基于HDAC+的双靶点抗肿瘤药物研究进展.docx

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基于HDAC+的双靶点抗肿瘤药物研究进展

基于HDAC的双靶点抗肿瘤药物研究进展

摘要：

肿瘤的发生和发展涉及多个信号传导通路。

研究表明，多靶点抗癌药物可提高单靶点抗癌药物的治疗效果，并降低耐药性，是抗癌药物研发的重要研究方向。

目前，多靶点抗癌药物的设计是其研发的主要挑战之一。

组蛋白去乙酰化酶（histonedeacetylases，HDACs）与肿瘤的发生密切相关，其抑制剂可以降低肿瘤细胞凋亡的阈值，具有广泛的抗肿瘤活性，并且可与多种抗肿瘤药物联合使用发挥协同作用。

本文主要对基于HDAC抑制剂的双靶点抗癌药物的设计思路和生物活性进行综述。

关键词:

HDAC抑制剂;组蛋白去乙酰化酶;双靶点药物;抗癌药物

Abstract:

Cancerisamulti-geneticdiseasearisingfromtheaccumulationofdifferentgeneticalterationsaffectinggenesthatcontrolcellproliferationand/orapoptosis.Thereisageneralagreementthatmoleculesinterferingsimultaneouslywithmultiplereceptorsmightbemoreeffectiveandlessadaptivetoresistancethansingletargetagents.Thedesignofmulti-targetanti-tumordrugshasbecomeoneofthemajorchallengesintheresearchanddevelopmentofmulti-targetagents.Histonedeacetylases（HDACs）expressionswereassociatedwiththeoccurrenceanddevelopmentofcancer.HDACinhibitorswerepananticanceragents.Theycouldlowertheapoptoticthresholdoftumorcells,andbecombinedwithavarietyofanticanceragentstoexertsynergisticantitumoreffects.Herewemainlyreviewedthedesignofbi-targetagentsthatbasedonthestructureofHDACinhibitorsandtheirbiologicalactivities.

Keywords:

HDACinhibitors;histonedeacetylases; Bi-targetagents; anti-tumordrugs

前言

肿瘤是一类由遗传和/或表观遗传的改变而引起的复杂疾病。

肿瘤的发生和发展依赖于多种受体或信号传导通路，这使得仅作用于某一个靶点的抗肿瘤药物面临以下问题：

1）不能完全杀灭肿瘤细胞；2）易产生耐药性[1]。

目前，多种药物联合应用虽然在一定程度上解决了以上问题，但是多药联合应用容易产生药物-药物之间的相互作用，不良反应难以预测，而且药物亦不能按照单独应用时的剂量来联用。

与联合用药相比，多靶点药物可避免药物-药物之间的相互作用，同时疗效也较单靶点药物明显提高。

多靶点组的选择及先导化合物的设计是多靶点药物发现的重要挑战。

目前，多靶点药物的设计方法包含以下两种：

1）因受体活性位点的结构相似，从而设计一个结构单元使其能够同时作用于这些受体，如多靶点激酶抑制剂；2）药效团拼接法，将两种或两种以上作用于不同通路的药物药效团拼合成一个化合物，使该化合物能对不同通路都起作用。

基于多靶点进行的药物研究开发，已经取得了令人鼓舞的研究结果[2]。

组蛋白去乙酰化酶（Histonedeacetylases，HDACs）与肿瘤的发生密切相关，通过催化组蛋白N-端赖氨酸残基的去乙酰化进而调控基因转录和染色质重组（Chromatinremodeling）［3-5］。

此外HDACs也可以催化非组蛋白去乙酰化，如p21、微管蛋白、HSP90（Heatshockprotein90）等。

抑制HDACs可以诱导肿瘤细胞周期停滞、分化及凋亡。

因此，HDAC抑制剂作为抗肿瘤药已经成为了当前的研究热点。

FDA目前已经批准了vorinostat（SAHA，图1）和romidepsin（FK-228，图1）用于治疗皮肤T淋巴细胞瘤。

随后相继有环肽类（如具有环氧酮基结构trapoxinB，图1）、短链脂肪族类（如valproic，图1）、苯甲酰胺类（如MS-275，图1）等结构的抑制剂被发现。

1999年，Finnin[6]首次报道了HDLP（Histonedeacetylaselikeprotein）与SAHA的共结晶结构，为HDAC抑制剂的合理设计建立了基础。

研究显示，HDAC抑制剂的结构特征（见图1）如下：

1）含有一个锌离子结合基（Zinc-bindinggroup,ZBG），用于与HDAC口袋底部的锌离子螯合；2）含有一个表面识别基团，称为帽状部分（CAP）；3）连接ZBG和CAP的疏水性连接链。

根据ZBG的类型，目前已报道的HDAC抑制剂包括异羟肟酸类（如SAHA）、苯甲酰胺类（如MS-275）、短链脂肪酸类（如正丁酸）以及环肽类（如FK-228）。

HDAC抑制剂具有广泛的抗肿瘤活性，它可降低肿瘤细胞凋亡的阈值［7-9］，从而可与多种抗肿瘤药联合使用发挥协同作用。

本文通过对最近几年HDAC的双靶点抑制剂的综述，提供这一类新药的最新进展。

Figure1ThestructuresofHDACinhibitorsinresearch

1HDAC-微管双靶点抑制剂

微管作为重要的细胞骨架，被认为是肿瘤化疗的一个有效靶点。

研究表明，秋水仙碱具有抑制微管聚合的作用。

把秋水仙碱和HDAC抑制剂联合使用时，两者具有协同作用[10-11]。

因此，Zhang等［12］通过在秋水仙碱分子中引入SAHA的尾部基团作为HDAC抑制剂的锌离子结合区（zinc-bindinggroup，ZBG），合成了一系列新颖的化合物（1，图2）。

通过检测这些化合物在体外对HDAC酶的抑制活性，并观察这些化合物对BEL-7401肝癌细胞周期的变化，分别研究了它们对HDAC和微管聚合的抑制活性。

实验结果表明，这些化合物都表现出对HDAC有温和的抑制作用，1c表现出最好的抑制HDAC1（IC50=0.72μmol·L－1）、HDAC2（IC50=0.83μmol·L－1）、HDAC6（IC50=0.44μmol·L－1）活性。

这提示可以用秋水仙碱替代SAHA的帽子结构。

同时，这些化合物对BEL-7401细胞周期的G2/M期有明显延长作用，表明此类化合物也有抑制微管聚合的作用。

在MTT实验中发现这类化合物对人表皮A431细胞、人肺腺癌A549细胞、结肠癌HCT-116细胞、乳腺癌MCF-7细胞、前列腺癌PC-3细胞都有抑制活性，其中1a的抑制肿瘤细胞增殖活性最好。

Figure2ThestructuresofHDAC-tubulindualinhibitors

2IMPDH-HDAC双靶点抑制剂

次黄嘌呤磷酸盐脱氢酶（IMPDH）抑制剂不仅可以诱发肿瘤细胞分化和凋亡，而且还可以抑

制肿瘤诱导的血管再生[13]。

麦考酚酸（MAP）是IMPDH受体抑制剂，包含一个芳香基团部分和一个长链连接基团，但是缺少锌离子结合基团（ZBG）。

因此，Chen等［14］通过在MAP中引入羟肟酸结构合成了化合物2（图3）。

同样，用IMPDH受体阻滞剂merimepodipye的苯基口恶唑部分替代HDAC的苯环基团，得到了化合物3（图3）

Figure3ThestructuresofIMPDH-HDACdualinhibitors

酶活性实验结果表明，化合物2可以同时抑制IMPDH（Ki=30nmol·L－1）和HDAC（IC50=5μmol·L－1）的活性。

SAHA的类似物3同样可以同时抑制IMPDH（Ki=1.7nmol·L－1）和DAC（IC50=0.06μmol·L－1）的活性。

在抑制白血病K562细胞的增殖实验中，化合物2和3比现有上市药物SAHA和MAP表现出更好的抑制肿瘤细胞增殖活性，化合物2的IC50值为4.8μmol·L－1，3的IC50值为7.7μmol·L－1[15]。

ContinuedFigure3

3TopoⅡ-HDAC双靶点抑制剂

HDAC抑制剂可以使组蛋白呈高乙酰化状态，继而让DNA更易呈染色质形态存在于核小体中;这样可以增强拓扑异构酶Ⅱ（TopoⅡ）抑制剂的活性［16］。

由此可见两者联合利用有一定的增效作用。

N-苄基阿奇霉素（AD-288）是一种高效低毒的TopoⅡ抑制剂。

通过在N-苄基阿奇霉素的苄基对位引入HDAC抑制剂的药效基团，合成了化合物4和5（图4）。

利用从天然型HeLa细胞核中提取的HDAC酶检测以上化合物对HDAC的酶抑制活性，结果发现它们都有抑制活性，有的活性甚至超过了阳性对照药SAHA。

化合物5的n=3时，抑制HDAC1/2（IC50=0.9nmol·L－1）酶的活性是SAHA（IC50=65nmol·L－1）的70倍，可见三唑基团替代酰胺基团可以明显提高对HDAC酶的抑制作用［17］。

通过脱细胞DNA分离试验来检测化合物4、5的TopoⅡ的抑制活性，当化合物5的n=3时具有较其他化合物更好的活性，说明N-苄基阿奇霉素需要连接一个合适的HDAC基团才会有更好的活性。

分子对接研究显示，化合物5在n=1和n=3时，由于碳链的长度不同，致使两者处于不同的口袋中。

n=3具有合适的碳链长度，可以和HDAC受体的Arg270形成氢键并使羟肟酸达到ZBG区，因此具有最佳的活性[18]。

Figure4ThestructuresofTopoⅡ-HDACdualinhibitors

4EGFR/HER2-HDAC双靶点抑制剂

通过把HDAC抑制剂的药效团和表皮生长因子受体（EGFR）、原癌基因人表皮生长因子受

体-2（HER-2）抑制剂erlotinib（FDA批准的一种EGFR/HER2受体抑制剂）结合在同一个药物分子中，，合成了一系列具有EGFR/HER2-HDAC双靶点抑制活性的化合物。

在多种肿瘤细胞的体外抗肿瘤活性筛选中，发现化合物6（图5）比SAHA、erlotinib或SAHA/erlotinib合用具有更强的抑制肿瘤增殖活性。

如对非小细胞肺癌HCC827细胞系抑制活性分别为6:

IC50=0.6μmol·L－1、SAHA:

IC50=1.8μmol·L－1、erlotinib:

IC50=7.5μmol·L－1、SAHA/erlotinib:

IC50=2.3μmol·L－1。

化合物6的体外酶活性分别为HDAC:

IC50=4.4μmol·L－1、EGFR:

IC50=2.4μmol·L－1、HER-2:

IC50=15.7μmol·L－1。

这一结果表明，6作为一个单独的化合物同时抑制了EGFR、HER2、HDAC三个靶点，在肿瘤治疗中具有更好的活性，原因可能与同时涉及多条信号通路和协同作用有关[19]。

Figure5ThestructuresofEGFR/HER2-HDACdualinhibitors

5HMGA-HDAC双靶点抑制剂

最近的研究表明，把抗肿瘤药物和他汀类降脂药联合使用可以降低药物不良反应，增加抗肿

瘤作用［20-21］。

在体外实验中，将HDAC抑制剂和3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGA）

抑制剂联合使用，观察到两者有诱导HeLa细胞凋亡的协同作用。

并且注意到SAHA的脂链和

lovastatin（7，图6）的脂链重叠。

基于以上观点，合成了一系列HMGA-HDAC双靶点抑制剂15～18（图6）。

通过酶活性实验发现，化合物9～12同时具有抑制HMGA（IC50=16.8，3.1，12.3，43.1nmol·L－1）和HDAC（IC50=64.8～600.1nmol·L－1）的活性。

这些化合物可以有效地降低肿瘤细胞的HMGA活性、提高组蛋白的乙酰化、增加微管蛋白含量，但是它们对正常细胞没有细胞毒性[22]。

Figure6ThestructuresofHMGA-HDACdualinhibitors

6PI3K-HDAC双靶点抑制剂

磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）在肿瘤细胞的抑制、生长、繁殖和生存过程中起着重要作用。

通常情况下，PI3K在肿瘤细胞中处于活化状态，通过抑制PI3K活性可以达到抗肿瘤作用[23-24]。

但是PI3K抑制剂受到其他有关细胞生长信号通路作用的限制，抗肿瘤作用并不好[25]。

通过HDAC抑制剂控制组蛋白和非组蛋白的乙酰化水平，联合PI3K抑制剂使用可以达到协同作用［26］。

Qian等［27］设计合成了同时包含PI3K和HDAC抑制剂药效团的化合物13（图7）。

体外酶活性实验结果表明，化合物13（CUDC-907）可以很好地抑制HDAC1/3/10（IC50=1.7、1.8、2.8μmol·L－1）;同时对PI3Kα、PI3Kβ和PI3Kδ抑制作用的IC50物13通过活化ATK，可以有效地抑制肿瘤细胞的增长。

它降低药物耐药性的机制可能是由于同时抑制PI3K和HDAC的活性，广泛地调节其他信号通路的结果。

值为19、54、39nmol·L－1。

化合物13通过活化ATK，可以有效地抑制肿瘤细胞的增长。

它降低药物耐药性的机制可能是由于同时抑制PI3K和HDAC的活性，广泛地调节其他信号通路的结果。

Figure7ThestructuresofPI3K-HDACdualinhibitors

7其他HDAC双靶点抑制剂

关于HDAC双靶点抑制剂的研究还有很多，他们的设计思路均是将HDAC抑制剂和其他靶点抑制剂的药效团结合到一个新分子中。

例如化合物14～16（图8）具有抑制EGFR（IC50=0.90、1.56、5.16μmol·L－1）和HDACs（IC50=1.21、1.09、0.56μmol·L－1）双重活性［28］;TopoⅠ-HDAC双靶点抑制剂17（图8）对HDAC1/6/8的IC50值分别为37,81,1046nmol·L－1［29］;c-Src激酶-HDAC双靶点抑制剂18（图8）的c-Src激酶Ki值为138nmol·L－1，

HDAC1的Ki值为0.26nmol·L－1［30］。

Fischer等［31］把VitaminD受体激动剂和HDAC抑制剂的药效团结合在一起，合成了化合物19～21（图8），同样取得了不错的抗肿瘤效果。

Figure8Thestructuresofotherdualinhibitors

总结

由于肿瘤的发生发展与多种因素有关，未来的化疗药物不仅需要可以作用于多个靶点，而且

要求保持原有的抗肿瘤活性和较低的毒副作用。

多靶点药物具有两大优势。

首先，多靶点药物较联合用药具有更为简单的药动学特性;其次，多靶点药物通过多重抗肿瘤机制，可以克服单靶点药物治疗带来的药物耐受性。

最近的研究表明，HDAC抑制剂和很多抗肿瘤药物联用可以达到协同作用。

由于HDAC抑制剂头部是一个疏水基团，因此利用其他抗肿瘤药物的疏水性药效团替代HDAC抑制剂的头部基团，即可以产生一个双靶点抗肿瘤药物。

文中介绍的HDAC双靶点抑制剂的体外活性实验结果表明，这些HDAC双靶点抑制剂都比现有的单靶点药物或联合用药具有更好的活性。

但是，目前的这些双靶点药物的活性研究仅限于体外实验。

如果要把这些双靶点药物应用到临床，则需要一个更好的体内模型来证明这些双靶点药物更加安全有效。

在未来的研究中，随着更多的肿瘤细胞信号通路的诠释，将会有更多的多靶点抗肿瘤药物被开发。

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