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Cryptophycins(Cr)是一类由海洋藻类(Nostoc sp.ATCC 53789)、(Nostoc sp.GSV 224)和海绵(Dysidea arenaria)中发现提取的抗肿瘤活性化合物。1990年,首次在蓝绿藻念珠属(Nostoc sp.ATCC 53789)中提取出Cr,经确认其结构为16元大环缩酚酸肽化合物。最初研究发现此类化合物对于隐球菌(Cryptococcus)有非常好的抑制活性,并由此命名。随后, Cr化合物在体外试验中显示出显著并广泛的抗肿瘤活性,IC50值达到皮摩尔量级;并对多重耐药性(MCR)的肿瘤细胞依然有出色的活性。截止目前,Cryptophycins家族共发现了28个天然化合物。包括Merck、Eli Lilly在内的多个科学研究机构都将Cr化合物做为有开发潜力的抗肿瘤药物进行研究。其中,Eli Lilly公司研发的Cryptophycin-52已经进入临床研究阶段。通过抗肿瘤作用机制研究表明:Cr是以微管(microtubule)或微管蛋白为作用靶点,通过影响细胞有丝分裂(mitosis)的正常进程,抑制细胞增殖,诱导细胞凋亡。当前对Cr的研究方向主要集中在:Cr新衍生物或者类似物的设计合成和活性筛选;通过细胞和分子生物学等方法研究Cr抗肿瘤作用靶点和作用机制并探讨Cr分子构效关系(SAR)。我们以Cryphophycin-1为先导化合物,重点针对Cr分子在药理实验中表现出的生物利用度低的缺点,在对药物构效关系进行分析的基础上,应用生物电子等排原理(Bioisosterism),结合计算机辅助设计手段,对Cr分子的结构进行优化设计。在保留先导物分子活性结构的同时,合理引入极性原子或基团,通过全合成手段得到新型Cr衍生物和结构类似物。目的在于提高整个分子在生物体内的稳定性,改善其抗肿瘤活性。本课题共设计了三个系列新型Cryphophyci衍生物。通过对先导化合物分子的四片段(ABCD)拆分和逆合成分析(Retrosynthetic analysis),设计出合理的全合成路线。所设计的衍生物着重改造先导物中B、C、D三个片段的结构,以新颖的类三肽结构形成分子BCD三个片段的连接模块。其中,类三肽结构片段的合成中,详细考察了Arndt-Eistert同系化反应的重排机理;选择性保护基的使用;以及片段连接顺序的方法和路线选择。此外,作为全合成工作的重点,我们运用不对称合成方法制备了A片段,针对A片段中多个手性中心的构建,重点考察了应用巴豆基硼(Crotylborane)手性诱导试剂和Sharpless环氧化方法诱导的不对称合成机理和反应条件。其中,包括不对称合成手性试剂的制备和应用;手性诱导机理研究及合成方法的比较。全合成工作涉及Wittig、Grignard、Heck、Arndt-Eistert、Sharpless Oxidation、Swern Oxidation、Crotylborylation等多个经典有机合成反应,其中A片段合成包括10~13步反应;衍生物全合成路线包括24~27步反应。借鉴有关结构类似物的设计合成经验,我们保留Cr分子的16元环结构,以较小的片段结构替代A片段中含有手性中心的甲基-苯丙烯结构,设计并合成出另一系列含16元环类多肽结构的新型Cr结构类似物。该设计目的是力求保留先导物抗肿瘤活性部位的同时,简化分子结构,减少立体异构选择性对合成收率的影响;同时增加分子极性以提高分子在生物体内的稳定性和代谢流动性。对所设计的Cr衍生物和结构类似物进行了初步药理活性试验。包括:体外(in vitro)抗肿瘤细胞活性筛选,细胞毒性试验和裸鼠体内(in vivo)抗肿瘤生长抑制试验。体外试验采用MTT法,选择多株肿瘤细胞(包括实体瘤(tumor)细胞和白血病(leukemia)细胞),以微管靶点抗肿瘤药物紫杉醇(Taxol)和叶酸拮抗剂类抗肿瘤药物——甲胺蝶呤(MTX)为阳性对照物,进行活性筛选。动物体内试验选择接种非小细胞肺癌(SPCA-1)后的BALB/C-nu裸鼠为模型,以广谱抗肿瘤药物阿霉素(Dox)为阳性对照进行肿瘤生长抑制研究。药理活性试验结果显示,我们所设计合成的新型Cr衍生物具有明显广谱的抗肿瘤活性。通过对活性试验结果进行分析丰富了Cr化合物的构效关系理论和新型药物设计合成思路。本论文的创新和特点:设计了类三肽结构为框架的分子BCD片段模块。创新性的设计了以β酪氨酸为母核结构的B片段,进而将不同的L-氨基酸引入C片段结构。由此,可以充分利用L-氨基酸的多种变化,得到多种新颖的类三肽结构片段;同时,通过引入氨基酸结构中的极性原子和基团来增加整个分子的稳定性。大胆尝试了在C片段引入氯磺酰异氰酸酯,利用其高活性的双端活性基团连接B和D片段;同时,考虑引入极性较大稳定性更高的磺酰基提高分子极性,改善整体分子的代谢流动性。对于全合成的重点——A片段的合成,在研究借鉴前人工作的基础上,分别运用巴豆基硼手性诱导试剂和Sharpless环氧化两种方法来构建A片段中的手性中心,并详细探究不对称诱导作用机理和方法条件。我们选择了包括实体瘤和白血病细胞在内的十几种肿瘤细胞,以充分考察Cr新型衍生物的广谱抗肿瘤活性。试验结果反应出所设计衍生物在广谱抗肿瘤活性和安全性方面表现同等(对照物紫杉醇)或优异(对照物甲胺蝶呤)。通过裸鼠体内抗肿瘤抑制试验,结果显示所设计衍生物对比阳性对照物阿霉素,在延长裸鼠生命周期,抑制肿瘤生长,延缓裸鼠体重减少等方面都表现出明显优势。本课题设计合成了10个新型Cryptophycin衍生物和类似物,初步生物药理试验表明本课题具有继续研究意义。本课题在国家自然科学基金项目:新型抗癌化合物Cryptophycin及其衍生物的研究(项目批准号:20472050)的资助下完成。