含硝基药物概述

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作为抗肿瘤、抗生素、抗寄生虫药,以及镇静剂、杀菌(虫)剂和除草剂,含硝基药物有着悠久的历史。硝基是一个作用多样且独特的官能团,有很强的吸电子能力,在分子中会产生局部的缺电子位点,与生物亲核分子相作用,如蛋白质、氨基酸、核酸和酶,发生期望或不期望的生物变化。此外,硝基能被还原,可作为前药,通过酶促还原产生活性物质,并最终诱导生物效应。


研究表明,含硝基化合物通过不同的机制诱导细胞杀伤作用,如抑制拓扑异构酶、抑制组蛋白去乙酰化酶、DNA烷基化、抑制微管蛋白聚合,以及通过生物还原活化表现出显著的缺氧诱导效应。含硝基药物虽然应用广泛,但充分的证据表明,该类药物会引起严重的毒性,毫无疑问这也是许多情况下避免使用的原因。同时,硝基芳香或杂芳香化合物的选择性毒性也是化疗的基础,会使细菌、寄生虫或肿瘤细胞中毒,而不影响正常细胞。因此,药物化学家一直在努力探索硝基芳香或杂芳香化合物在不同领域中的应用,从寄生虫感染到癌症,以及许多酶表达依赖的疾病。总之,与含硝基药物有关的问题是矛盾的,因为硝基既是药效团或药效团的组成部分,也是毒性基团或警示结构。
本文对含硝基化合物开展多方面的药物化学研究,讨论其毒性及作为前药的作用,重点强调导致其活性的生物还原机制,FDA批准的含硝基药物,毒性及临床最新动态,以及硝基化合物在抗癌、抗结核、抗寄生虫方面的最新进展,并列出了一些在临床前或初步筛选实验中具有较好生物活性的有潜力的含硝基药物,目的是为了建立对这些结构的认识。文章还包括最近的一项专利调研,对含硝基化合物降低毒性、提高靶向选择性的方法讨论。
一、含硝基类药物:现状、毒性问题和生物还原疗法
毒性一直是药物研究所关注的一个问题,尤其是含硝基药物的致癌、肝毒、致突变和骨髓抑制是这类药物的主要不良反应。正因如此,研究人员常常将这些药物视为警示结构,从而阻碍了对其治疗作用的探索。
硝基化合物需要酶促还原才能产生治疗和细胞毒性作用,该还原作用通常由硝基还原酶介导,以黄素单核苷酸(FMN)或黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)作辅基,辅酶NADH或NADPH为还原剂。广义的生物还原通路包括亚硝基衍生物、硝基自由基阴离子、亚硝基自由基、羟胺和伯胺的形成,如1所示。硝基化合物的毒性和每个中间体都有关,羟胺衍生物尤其会导致高铁血红蛋白血症,而硝基阴离子、亚硝基衍生物或酯化羟胺的累积效应会致突变和致癌。硝基阴离子在氧化还原过程中形成的超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基也有致癌性。


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图1. 芳硝基化合物的致突变途径
作为药物再利用计划的一部分,目前正在对含硝基药物进行详细的调查,针对那些早期失败的、现在使用的临床候选药物以及开发的新化学类型。基于现有的治疗药物或早期失败的临床候选,依据已有的毒性数据,极有可能找到新的治疗方法。作为药物再利用计划的一部分,迫切需要开发治疗内脏利什曼病(VL)的有效药物,研究发现抗结核药物Delamanid (OPC-67683,13)在体内外都是利什曼原虫的有效抑制剂,30mg/kg剂量下对小鼠内脏利什曼病有治疗作用。进一步研究机理,发现疟原虫是通过一种酶对Delamanid进行快速代谢,该酶不同于激活Fexinidazole(9)的硝基还原酶。因此,Delamanid有望成为治疗内脏利什曼病(VL)的口服药物。对Delamanid进行结构研究,发现DNDI-0690和DNDI-2908是极具潜力的治疗VL药物。最近的一项研究表明,DNDI-0690具有良好的体内药效、较好的溶解性和较低的心脏毒性。毒性评价进一步发现,DNDI-0690有望成为治疗VL的临床前候选药物。DNDI-2908是Delamanid的另一个类似物,作为治疗VL的临床前候选药物,其在巨噬细胞模型中对不同的利什曼原虫菌株具有较强的体外活性(亚微摩尔级别),在HU3/BALB/C小鼠模型中表现出明显的体内活性。对5-硝基-8-羟基喹啉(Nitroxoline)的药物再利用,得到新型的溴端和端外结构域(BET)抑制剂也是一个令人鼓舞的例子。


对含硝基药物进行硝基的生物电子等排取代,有望解决毒性问题,但该方法对提高生物活性和降低毒性得到矛盾的结果。在氟他胺(Flutamide)中用生物电子等排体-CN取代-NO2,以期降低细胞毒性,保持抗雄性激素的活性,该取代有望减弱硝基芳香基团的还原,同时保留强吸电子作用。结果相当乐观,氰基类似物在M12 AR细胞中显示出与氟他胺相当的抗雄性激素活性。但对氯硝柳胺(Niclosamide, 14, FDA批准的一种驱虫药)的一项最新研究发现,-NO2分别被乙酰基、苯甲酰基、甲基砜或酰胺取代,则没有得到理想的结果,Wnt-3-A刺激的TOP Flash实验证实取代后活性显著下降。该策略广泛用于临床前研究,却常常发现不含硝基的类似物或去硝基类似物在抗癌、抗结核和抗寄生虫方面的活性降低(将在第四、五部分讨论)。因此,-NO2用生物电子等排体取代后,对活性和毒性会产生波动的结果。总之,运用构效关系对一些已批准的药物重新考察,重新设计剂量方案,并在联合治疗中评估药物是有益的。图2列出了一些含硝基药物,这些药物要么用作新疗法设计的先导,要么进行不同指标(适应症、组合、剂量方案或制剂)的评估。值得注意的是,甚至一些被撤回的药物已重新引起了临床的关注,有望恢复其应用。

含硝基药物概述  第2张


图2. 含硝基药物
致突变性的风险是硝基芳烃在药物设计领域不受欢迎的主要原因之一。芳环上的硝基及位置会影响其与DNA的结合及致突变性。普遍认为硝基还原在突变中起着重要的作用,与硝基芳烃形成的主要DNA加合物已分离得到并进行了表征,但它们形成的速率和优先引入的位置会有所不同。每个致突变物都有特异性的致突变特征,从而产生不同的突变效应。同时,并不是每一个含硝基药物都有致突变性,抗结核药物领域的发现就证明了这一点。Delamanid(迪拉马尼,13), BTZ043(18), Pretomanid(PA-824, 24)代表着临床开发中的抗结核药物,但没有致突变作用。为解决含硝基药物的致突变问题,开展了大量的工作,Landge等进行了一项有趣的研究,旨在减轻硝基化合物的致突变性,研究发现含硝基的苯并噻唑类化合物没有致突变性,安全性得到了改善,电性效应和硝基邻近的适当位置有取代基(立体电子效应)对调节化合物的致突变性至关重要。针对芳香胺,Shamocaky等在最近开展了结构-遗传毒性的关系研究,ArNH2在P450酶(CYP1A2)的作用下,通过N-羟基化而活化。芳硝基化合物在细菌硝基还原酶作用下硝基还原为羟胺,也经历同样的途径。进一步地,在酸性条件下通过质子化催化羟胺及其酯解离形成氮鎓离子。结果表明,ArNH2分子结构的改变可以破坏与CYP1A2的几何相容性,阻碍质子的获得,或严重影响氮鎓离子的稳定性,从而防止遗传毒性。对P450酶引起N-羟基化导致突变的机理进行研究,得出通过破坏N-羟基化来避免遗传毒性的合理策略。众所周知,羟胺、硝基和亚硝基可以通过代谢转化生成氨基,此外,通过微粒体和胞浆酶催化还原形成N-羟胺也是硝基芳烃活化的原因之一,微粒体硝基还原也取决于细胞色素P450。因此,结构-遗传毒性研究的结果也可用于含硝基化合物,这些化合物本质上是掩蔽的胺。Seger等探讨了CYP介导的伯、仲胺的N-羟基化,提出吸氢机理要优于直接的氧转移机理,这些结论对于预测那些可能被CYPs N-羟基化的化合物是非常有用的。Boechat等对一系列硝基咪唑化合物的遗传毒性和致突变性进行了研究,结果表明,在硝基咪唑的C-4位有-NO2取代,C-2位有-CH3取代都会降低遗传毒性。基于这些乐观的结果,针对含硝基药物的结构-遗传毒性和致突变性的关系必须开展一些研究工作。
总之,含硝基药物的毒性已被广泛报道,但其他一些化疗药物也存在同样的问题,一些不含硝基的药物由于这些问题已被撤回。大多数化疗药物都存在毒性,但含硝基药物的毒性问题更为严重。事实上,对含硝基药物的了解已越来越清楚,引起毒性的原因早已众所周知。因此,利用这些可用的信息来解决相关的致突变性和遗传毒性问题。
“生物还原疗法”是在酶介导的还原作用下将无毒的前药转变为毒性相对较低的药物。该疗法在内源性还原酶的作用下能选择性地作用于肿瘤组织,这些内源性还原酶可被氧抑制或将前药代谢成一种能被氧清除的短暂代谢物,这为肿瘤化疗药物的选择性设计提供了基础,尤其是那些缺氧的实体瘤。与正常组织相比,肿瘤细胞缺氧,这些化合物能被厌氧还原成细胞毒素,有望对肿瘤细胞发挥更强的杀伤作用。因此,迫切需要设计缺氧激活药物或前药,而含硝基药物从机理上来看就属于这类药物。
硝基芳香或杂芳香化合物表现出巨大的潜力,无论是作为活性分子结构中的生物还原成分,还是作为能诱导裂解的触发器。已有不少生物还原剂处于开发研究阶段,如PR-104A(16)、TH-4000(17)、BTZ-403(18)、pretomanid (24)、SN-38 (27)、CB-1954 (25) 和TH-302 (26),而这个概念已拓展应用到其他的化疗药物中且显示了乐观的结果,如紫杉醇前药(19)、硝基氯甲基苯并咪唑(NitroCBI,20)、硝基苄基磷酰胺氮芥(21)、CH-01(23)、KS-119(28)以及O6-苄基鸟嘌呤前药(22),这些药物都具有良好的临床前潜力,目前正进行各种肿瘤类型的临床试验。图3显示了这些药物的结构,图4表示PR104的生物还原代谢途径,其他药物的代谢途径见原文(图5-16,JMC, 2019, 62, 2858-2863),表2列出了一些处于临床或临床前评估的含硝基芳基/杂芳基生物还原剂。基于上述理由,硝基芳基或杂芳基化合物是开发生物还原前药中合理的候选药物。O’Connor等在研究(1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-基)甲醇生物还原前药的同时,提出了将生物还原硝基连接到一系列官能团上的各种策略,如,硝基苄基卤化物的烷基化,硝基芳基卤化物的酯化,硝基苯甲醛的还原胺化,以及应用醇和胺生成硝基溴代苯甲酰碳酸酯或氨基甲酸酯,其研究阐明了分子靶向缺氧活化前药设计的许多方面,研究表明,在好氧和厌氧条件下,生物还原基团的附着点对获得所需的活性差异至关重要。作者还强调,与裂解后产生的活性化合物相比,未还原的形式活性不高。


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图3. 具有生物还原作用的含硝基药物


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图4. PR104的生物还原活化


表2. 具有生物还原作用的含硝基药物及其临床/临床前的更新

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图17显示了其他的一些含硝基生物还原化合物的结构,其中NCLQ-1/2 (7273)是DNA靶向的生物还原前药,用于肿瘤治疗,BCCA621C(75)是DNA依赖的蛋白激酶(DNA-PK)抑制剂,尼莫唑(Nimorazole, 76)是一种硝基咪唑化合物,用于局部晚期头颈癌的治疗(NCT 02976051)。FSL-61(74)是一个缺氧选择性POR-激活的单电子还原酶荧光探针,用于激活靶向肿瘤缺氧的生物还原前药。

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图17. 含硝基的生物还原剂



一般而言,含硝基药物与致突变性、遗传毒性密切相关。针对结构与致突变性、遗传毒性的关系,研究人员开展了多方面的工作,包括生物还原活化机制、毒性及降低毒性的方法。此外,还探讨了含硝基药物在抗癌、抗结核及抗寄生虫领域的最新进展。


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二、含硝基抗癌药物的最新进展
本节介绍含硝基抗癌药的多种化学结构,其细胞毒性主要归因于它们的生物还原代谢。文章选择了一些有较好应用前景的研究成果,重点突出了硝基的作用。
2.1. 含硝基的抗癌前药(缺氧激活前药和其它)
Duocarmycins代表一类极具细胞毒性的天然物质,作用于DNA小沟,选择性地对腺嘌呤进行烷化。多年来,Duocarmycins类似物在临床前和临床研究中显示出较好的抗肿瘤活性。基于此,Tercel 等设计了一些Duocarmycins的硝基类似物,并对其缺氧选择性抗癌作用进行了评价。化合物77在42 μmol/kg时,结合单剂量的γ照射,能消除一些SiHa宫颈癌异种移植瘤中可检测到的克隆菌。与耐受良好的多剂量吉西他滨联合应用,化合物77还能诱导所有治疗的A 2780卵巢异种移植瘤的消退(图18)。
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图18. 含硝基的前药
Duan等设计了一系列含有2-硝基咪唑的手性缺氧激活前药和毒素异磷酰胺氮芥(前药异环磷酰胺的DNA交联毒素)。在所合成的前药中,化合物78被认为是有潜力的抗肿瘤药物,具有显著的缺氧依赖性细胞毒性和微粒体稳定性,在MIA PaCa-2胰腺癌原位异种移植模型中,体内疗效显著(图18)。
Naimi等设计了一氧化氮供体2’-脱氧脲苷、2’-脱氧胞苷和5’-O-硝基-2’-脱氧脲苷的3’-O-硝基衍生物,生物学评价表明,在L-半胱氨酸或血清中孵育时,设计的化合物(79 -81)比硝酸异山梨酯释放更多的NO,它们对多种肿瘤细胞株的细胞毒性与5-碘-2’-脱氧脲苷相当,但要弱于5-氟-2’-脱氧脲苷(图19)。
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图19. 含硝基的前药
研究发现,硝基氯甲基苯并咪唑类(nitroCBIs)作为前药,能够进行低氧选择性代谢,形成有效的DNA小沟烷化剂,发挥抗肿瘤作用。Tercel等报道了一系列具有额外吸电子取代基的类似物,其能提高nitroCBIs的单电子还原作用。活性最强的化合物82具有较好的生物学性质,包括:(1) 在Skov3和HT29人肿瘤细胞系中,缺氧细胞毒性比率分别为275和330;(2) 能有效地、选择性地代谢为所需的氨基CBI;(3) 在缺氧条件下,对所测的细胞系都有选择性的细胞毒性;(4) 对异种移植的缺氧人肿瘤细胞表现出体内活性(图20)。


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图20. 含硝基的前药
Ikeda等开发新型的缺氧激活抗癌前药,将2-硝基咪唑加到两种标准的抗癌药物阿霉素和吉西他滨(8384)中。有趣地发现,前药会形成一个六元的环状结构,能在低氧下释放活性药物。研究中观察到了一些有利的现象,包括:(1) 低氧条件下选择性激活; (2) 如体内结果所示,这些抗癌药物在常氧区的副作用大大减小,小鼠的存活率提高; (3) 免疫荧光分析发现,常规抗癌药物仅分布在常氧区,而前药可以分布在低氧区 (图20)。
细胞周期检测点激酶1(Checkpoint kinase 1,Chk1)是一种有前景的肿瘤治疗靶标,与低氧诱导的复制应激反应有关。近年来,Chk1已成为国内外研究的热点,Chk1表达紊乱可能与多种恶性肿瘤的发生发展、浸润转移、预后及肿瘤耐药等有着密切的关系。低氧细胞对Aurora A激酶的抑制也表现出类似的敏感性,这促使作者设计了一种Chk 1/Aurora A的双重生物还原抑制剂,CH-01 (27)。生物学评价结果表明,在缺氧条件下,CH-01是选择性的Chk1/Aurora A双重抑制剂,对癌细胞具有明显的抑制作用。因此,化合物27是一种有潜力的生物还原化疗药,靶向耐药肿瘤,保护正常组织避免治疗引起的基因组不稳定(图21)。 
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图21. 含硝基的前药
Zhu等合成了O6-苄基鸟嘌呤(O6-BG)的4-硝基苄氧羰基前药,它是一种有效的O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶(AGT)抑制剂。在缺氧和还原酶的作用下,考察了化合物85及其单甲基86和双甲基类似物87的生物还原活化。化合物87通过硝基引发剂的还原,释放O6-BG最多。此外,与常氧相比,它能显著增强缺氧条件下拉罗莫司汀(Laromustine)的细胞毒性,这表明在缺氧条件下能选择性释放AGT抑制剂O6-BG (图21)。
Colon等对3-硝基-10-甲基苯并噻唑[3,2-a]喹啉氯化物(NBQ-91)和10-甲基苯并噻唑[3,2-a]喹啉氯化物(BQ-106)进行了比较分析,以确定在缺氧条件下硝基对DNA结合能力的重要性。实验结果表明,NBQ-91(88)在N2饱和条件下,随着还原剂浓度的增加,硝基被还原,与DNA结合增强,而在没有硝基的化合物中则看不到此现象。NBQ-91(88)在饱和N2条件下,在次黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶存在时与DNA发生共价结合,这清楚地表明硝基的存在对于活性是必须的 (图21)。
Rami等设计、合成了硝基咪唑类抑制剂,作为靶向肿瘤相关的碳酸酐酶(CA)亚型的放疗和化疗增敏剂。所设计的化合物对CA IX高表达的HT-29(人结肠癌细胞)和Hela(人宫颈癌细胞)细胞外肿瘤酸化具有体外抑制作用。在两种肿瘤类型中,缺氧引起的肿瘤酸中毒明显减少。联合应用阿霉素,化合物89对体内放疗和化疗起着增敏作用 (图22)。
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图22. 含硝基的前药
Karwa等在早期光敏剂的结构中引入S-N结构来设计光治疗剂,合成了新型光不稳定的亚磺酰胺类化合物,并进行细胞活性评价,考察了这些化合物产生自由基的能力和对肿瘤细胞株(U937、HTC11、KB和HT29)的细胞杀伤作用。电子自旋共振光谱证实了通过光激发会产生大量的自由基,亚磺酰胺9091对所有细胞株均有明显的杀伤作用,进一步证实了以氮为中心的自由基能诱导细胞死亡(图22)。
2-硝基咪唑部分在临床上可用于缺氧性肿瘤放射诊断,因此设计带有2-硝基咪唑的新型6-O-葡唑霉素生物还原剂(92-94),作为葡萄糖转运蛋白(GLUTs)的底物,可诱导低氧选择性放射增敏。体外实验结果表明,这些葡唑霉素作为放射增敏剂,能竞争性抑制葡萄糖的摄取,其中化合物94对MOO6X、EMT-6和HeLa肿瘤细胞株能产生中等强度的低氧选择性放射增敏作用(图22)。
硝基咪唑作为放射增敏剂提高辐射的响应已经进行了详细的研究。Bonnet等合成了硝基咪唑烷基磺酰胺类,用于缺氧细胞放射增敏剂。2-硝基咪唑磺酰胺类(95-97)对于低氧选择性细胞毒性能增强6 ~ 64倍,研究结果很乐观,所有的类似物在没有毒性的浓度下能使缺氧的HCT-116人结直肠细胞对辐射敏感。该研究还使放射增敏和低氧选择性细胞毒性“混合机制”的应用前景更加乐观(图22)。
Cheng等将低氧激活的硝基咪唑部分引入到喹唑啉骨架中设计EGFR抑制剂。在合成的新型6-(硝基咪唑基-1H-烷氧基)-4-苯胺喹唑啉衍生物中,化合物98活性最强,对EGFR激酶有较强的抑制作用,IC 50为0.47 nM,缺氧条件下对HT-29的细胞杀伤作用IC 50为1.62 μM。如模拟还原活化的研究所示,化合物98能在缺氧条件下还原活化,表明化合物98有望成为一个有潜力的癌症治疗药物(图23)。
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图23. 含硝基的前药
Zhu等设计了2-(4-硝基苯基)丙烷-2-基 6-(3-((二甲基氨基)甲基)苄基)氧)-9H-嘌呤-2-基)氨基甲酸酯(99),一种能抑制O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶的低氧激活前药,结构中带有α,α-二甲基-4-硝基苄氧羰基部分。设计的前药能被EMT-6细胞缺氧选择性转化成活性药物。此外,该前药能使含AGT的DU 145细胞对拉罗莫司汀(Laromutine)的细胞毒性产生低氧致敏,且改善了溶解性(图23)。
Atwell等设计合成了一系列2,4-二硝基苯甲酰胺氮芥(100-102),作为潜在的GDEPT前药。结果表明,其对人WiDr结肠癌、Skov 3卵巢癌、EMT- 6小鼠乳腺癌和V79中国仓鼠成纤维细胞都有细胞毒性,类似物比二氯氮芥的作用更强,NTR选择性更高(图23)。
由于低氧诱导因子(HIFs) 在肿瘤形成过程中起着异二聚体转录因子的作用,因此研究其结构特征,设计小分子与HIF-2αPAS-B结构域的内腔结合来抑制HIF-2α−ARNT的异二聚合作用。SAR研究发现,两个芳香或杂环通过短链连接。结果表明,NO2取代的苯并恶二唑对高亲和力及作用是必需的,化合物103是一种潜在的干扰二取代的类似物,能明显阻断HIF-2α−ARNT异二聚合,IC50为0.1 μM(图24)。
Ambrosio等设计合成了一系列2-取代-5-硝基苯磺酰胺,作为靶向缺氧高表达的肿瘤相关同工酶CA IX/XII的生物还原抑制剂。设计的化合物104是肿瘤相关CA IX和XII的有效抑制剂(对CA IX和XII的Ki分别为7.4 - 653 nM和5.8 - 175 nM)。有些化合物具有较好的选择性,其对肿瘤相关同工酶的抑制作用要强于对胞浆同工酶(图24)。
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图24. 含硝基的前药
Jiang等报道将-NO2策略性地引入到苄基碳的对位,得到硝基苄基磷酰胺氮芥,能促进还原活化。这些化合物被发现是大肠杆菌硝基还原酶的良好底物,在pH 7.0和37 ℃条件下半衰期为2.9 - 11.9 min。其中,化合物105活性最强,被NTR选择性活化,对NTR表达的V79细胞表现出17万倍的选择性细胞毒性,IC 50为0.4 nM。这些结果表明,化合物105联合大肠杆菌硝基还原酶应用于酶前药治疗会有很好的应用前景(图24)。
在许多肿瘤细胞的低氧区胸腺嘧啶磷酸化酶高表达,因此,Reigan等报道了氨基咪唑甲基脲嘧啶类似物作为胸腺嘧啶磷酸化酶的有效抑制剂,该研究小组还报道了硝基咪唑前药经生物还原转化为氨基类似物。化合物106对大肠杆菌和人TP有显著的抑制作用,IC50为~ 20 nM。化合物106相应的前药107活性要低1000倍以上,通过黄嘌呤氧化酶(XO)介导还原为106。研究结果表明,由于许多肿瘤细胞XO高表达,因此,设计的前药能将有效的2’-氨基咪唑-1’-基TP抑制剂选择性地送到缺氧的实体瘤中(图24)。
Wei等合成了硝基咪唑取代的4-苯胺喹唑啉衍生物,作为表皮生长因子受体(EGFR)/血管内皮生长因子(VEGF)-2抑制剂。其中化合物108在低氧条件下对A549和H446细胞有很强的活性(图25)。
Thomas等连接硝基苯甲氧基氨基甲酸酯合成了组蛋白去乙酰化酶抑制剂CI-994的葡萄糖醛酸前药。假设前药109释放出CI-994,易被β-葡萄糖醛酸酶识别。前药在培养介质中与β-葡萄糖醛酸酶孵育,能有效地释放出原药CI-994,保持了细胞增殖、HDAC抑制和Ecadherin表达诱导的效果。该前药在生理条件下具有良好的溶解性和稳定性,有望用于肿瘤的靶向治疗(如ADEPT或PMT)(图25)。
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图25. 含硝基的前药
Winn等合成了靶向肿瘤低氧的苯他汀生物还原活化前药结合物(110-113),生物学评价结果表明,在厌氧条件下,在NADPH细胞色素P450氧化还原酶存在下,二甲基硝基噻吩(110)和二甲基硝基呋喃(113)能进行有效的酶裂解。大多数合成的前药(110-113)都不是微管蛋白聚合抑制剂,这是研究的一个理想情况,因为生物还原活化的前药结合物在酶裂解释放苯他汀之前是没有活性的(图25)。
2.2. 含硝基的抗癌药物
本节主要介绍一些不同于缺氧诱导机制而发挥细胞毒性的含硝基抗癌药物,所涉及的药物不是前药,但具有显著的细胞毒性。
用吖啶/吖啶酮衍生物修饰的胞壁酰二肽或去甲胞壁酰二肽类似物具有显著的细胞毒性,Dzierzbicka等报道了在C-末端修饰的两个类似物(114115),体外对人前列腺癌细胞显示出很强的细胞毒性。类似物115对小鼠sc UACC-62黑色素瘤表现出体内活性(图26)。
Cholody等通过不同长度和刚性的连接子将咪唑吖啶酮与多环芳香化合物连接,合成了不对称的双功能抗肿瘤药物。其中活性最强的化合物116(WMC79)对结肠癌(GI50 = 0.5 nM, LC50 = 32 nM)和白血病(GI50 = 3.5 nM, LC50 = 33 nM)有很强的选择性细胞毒性,对HCT-116结肠癌裸鼠移植瘤也表现出显著的体内活性(图26)。
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图26. 含硝基药物
Hariprakasha领导的研究小组对含不同 DNA 结合剂的融合分子进行研究,包括对含有萘酰亚胺咪唑吖啶酮骨架的不对称双功能抗肿瘤药物116(WMC79)的优化。发现化合物117对许多肿瘤细胞都有显著的抑制作用,其活性比116强约30倍(中位LC50 = 0.67 μM, 而116的LC50 =19.9 μM ),能快速诱导凋亡。与116不同,化合物117对p53-阳性和-阴性的肿瘤细胞都有毒性,对无胸腺小鼠的人结肠和胰腺移植瘤具有明显的体内活性,基于此,化合物117已进入临床开发阶段(图26)。
Yao等设计合成了一系列黄酮类化合物,并对其抗乳腺癌细胞进行了评价。一些在黄酮骨架上带有咪唑环的化合物对乳腺癌细胞MDA-MB-231(ER-)和MCF-7(ER+)具有中等的细胞毒性。对含咪唑的化合物进行结构优化,发现化合物118具有显著的细胞毒性(IC50 = 1.0 μM),能选择性地与eEF1A2结合,是具有新作用机制的较好的抗乳腺癌候选药物(图27)。
硫氧还蛋白还原酶是一种重要的人硒蛋白,参与抗氧化防御和DNA的合成,调节细胞生长增殖等多种生物学活性,和人类多种疾病,如肿瘤,自身免疫性疾病等的发生发展有关,是发展细胞抑制剂一个合理的靶点。为克服顺铂的耐药性,Millet等设计了5-硝基-2-呋喃甲酰肼的顺式-二氨基二氯铂配合物。5-硝基-2-呋喃甲酰肼和顺铂是设计靶化合物的关键片段,动力学研究表明这些片段在人酶的两个不同亚位点具有μM结合亲和力。将两个片段连接设计了以硝基呋喃为基础的顺式-二氨基二氯铂配合物(119-122),对人酶有纳摩尔的亲和力,表现出不可逆的抑制作用(图27)。
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图27. 含硝基药物
Malacowska-Ugarte等设计、合成了含吖啶/吖啶酮衍生物的新型霉酚酸(MPA)结合物,MPA与杂环间的连接长度不同,研究发现杂环部分对细胞毒性和抗增殖能力有显著影响。结合物122a-e对被测细胞株显示出比母体MPA更强的细胞毒性。所合成的化合物对小鼠白血病L1210作用最强,IC 50值在0.042 - 0.087 μM范围内。初步研究表明,这些化合物作为IMPDH抑制剂(图28)。
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图28. 含硝基药物
据报道,SERT配体在Burkitt淋巴瘤中能诱导选择性程序性的细胞死亡,McNamara等合成了带有类似于MTA结构的1,3-双(芳基)-2-硝基-1-丙烯衍生物。合成的化合物123对恶性细胞系DG-75、MUTU-I和SHSY-5Y具有显著的抗增殖作用,对BL衍生的细胞株表现出明显的选择性。此外,这些化合物还能引起Burkitt淋巴瘤细胞系的半胱天冬酶活化、PARP断裂、染色质凝聚和膜泡,在体外诱导细胞凋亡。硝基诱导细胞凋亡的作用被不含硝基的活性最强的化合物所证实,该化合物不能诱导细胞凋亡(图28)。
 组织蛋白酶B是一种溶酶体半胱氨酸蛋白酶,其活性失调与癌症相关,Sosic等领导的研究小组设计合成了硝基喹啉衍生物,其中最有效的抑制剂124与母体硝基喹啉相比,能改善catB内肽酶的抑制作用,增强对catB的选择性(图29)。
Csuk等最近报道了一种新型的细胞毒剂β-硝基取代羧酸,其中2-(4-氯苯基)-3-硝基丙酸乙酯125,IC50 = 1.6 μM,对人卵巢癌细胞株(A 2780) 有显著的杀伤作用,提示有必要进行更深入的研究(图29)。
含硝基药物概述  第19张
图29. 含硝基药物
Tan等报道了以8-乙氧基-3-硝基-2H-苯并吡喃为基础的HDAC化合物对K562、A549、MCF-7、PC3和HeLa细胞具有较强的杀伤作用。这些化合物的杀伤作用要强于Entinostat
(MS-275),其中大多数化合物对K562细胞的作用要高于或与SAHA相当。化合物126(IC 50 = 128 nM,HDAC 1)和化合物127(IC 50 = 179 nM,HDAC 1)比SAHA具有更强的HADC 2选择性抑制作用(图29)。
作为潜在的微管蛋白聚合抑制剂,Duan等设计合成了一系列1-吲哚乙酸-5-硝基咪唑衍生物,并进行了评价。作用最强的微管蛋白抑制剂128(IC 50 = 2.4 μM)对肿瘤细胞生长具有显著的抑制作用,其对A549、HeLa和U251的IC 50分别为2.00, 1.05和0.87 μM(图29)。
作为靶向Top1的抗癌药物,Singh等合成了8-,9-, 和10-硝基-5H-2,3-亚甲基二氧-5-(2-N,N-二甲基氨基乙基)二苯并[c,h][1,6]萘啶-6-酮及其氨基衍生物。研究结果比较乐观,8-和9-硝基类似物(129130)显示出比喜树碱更强的TOP 1靶向活性和细胞毒性,构效关系研究证实,硝基在8-位或9-位取代对活性尤为重要(图30)。
Morrel等结合硝基、甲氧基和氢原子合成了茚并异喹啉类似物。研究结果表明,硝基对TOP 1的抑制作用至关重要。化合物131中硝基上富电子的氧原子补充了DNA链碱基对的缺电子外缘,硝基导致茚并异喹啉的芳环缺电子,与DNA碱基对具有良好的静电互补。因此,复合物的稳定性是由π-π堆积作用引起的,这与硝基的位置有关(图30)。
含硝基药物概述  第20张


三、含硝基抗结核药物的研究进展(待续)


——  J. Med. Chem., 2019, 62, 2851-2893


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