了一种新的片螺素S.样品采集于1994年7月从澳大利亚的新南威尔士海岸的被囊类动物(Didemnumsp.).提取方法同片螺素O和P,样品经过了反相制备HPLC分离.经一系列的光谱分析确定了片螺素S的结构,但其立体结构需进一步确定.片螺素S稳定,有旋光性,且旋光性随着时间延长逐渐减弱.1.1.6片螺素T,U,V,Y的20硫酸钠盐和片螺素T,U,V,W,X,N1997年Faulkner等从未被确认的海鞘类动物中提取了九种新的片螺素和已被提取的片螺素N,分别是片螺素T,U,V,Y的20-硫酸钠衍生物和片螺素T,U,V,W,X.这也是片螺素硫酸盐提取的首次报道.样品于1995年1月从印度阿拉伯海附近获取.1.1.7片螺素B,C,L的20-硫酸盐,片螺素G8-硫酸盐和片螺素Z1999年由Quinn等报道了从大堡礁附近的海鞘类动物Didemumchartaceum中提取了5种新的片螺素,其中前四种是片螺素的硫酸盐衍生物,分别为片螺素B200-硫酸盐、片螺素C20-硫酸盐、片螺素L20-硫酸盐、片螺素G8-硫酸盐和片螺素Z.较特殊的是:
片螺素G8-硫酸盐为第一例片螺素硫酸盐,SO3基在8-C上取代,片螺素Z为第一例带二甲氧基的片螺素.样品经过HPLC分离、提纯,结构经光谱分析得以确定.
4Lamellarin类生物碱的全合成研究
Lamellarin类生物碱以其良好的药理活性和相对简单的结构引起了有机化学家和药物化学家的兴趣.自1995年LamellarinO二甲醚被率先合成以来,十余年间已有包括仿生合成法、N-叶立德法、[3+2]环加成法、Michael加成法、Hinsberg吡咯合成法、Diels-Alder反应和缩环合成法、芳香酮经亚铵盐合成不对称取代吡咯法、交叉偶联反应法、选择性汇聚合成法等在内的20余篇有关Lamellarin类生物碱及其类似物的全合成报道以及相关综述。
根据Lamellarin类生物碱具有五元吡咯环的共性特征,该类生物碱的全合成主要采用“构建吡咯环”和“吡咯环生长”两种合成策略.2005年以后,有关合成的报道更多地集中在各种新方法、新催化剂在这两类合成策略中的应用以及对Lamellarin母核的改造与修饰.
4.1片螺素O及其衍生物的合成
片螺素O及其衍生物的合成与LukianalA的合成极其相似,合成路线方案很多,不同之处在于形成吡咯的方式不同,有从α,β不饱和羰基化合物出发形成吡咯中间体,有从酮出发,还有通过末端炔与碘代芳烃来形成五元环吡咯中心.
图4-1LamellarinO的全合成路线
4.2LukianolA的合成
4.2.1通过α,β不饱和羰基化合物形成吡咯中心来合成LukianolA
1995年,作为第一例片螺素类生物碱的合成报道了LukianolA的合成(4-2-1).由Furistner等利用低价钛还原环缩合形成吡咯环的基本骨架,这是形成LukianolA的关键一步.以6为起始原料,用过氧化氢转化为环氧酮7,经BF3•Et2O中呐醇重排,羟胺中回流得异噁唑8,收率15%,用H2/Pd还原,后经甲基乙酰氯的酰基化反应得Z,E混合构型的化合物9,经HPLC分离得到纯的(Z)-9,然后用钛-石墨(TiCl3-C8K)催化氢化形成吡咯10,通过p-MeOC6H4COCH2Br使吡咯上H被取代,得片螺素O二甲醚,经皂化、分子内酯化和BBr3还原脱去MeO得到LukianolA.
图4-2-1
4.2.2直接通过吡咯环经Suzuki偶联合成LukianolA
1997年Banwell等再次合成LukianolA.采用Muchowski合成路线,构建二溴吡咯重要中间体,通过Suzuki偶联,得到类似10的化合物,但合成方法不同.最后经过吡咯环上H的取代、分子内酯化、BBr3还原得LukianolA.
4.2.3通过芳香酮经过亚胺盐形成非对称吡咯中心合成LukianolA
有关LukianolA合成框架方案的报道于1998年,由Gupton研究小组提供.通过不饱和的亚铵鎓盐在不同的条件(酸性、碱性、中性)下合成具有区域选择性高、收率高、非对称的2,3,4-三取代吡咯中心,这为LukianolA合成方法成构建了重要框架,同时也为合成各种含吡咯环的天然产物提供重要基础.此方案中合成吡咯中心的方法与上述两方法不同.1999年,该研究小组以1998年方案合成框架,进一步确定了合成LukianolA的每一个官能团,成功合成LukianolA
图4-2-3
4.2.4以末端炔和碘代芳烃形成吡咯中心合成LukianolA
Bager等于1999年提出了另外一条有特色的合成路线.以苯环氮杂二烯的Diels-Alder反应和还原缩环反应为基础形成相应的吡咯中间体,此法不同于前几种合成方案:
以未端烷和碘代的芳烃为原料,经Pd(0)催化交叉偶联形成对称炔,与1,2,4,5-四嗪发生Diels-Alder反应,产物经Zn还原N芳基化得五取代的吡咯,经LiOH选择性水解得单一的酸12,经催化氢化得到的中间体13,但由12→13亦可采用三氟乙酸处理更简单,然后从13到LukianolA的合成方法同上。
图4-2-4
4.2.5具有高区域选择性的吡咯经Suzuki偶联合成LukianolA
2000年Wong等采用一条新的合成路线.与Banwell等的合成方案相比,相同之处是都采用了Suzuki偶联,其关键是形成2,3,4-三取代吡咯环,不同之处是,Banwell合成路线中涉及到取代不同位置的溴,难度相对大,而且步骤多,本方案步骤少,区域专一性强,收率较前者也高.同样形成2,3,4-三取代的吡咯环,此方案的收率远高于前几种方案.
4.2.6通过芳香酮不经过亚胺盐形成吡咯中心来合成LukianolA
2001年Kim研究小组提出另外一条新的合成LukianolA方案(图4-2-6).与Gupton方案不同之处在于从14→15这步,本方案用烯胺在酸性条件下与二甲基氨基丙二酸盐酸盐发生环缩合反应.虽然此步收率较低,只有60%,但此方案绝对优于Gupton方案,原因有二:
(a)实验条件简单,不需要无水操作;(b)减少了形成亚胺盐这一步.
图4-2-6
相对于以LamellarinD、L和N等为代表的第一类环稠合的Lamellarin类化合物而言,第二、三类Lamellarin类化合物整体而言对肿瘤细胞增殖抑制作用相对较弱,一开始只有少量的文献报道并未能引起研究者的广泛关注。
1994年,Capon等人首次从澳大利亚南部的海洋动物海绵DendrillaCactos中分离得到LamellarinO、P,遗憾的是,当时由于化合物量少且不稳定而未能进行活性研究。
直到1999年,Hall等人才对这样一类多取代的吡咯类化合物的药理活性进行了报道。
研究发现LamellarinO对多种白血病肿瘤和淋巴瘤肿瘤细胞增殖的抑制活性,同时对人HeLa-S3子宫瘤和胶质瘤细胞也具有良好的细胞毒活性。
研究还表明LamellarinO可以选择性的抑制L120淋巴细胞性白血病DNA的合成而对RNA和蛋白质的合成影响较小。
LukianolA是与LamellarinO结构类似的海洋吡咯类生物碱,其结构特点是吡咯环N邻位与烷基链形成了内酯结构,于1992年被Scheuer等人从太平洋的未命名的被囊类动物中分离得到并被发现对人表皮样癌细胞(KB)具有细胞毒活性;同时分离得到的还有另一个含有卤素的天然产物LukianolB。
1999年,Boger等人完成了对LukianolA和LamellarinO的全合成工作,并进一步证实了这两类化合物的细胞毒性,还发现它们在肿瘤细胞多药耐药逆转(MDR)方面表现出良好的活性,具有开发成为新型抗肿瘤药物的潜在价值。
综上可见,海洋天然产物Lamellarin类化合物因具有细胞毒活性以及多药耐药逆转活性,具有开发成为抗肿瘤药物的前景。
其中第一类Lamellarin类化合物,尤其是LamellarinD,目前研究最为广泛,细胞毒活性高,但是其具有多环稠合的骨架结构,分子量大,理化性质并不理想,这在一定程度上限制了其作为抗肿瘤药物会的开发。
反观第二、三类Lamellarin类化合物,包括LamellarinO,LukianolA,对它们的结构改造的报道迄今十分罕见;然而,这类化合物结构简单,可以修饰和改造的位点比较多,实际上具有很大的改造空间和潜在的开发前景。
本项目立足海洋天然产物,聚焦于以LamellarinO/LukianolA为先导的新型抗肿瘤药物分子的设计与优化。
这里,我们通过骨架迁移策略设计合成一系列多芳环取代的新型的吡咯并三嗪类化合物(详见研究内容部分),并结合分子生物学、计算机辅助药物设计、经典药物化学改造策略进行结构优化,希望能发展一类具有自主知识产权的新型抗肿瘤候选药物;同时考察系列化合物的多药耐药逆转(MDR)活性并对其作用机制进行探讨以指导化合物的结构优化并为肿瘤耐药和肿瘤治疗提供进一步的理论基础。
5、对LamellarinO/LukianolA的改造思路
如前文所述,海洋天然产物LamellarinO/LukianolA均能表现出一定的肿瘤细胞增殖抑制活性,且分子量小,具有改造和优化空间,有望在此基础上找到一类具有更好的抗肿瘤活性的新型化合物。
众所周知,吡咯并三嗪类化合物在药物化学当中是非常重要的一类优势结构骨架,具有引人注目的生物活性。
骨架迁移是药物化学家对先导化合物进行结构改造和优化的常用策略,在药物发现中发挥了重要的作用。
LamellarinO/LukianolA的分子中含有酯基结构,容易被代谢,并且母核结构可修饰位点少。
针对此,我们采用骨架迁移的策略,用药物中常见的优势骨架吡咯并三嗪环替换先导化合物中的母核结构;设计了系列邻二芳基取代的吡咯并三嗪系列化合物I,在保留先导化合物共有的药效团的基础上,增加了分子的稳定性和可改造位点(图)。
进一步对先导化合物的结构进行分析发现,LamellarinO/LukianolA类化合物结构中包含了3,4-二芳基取代的吡咯母核;让人联想到另一类具有相似结构的具有抗肿瘤活性的天然产物Combrestastatin,一类是从Combretumcaffrum树木的树根中提取的天然产物。
其中,CombretastatinsA-4(CA-4)是这类天然产物中结构最简单、活性最强的化合物之一,具有顺势1,2-二苯乙烯结构。
药理实验结果表明,CA-4能与微观蛋白的秋水仙碱位点结合并抑制微观蛋白的聚合,从而达到抗肿瘤的目的。
构效关系表明,保持顺势构型对CA-4的生物活性有着重要的意义,结合我们前面设计的邻二芳基取代的吡咯并三嗪系列化合物I的结构特点,我们拟将CA-4的药效团迁移至化合物I当中,设计系列化合物II()。
5.2研究目标
(1)设计合成目标化合物50个,完成活性化合物抗肿瘤增殖活性测定,争取发现1~2个活性突出的
(2)总结本类化合物的构效关系
5.3拟解决的关键科学问题
(1)先导化合物LamellarinO/LukianolA类化合物同时具有细胞毒活性以及MDR活性,遗憾的是,活性均不突出,分别提高先导化合物这两方面的药理活性成为本项目的关键。
本项目希望通过骨架/药效团迁移等药化策略,在重点提高化合物的细胞毒活性同时,考察化合物的MDR活性,多方向、多维度地找寻新型的抗肿瘤候选化合物。
(2)构建药化化学设计的闭环循环与开环突破。
6结语
Lamellarin类生物碱是已经证实的具有良好细胞毒活性以及多药耐药逆转活性的天然产物,由于特殊结构以及其生物活性,人们进行了大量的分离、提纯、合成、生物活性测定等方面的研究工作。
尤以第一类Lamellarin化合物研究最为广泛,但是其具有多环稠合的骨架结构,分子量大,理化性质并不理想,这在一定程度上限制了其作为抗肿瘤药物会的开发。
而本文所关注的LamellarinO,LukianolA,即第二、三类Lamellarin化合物却具有结构简单、可修饰位点多的特征,使其在MDR方面表现出非常显著的活性。
若能进一步结构优化,相信必能在新型抗肿瘤药物领域做出贡献。
我在本学期完成了文献搜集与整理,确定实验思路与步骤的任务,并将在接下来的时间里完成实验,努力做出成果,期待真正完成论文课题的一天。
6参考文献
【1】海洋来源的LamellarinO及其类似的吡咯类生物碱的研究进展_尹瑞娟
【2】海洋软体动物活性物质_片螺素_l_省略_rin_及其类似生物碱的研究进展_杨光
【3】抗肿瘤Lamellarin类生物碱的合成研究新进展_沈立
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