喜树碱类抗癌药物的研究进展.docx

1、喜树碱类抗癌药物的研究进展南 京 师 范 大 学研 究 生 课 程 学 习 考 试 成 绩 单（试卷封面）院 系化学与材料科学学院专 业分析化学研究生姓名王坤学 号111102026课 程 名 称材料化学授 课 时 间2011学年度 1 学期周学时2学分2简要评语考 核 论 题喜树碱类抗癌药物的研究进展总评成绩（含平时成绩）备注任课教师签名： 批 改 日 期：注：1、以撰写论文为考核形式的，填写此表，综合考试可不填；2、本成绩单由任课教师填写，填好后与作业（试卷）一并送院（系）研究生秘书处；3、学位课总评成绩须以百分制记分。喜树碱类抗癌药物的研究进展王坤（111102026 分析化学 化学与材

2、料科学学院）摘 要：喜树碱类药物是用于临床的拓扑异构酶抑制剂，是继紫杉醇后又一个很有发展前途的抗癌药，已成为目前抗癌药物中研究的热点。20-(S)-喜树碱(CPT) 是一种具有广谱抗癌活性的生物碱，其抗癌活性主要体现在CPT的内酯环能够与DNA拓扑异构酶结合并异化DNA拓扑结构，进而诱导肿瘤细胞的凋亡。然而，喜树碱内酯环在生理环境下极易水解开环形成羧酸盐，导致药物失活；同时喜树碱本身所存在的水溶性差、对正常机体组织毒副作用大等缺点也极大限制了 CPT的临床应用。因此，针对提高CPT稳定性、水溶性及靶向性的改性研究对推广CPT的临床应用具有重要意义。本文主要介绍了最近几年关于喜树碱改性方面的一些

3、工作，包括针对CPT的A、B和内酯E环上活泼氢改性得到的小分子衍生物及前体药物，以及利用共价或非共价键合作用设计合成的聚合物或天然大分子以及胶束等可担载喜树碱的给药系统等关键词：抗肿瘤药物；喜树碱；作用机理；改性 喜树为山茱萸目珙桐科乔木植物，是我国特有的一种高大落叶乔木，广泛分布于长江流域及西南各省区。1966年美国的Monroe E. Wall首次从喜树茎的提取物中分离出喜树碱(camptothecin,CPT)，随后人们研究发现喜树碱对胃肠道肿瘤、膀胱癌、肝癌和白血病等恶性肿瘤9均有一定疗效。但它也产生了一定的副作用包括骨髓抑制、呕吐、腹泻和严重的出血性膀胱炎等，在随后的十多年间相关研究

4、大大减少，临床应用几乎陷入停顿。直到1985年发现喜树碱能阻断拓扑异构酶(Topo)的合成，Topo是一种与细胞分裂密切相关的一种酶，阻断这种酶的产生即可阻止癌细胞的生长，说明喜树碱的作用靶标是Topo而不是拓扑异构酶( Topo)，这正是喜树碱独特的抗癌机制，从而使喜树碱的研究进入了一个全新的阶段。喜树碱衍生物类化合物已成为继紫杉醇16之后另一种天然植物来源的最重要的抗癌药，目前美国、日本、法国、德国、韩国和意大利的喜树碱及其衍生物研究在世界上处于领先地位。本文主要从喜树碱小分子改性衍生物以及大分子共价或非共价键修饰的载药体系两个方面出发，综述了喜树碱功能化改性的研究进展及发展趋势望。1 喜

5、树碱的理化性质1.1喜树碱的分子结构喜树碱的分子式为C2OH16N2O4，分子量348.34，由4个六元环和1个五元环构成，且在E环有1个不对称中心(20S构型) (图1)。化学名为(S)-4, 9-二羟基-4-乙基1H-吡喃-(3,4,6,7)氮茚(1,2b)-喹啉-3,14-(4H,12H)-二酮，属于喹啉类生物碱5。图1 喜树碱的环结构和碳序号1.2 CPT的理化性质 喜树碱为淡黄色针状晶体，熔点高达264267；喜树碱类生物碱不溶于水，难溶于一般溶剂，可溶于氯仿、乙醇、乙酸、乙酸乙酯。喜树碱的化学性质也不同于普通的生物碱,其没有明显的碱性，属于中性的喜树碱1。与一般生物碱试剂无反应，如

6、常用的检测试剂：得拉盖道夫(Dragendorft用碘化铋钾试验生物碱形成特性及加成化合物的结晶)和苯酚(FeCl3)试剂，呈阴性；吲哚分析，负反应；与各种酸不形成结晶盐；也不能用重氮甲烷或二甲基硫酸酯进行甲基化；其内酯环可被氢氧化钠在室温下打开生成盐，酸化后又重新生成喜树碱，溶于硫酸显黄绿色，紫外线下显黄绿色荧光。喜树碱易转化成乙酯或氯代乙酯，氯代乙酯与碘化钠-丙酮反应形成碘代乙酯7。2 喜树碱抗癌作用机理虽然喜树碱存在着诸多不利于临床推广使用的缺点，然而20世纪80年代， 喜树碱独特的抗癌机理：与DNA 的拓扑异构酶作用，影响DNA的复制和RNA 的转录过程的发现使其再度被认为是一类具有良

7、好应用前景的抗癌药物而得到广泛研究。DNA拓扑异构酶存在于细胞核中，可与DNA主链上的磷酸二酯基团共价结合形成可瞬间断裂的二元复合物，连接键的断裂将超螺旋DNA结构中的扭力释放出来，进而形成具有正常拓扑结构的DNA链。根据拓扑异构酶是与单链还是双链DNA作用将其分为top型和top型。目前发现的抗癌药物主要都是与型DNA拓扑异构酶作用，而喜树碱则是唯一一种得到广泛研究的型DNA拓扑异构酶抑制剂2-4。在DNA的复制和RNA的转录过程中，型拓扑异构酶的酪氨酸羟基与单链DNA上的3-磷酸盐反应，进而形成可分裂的二元复合物。正常情况下，该连接键会瞬间断裂，从而完成DNA的复制或RNA的转录。但是，当

8、喜树碱等top抑制剂存在时，会与DNA-top二元复合物非共价结合，形成CPT-top-DNA三元复合物，长时间作用会使细胞复制过程出现致命的此类三元复合物，结果导致细胞凋亡。由于CPT抗癌机理的独特性以及作用过程中不需要能量辅助因子ATP或NAD等，其应用前景被广泛看好。然而，早期的CPT衍生物，如10-羟基-喜树碱，在体外实验中表现出良好的活性，临床效果却较差。后期改性的衍生物如托普替康等对结肠癌等表现出较好的体内抑制活性但对脑癌等效果也较差CPT与拓扑异构酶的作用过程如图2所示13,14。图2 喜树碱抗癌作用机理示意图3 喜树碱改性喜树碱改性过程中，必须保持内酯E环的完整性和CPT的(S

9、)-型手性构型。其中，喜树碱小分子衍生物和大分子给药体系是两种既能保持CPT抗癌活性又能增加水溶性、稳定性，降低毒副作用的改性方法。3.1 喜树碱小分子衍生物3.1.1喜树碱A、B、E环的改性20世纪80年代，随着喜树碱的独特抗癌机理被发现，研究主要集中在对喜树碱活性位点的化学改性上。研究发现，喜树碱A环上的912号位氢以及B环上的7号位氢相对较为活泼，在有效催化剂作用下，通过硝化、氧化、取代、酯化反应等可合成较为活泼的喜树碱衍生物。特殊基团的引入不仅可有效改变CPT 的溶解性，增加稳定性，还可以在此基础上进行更多的改性除此之外，桥接键、扩环反应等也常用于喜树碱改性中6。与A 、B环相比，喜树

10、碱的CD环较稳定，因而相关改性研究尚未见报道E环的完整性和稳定性是喜树碱发挥抗癌活性的关键因素，但对E环氢的改性较难协调好内酯环稳定性和抗癌活性之间的关系。随后发现20位羟基的酯化反应不仅能提高喜树碱的溶解性和抗癌活性，同时内酯环稳定性也得到极大改善9号位被三级胺取代的托普替康(topotecan)以及7号位和10号位分别被乙基及二哌啶氨基甲酸酯取代的依立替康( irinotecan)是喜树碱小分子衍生物中的成功代表。表1总结了喜树碱A、B、E环小分子衍生物的结构特点及优缺点和应用8。近几年关于喜树碱小分子改性方面的研究热情与20多年前相比已有所减少，目前更多的研究集中在对已有的小分子衍生物的

11、临床疗效的测评和治疗方式的优化上。表1 喜树碱A/B/E环活泼氢改性衍生物的优缺点及其应用结构特点优点缺点应用10-OH-CPT十号位氢被羟基取代系统毒性特别是肠胃毒性低溶解性不足水解严重托普替康 九号位氢被三级胺取代溶解性好，给药方式可多样，毒副作用较低晚期卵巢癌、小细胞型肺癌依立替康7号位氢被乙基取代，10号位氢被二哌啶氨基甲酸酯取代前药释药机理， 毒性低，抗癌活性高酶催化转化效率高低不均，类胆碱痢疾频发，易生成SN-38G(糖苷化)，毒性大， 易使细胞产生抗药性肺癌、脾癌、胰腺癌等消化系统癌症9-AC9号位氢被氨基取代 细胞内外抗癌活性高毒副作用大放疗敏化剂9-NC9号位氢被硝基取代抗癌

12、活性较好溶解性低，稳定性低， 毒副作用大放疗敏化剂Lurtotecan7号位氢被甲基哌嗪取代，二亚甲基氧桥接10/11号位水溶性好毒副作用小抗癌活性低10,11-methylenedioxy camptothecin亚甲二氧基桥接10,11号位肠胃毒性低半衰期降低、AUC降低酯化后前药体系抗癌效果好Morpholinocamptothecin9,10号位被吗 啉环桥接保持TOP毒 性的同时，溶解性增大Exatecan7,9号位被含氨基的六元环桥接，10、11号位被甲基和F取代内酯环稳定性高，水溶性高I、II期临床实验数 据不理想非小细胞肺癌/卵巢癌/子宫内膜癌/肝癌/胸腺癌/小细胞膀胱癌Bel

13、otecan7号位被N-异丙氨基乙基取代水溶性好，抗癌活性高，毒副作用较小小细胞肺癌，卵巢癌，胃癌Silatecan7号位被有机硅烷取代可穿越血脑屏障，口服给药半衰期较短Diflomotecan六元内酯环变为七元内酯环内酯环稳定性好病人反应参差不齐3.1.2 喜树碱的前体药物 小分子前药(prodrug)是一类不同于大分子载药体系的药物改性方式，它一般需要利用人体自身对该前药的某些特殊官能团的刺激响应机制，使小分子前药体系在达到靶向部位之后才将药物释放而小分子则被机体吸收降解。与未改性药物相比，小分子前药不仅降低了药物对正常细胞的毒副作用。增加药物的稳定性和水溶性，同时机体自身代谢使药物释放行

14、为更理想。前药体系的刺激响应机制多种多样，如酶催化型、氧化还原敏感型、pH敏感型等。已经获得临床应用的依立替康即是一种喜树碱小分子衍生前药体系的成功例子，它利用肿瘤细胞的羧酸酯酶2(hCE-2)含量高于正常细胞这一特点，使前药在hCE-2和肝微粒体(human hepatic microsomes)作用下代谢为7-乙基-10-羟基-喜树碱而发挥药效。肽酶对肽键的敏感释放也是一种常见的前药设计机制。如Henne等设计的叶酸介导的靶向及SS还原敏感型可控释放的喜树碱前药体系， 也是利用肿瘤细胞内叶酸和谷胱甘肽的过度表达，达到靶向和可控释放的双重功效。然而由于病人之间的个体差异，使人体内的酶含量也不

15、尽相同，导致病人对酶敏感型前药的反应也参差不齐，对此Ohwada等研究了一种水溶性的pH敏感型前药体系，可获得较为单一的生物学数据，目前正在进行I期临床试验Endo等也设计了一种pH敏感的的前药体系，有望实现临床应用10。3.2 喜树碱的控制释放体系随着纳米科技的蓬勃发展，纳米材料的小尺寸效应使其穿越人体天然屏障而进入细胞成为可能通过共价或非共价键作用将CPT与这些纳米尺寸的功能性大分子相连，形成纳米载药体系是喜树碱改性的另一重要途径。纳米载药体系一方面可以提高药物稳定性和溶解性及生物利用率，另一方面还可以利用肿瘤细胞对大分子良好的通透效应和对某些修饰基团的靶向选择性，使复合体系进入细胞膜杀死癌细胞。常用到的大分子载药体系主要包括聚合物纳米颗粒、聚合物胶束、水凝胶、微乳液等。3.2.1喜树碱的纳米微球制剂 用于运载喜树碱的大分子纳米颗粒主要是聚合物，因为聚合物纳米颗粒尺寸可控，结构可自行设计，同时链段上活性位点较多，可进行多样化改性，被广泛用于制备CPT载药系统