癌症,也称为恶性肿瘤,是一类可影响身体任何部位的疾病。癌症的主要特征是部分细胞组织快速分裂增生,并打破其正常的生长边界形成肿瘤,甚至侵袭转移到身体其他部位。癌症是人类的重要死亡原因,在2008年死亡的760万人中,约占所有死亡人数的13%,并且其中大约70%的癌症死亡发生在像中国这样的低收入和中等收入国家(数据引自国际癌症研究中心,IARC)。据世界卫生组织公布其预计数据：世界范围内的癌症死亡人数将持续升高,估计到2030年左右死亡人数可能超过1300万人。目前癌症的治疗主要有三种治疗手段：手术治疗,放射治疗和化学治疗。其中化学疗法(简称化疗)可以跟随血液循环进入其他两种方法难以达到的具体病灶进行针对治疗,是治疗癌症中必不可少的治疗手段,起着非常重要的地位。目前化疗药物的抗癌机制主要有以下几个方面：抑制癌细胞核酸合成,例如氟尿嘧啶；干扰破坏DNA作用,例如烷化剂,柔红霉素等；干扰细胞的微管系统,例如长春新碱,紫杉醇等；抑制细胞蛋白酶类,例如抑制拓扑异构酶的依托泊甙,抑制DNA多聚酶的阿糖胞苷等；还有激素类药物,例如雌激素,雄激素等。但目前化疗药物面临严重瓶颈：一是目前临床应用的化疗药物普遍存在着严重的不良反应和毒副作用,包括消化道反应、骨髓抑制、神经毒性等。例如长春新碱会造成淋巴细胞减少,呕吐,肢体麻木等毒副作用。二是目前可选择化疗药物少,并且耐药现象严重。癌症发生率不断提高而化疗药物发展缓慢并且产生多种耐药性癌症。因此,急需研究新的疗效确切且安全可靠的抗癌药物。据文献报道,三环类化合物和噻唑烷酮类衍生物具有多种生物活性,这两类化合物也广泛应用于临床治疗和基础研究。因此,我们分别采取改造已知活性结构和组合化学两种方式,设计合成了三环类硫氮杂卓衍生物(27个化合物)和4-噻唑烷酮(372个化合物)这两类硫氮杂环衍生物小分子库,并对这些化合物的抗癌活性和抗癌分子机理机制进行了详细研究。具体内容如下文所述：三环类化合物主要是传统上应用于治疗精神疾病的药物,母体结构由三个骈合的多元环组成,如噻奈普汀、奎硫平等。近些年来,对于此类药物其他生物活性的研究表明,此类化合物还具有抗艾滋病毒等活性,尤其是最近有文献报道,通过筛选美国FDA批准的三环类抗精神病药物,发现包括氯丙咪嗪在内的多种三环类药物对癌症也具有良好的疗效。但是目前,并没有报道对三环类硫氮杂环衍生物的详细抗癌分子机理进行研究。肺癌是癌症中发病率和死亡率最高的病种之一,其中约80%的肺癌是非小细胞肺癌,而在临床治疗中,癌症的耐药性是化疗失败的最重要的原因,尤其是对于紫杉醇,长春新碱等自然类的化疗药物。其中,耐药性的产生与一类跨膜转运蛋白有着直接的关系-P糖蛋白(P-gp)。此类蛋白是一个位于细胞膜,分子量为170 kDa的跨膜蛋白,可以将某些药物特异性的排出细胞外,所以其又被形象的称为“药泵”。所以,开发不被“药泵”所识别的,且安全有效的抗肺癌药物十分必要。因此,在吉林大学柏旭教授的帮助下,通过改造活性化合物结构的方法,设计合成了27个的三环类七元硫氮杂环衍生物,并在经过详细表征之后,对其抗非小细胞肺癌活性进行了测定。我们发现27个衍生物中,有6个化合物(4号,9-12号和14号)对非小细胞肺癌细胞系H460和其耐药性变种细胞系H460TaxR都具有良好的抗癌效果,其EC50均小于1μM。其后,通过体外的药动学模拟实验,我们发现这6个化合物药动学性质非常类似,都具有良好的细胞渗透性和代谢稳定性,具有良好的类药性药动学性质。我们从6个化合物中,选取了活性最好且药动学性质良好的4号化合物即6-对甲苯基-苯骈[f]吡啶骈[2,3-b][1,4]硫氮杂卓-11,11-二砜(TBPT)进行进一步的动物体内实验,结果显示：TBPT在小鼠体内对两种细胞系的移植瘤也具有良好的抑瘤效果,然而由于P-gp的转运机制,临床药物紫杉醇对耐药的细胞系H460TaxR的抗癌效果无论是在体外实验还是小鼠体内实验中,与非耐药的细胞系H460相比都有显著性差距。我们研究发现,TBPT可以避免“药泵”p-gp的转运,从而发挥对P-gp过表达的耐药细胞系的抗癌活性。通过基因芯片,我们检测了TBPT对癌细胞全基因组转录水平的影响以及其代表的生命过程,我们发现TBPT对癌细胞的微管系统活动和细胞核代谢过程产生了显著的影响,通过进一步的验证实验,我们发现,TBPT靶向于微管蛋白的秋水仙素结合位点,抑制微管蛋白的聚合,对细胞微管产生损伤,造成细胞周期抑制,并引发细胞凋亡。同时,其对正常纤维细胞NHFB和小鼠海马组织细胞的细胞周期和凋亡状态都没有产生显著影响。我们通过激酶筛选试验发现,TBPT对正常的人类激酶组并没有抑制效果,从而可以最低限度的减少对细胞正常信号通路的紊乱。这或许是其低毒性的一个重要原因。噻唑烷酮类化合物是一类母体结构为具有一个硫原子和一个氮原子的五元杂环的化合物,与前文所述三环类硫氮杂卓衍生物类似,都属于硫氮杂环类化合物。文献报道其具有多种生物活性,包括抗菌、抗病毒、抗炎症、降血糖等多种药物效应。已有上市的临床药物为含有两个羰基的噻唑烷二酮类化合物,主要用于口服降血糖。近年来,对于噻唑烷酮的抗癌活性也逐步引起了人们的注意,发现其衍生物对多种癌细胞有较好的抗癌活性。横纹肌肉瘤是儿童软组织肉瘤中最常见的一种一种恶性肿瘤,主要起源于横纹肌细胞或间叶细胞。其中主要有两个亚型：胚胎型横纹肌肉瘤(ERMS)和腺泡型横纹肌肉瘤(ARMS)。世界儿童癌症组织和横纹肌肉瘤国际研究组织(IRSG)建议针对横纹肌肉瘤采取的标准治疗方案是长春新碱,更生霉素和环磷酰胺三种药物的联合疗法。但是正如前文所述,这些癌症药物会引起严重的毒副作用,甚至有报道病人因此而死亡的案例。这极大限制了此类药物的临床应用。因此,前期我们实验室通过组合化学的方法,设计合成了包含372个新颖结构的噻唑烷酮化合物库。然后,我们通过高通量的抗癌活性筛选,发现其中一个化合物,2-(4-羟基苯亚胺基)-5-(3-甲氧基苯亚甲基)-4-噻唑烷酮(MHPT)对横纹肌肉瘤细胞系RD(属于ERMS)和SJ-RH30(属于ARMS)两种细胞系均具有良好的抗癌活性,EC50分别是0.4和1.4 μM,同时对正常人类纤维细胞NHFB没有明显毒性,ECso大于100μM。进一步的抗癌机制研究发现,MHPT可以抑制微管蛋白的聚合,干扰微管正常合成,引起细胞的G2/M期周期阻滞,并引起细胞凋亡。并且后期动物实验证明,MHPT在40 mg/kg剂量下对RD移植瘤具有良好的抑瘤效果,并且在我们的实验条件下并未发现对小鼠造成明显的毒性,而临床药物长春新碱在达到类似抗癌效果的同时,造成了严重的毒副作用,出现小鼠体重下降,血液毒性,甚至死亡。我们也讨论了其低毒性的机制,我们推测,由于MHPT对微管的温和抑制效果(IC50=6.28μM)对正常细胞影响较小,而对快速分裂的微管动力学活跃的癌细胞足以抑制其生长,而发挥抗癌效果。因此,MHPT是一种对横纹肌肉瘤有效而且无明显毒副作用的微管抑制剂。综上所述,我们前期分别采取改造活性化合物结构的设计方法和组合化学两种方式,设计合成了三环类硫氮杂卓衍生物和4-噻唑烷酮这两类硫氮杂环衍生物小分子库,通过抗癌活性筛选,成功发现了在细胞水平和小鼠肿瘤模型中均具有显著抗癌效果的两个抗癌活性化合物——抗非小细胞肺癌的TBPT和抗横纹肌肉瘤的MHPT,而且其正常细胞和器官的毒性显著小于临床应用药物紫杉醇或长春新碱。进一步的分子机理研究证明,这两个硫氮杂环类衍生物具有类似的抗癌作用机制,可以抑制微管蛋白的聚合,造成癌细胞周期阻滞并导致细胞凋亡。