多胺結構在藥物研究中的應用

劉 慧 王子昱 梁承遠 姚其正*

（中國藥科大學藥學院，江蘇 南京，210009）

多胺結構在藥物研究中的應用

劉 慧 王子昱 梁承遠 姚其正*

（中國藥科大學藥學院，江蘇 南京，210009）

多胺是生物體內重要的生物小分子，在正常的生理過程和各種病理過程中均起著重要的作用。設計與合成帶有多胺結構的藥物，即多胺類似物或多胺綴合物，既可以利用細胞上的多胺轉運系統(tǒng)，提高藥物分子的選擇性，也可利用多胺特有的正電荷分散分布的結構，作用于體內多個靶點，提高藥物分子的親和性和作用效力。本文著重綜述了多胺結構在設計抗腫瘤藥物、治療阿爾茨海默癥藥物等方面應用的研究進展。

多胺；高選擇性；多靶點；腫瘤治療；AD治療

1 概 述

多胺是一類在體內細胞中含量豐富的生物小分子，包括腐胺（putrescine，即丁二胺），精胺（spermidine）和精脒（spermine）三種。腐胺由精氨酸轉化為鳥氨酸，而后經(jīng)鳥氨酸脫羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）催化脫羧而成；腐胺在精胺合成酶和精脒合成酶的作用下，從S-腺苷甲硫基丙胺獲得氨基丙基先后生成精胺和精脒[1]。在這個過程中，鳥氨酸脫羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）和S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶（S-Adenosylmethionine decarboxylase，S-AdeMetDC）是限速酶多胺的分解代謝過程主要受精胺/精脒-乙酰基轉移酶（spermidine/spermine N1-acetyltransferase，SSAT）和多胺氧化酶（polyamine oxidase，PAO）的調節(jié)。當細胞內多胺過多時，SSAT將多胺轉化為乙酰多胺轉運出細胞。當缺乏多胺時，PAO可將乙酰化的多胺氧化，反向生成腐胺，再循環(huán)進入細胞重新利用[2]。

2 多胺結構具有高選擇性和多靶點特性

已有的作用于單一靶點的藥物對于大部分致病因素復雜的疾病，比如阿爾茨海默癥、癌癥等，治療效果不理想。解決這一問題，常用3個方法：①多藥聯(lián)合治療；②孿藥的方法；③單一化合物分子作用于某一疾病的不同靶點。多胺結構在藥物設計中的應用主要基于后兩種方法，將多胺結構作為先導化合物分子中的一個必要結構，使之對多個有效靶點具有選擇性和親和性[3,4]。

2.1 多胺結構表現(xiàn)的多靶點特性

多胺結構能夠與多個靶點結合主要因為多胺結構獨特的電荷分布特性。在生理pH條件下，多胺的每一個氮原子上都攜帶有一個正電荷，這些帶正電荷氮原子可以與體內帶負電荷離子的生物大分子，如DNA，RNA和神經(jīng)遞質等，以靜電作用相結合[5]。不僅如此，多胺結構中的正電荷是分布于整條碳鏈的，能夠跨越臨界距離與帶有大量負電荷的生物受體大分子相結合。基于受體的同源性，帶有多胺結構的先導化合物能夠識別多個受體。因為受體基本是折疊的多肽鏈，盡管氨基酸序列不同，但是形成蛋白質骨架后，均有包含羧基或芳香殘基的側鏈在骨架外側。這些帶負電荷的側鏈可以通過正負離子、或正離子和π體系的相互作用而與帶正電荷的多胺結構相結合。因此，多胺結構是一種關鍵的骨架結構，其中氮原子的數(shù)目能決定先導化合物分子的選擇性和親和性[3]。

2.2 多胺結構表現(xiàn)的高選擇性特性

多胺結構表現(xiàn)出的高選擇性主要依靠多胺轉運系統(tǒng)對多胺結構的識別能力。多胺轉運系統(tǒng)是存在于細胞內的從外界攝取多胺的一個轉運系統(tǒng)[6]。盡管目前還沒有明確的多胺轉運系統(tǒng)的基因序列和具體結構，但是，已經(jīng)明確不同種類的細胞有不同的多胺轉運系統(tǒng)。對哺乳動物細胞的研究提出了兩種多胺轉運系統(tǒng)可能的轉運機制，一是受體介導的細胞內吞作用，二是經(jīng)由細胞膜上的載體運輸，該載體由ATP酶形成的膜兩邊的電位差驅動[5,6]。利用多胺轉運系統(tǒng)提高藥物分子的選擇性，主要是因為：第一，多胺轉運系統(tǒng)具有泛宿主性，能夠轉運各種不同的多胺及多胺類似物；第二，與正常細胞相比，變異細胞能夠加速對外界多胺的攝取，且變異細胞對多胺結構的親和性比正常細胞高10～200倍[6]。

3 多胺結構在抗腫瘤藥物研究中的應用

癌癥與多種因素有關，針對單一靶點的藥物治療效果不理想以及化療過程中產(chǎn)生的毒副作用是困擾已久的問題。多胺在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中有著重要的作用，抑制多胺水平能夠抑制細胞增殖，抑制控制腫瘤擴散和轉移的基因的表達。然而，單純控制細胞內多胺的合成不能達到理想的效果，因為細胞的代償機制會維持胞內的多胺在一個相對恒定的水平上[6]。而快速生長的腫瘤細胞通常具有更加活躍的多胺轉運系統(tǒng)，能夠向細胞內轉運更多的多胺及多胺類似物。此外，腫瘤細胞的快速生長使得細胞內多胺耗竭，加速腫瘤細胞對外界多胺或多胺類似物的攝取[5]。因此，設計多胺類似物或多胺綴合物能很好地識別癌細胞，并作用于多個靶點抑制癌細胞的增殖。

多胺類似物由天然多胺衍生而來。多胺類似物能夠通過天然多胺系統(tǒng)存在的反饋機制，調節(jié)多胺的合成。當細胞攝入多胺類似物后，多胺合成過程中的關鍵酶ODC和S-AdeMetDC活性下調，多胺合成減慢，而攝入的多胺類似物并不能發(fā)揮與天然多胺在細胞增殖過程中的相同作用，從而起到抑制腫瘤細胞增殖的作用。目前已有的多胺類似物可以分為：對稱的末端烷基多胺，構型限制的對稱多胺，不對稱的末端烷基多胺以及對稱取代的寡多胺和大環(huán)多胺等（圖1）。化合物1是對稱末端烷基化多胺類似物，作用靶點是SSAT，線粒體和DNA的合成，其IC50值為0.2～1.0μmol/L。化合物5是不對稱的末端烷基化多胺類似物，它的具體作用靶點尚未明確，IC50值為0.7μmol/L。這類末端烷基化多胺類似物的初步構效關系研究表明，多胺骨架末端N原子上的單烷基化能夠提高分子的抗腫瘤活性，多胺骨架中間N原子上的烷基化會降低分子的抗腫瘤活性；末端N原子上取代烷基大于乙基，會使化合物抗腫瘤活性大幅下降；精胺類似物的活性優(yōu)于精脒類似物的活性。化合物4是大環(huán)多胺類似物的代表化合物，這類多胺類似物的作用機制是它們能夠耗竭細胞內的ATP，從而具有細胞毒性，化合物4的IC50為0.68～0.8μmol/L[7]。

圖1 多胺類似物的各類代表化合物

多胺綴合物是在已知療效藥物的基礎上，通過綴合多胺結構，利用多胺轉運系統(tǒng)提高其對腫瘤細胞的選擇性，并且利用多胺帶有一定距離間隔的正電荷，與DNA很好的結合以提高其對DNA的靶向性[6]。對一系列蒽-多胺綴合物的研究，初步證實多胺結構是分子被多胺轉運系統(tǒng)識別的關鍵。如果化合物分子對細胞的選擇性由多胺部分決定，那么蒽-多胺綴合物對CHO細胞有毒性，而對CHO-MG細胞沒有毒性。簡言之，蒽-多胺綴合物對兩個細胞株的選擇性可以用IC50的比值（CHO-MG/CHO）來衡量，這個比值越高，說明選擇性越好。對照物6沒有綴合多胺結構，其IC50的比值為1，對兩種細胞株的選擇性上沒有差異。而綴合了多胺結構的化合物7系列，其IC50的比值分別為148（7a），24（7b），38（7c），對兩種細胞株的選擇性均有顯著差異。對照物6和化合物7a對腫瘤肝細胞（B16）和正常肝細胞（Mel-A）的毒性和選擇性也有顯著差異。實驗結果表明，72h后，7a對腫瘤細胞B16的毒性比對正常細胞Mel-A的毒性高10倍，說明7a對腫瘤細胞有較高的選擇性；6與7a分別作用于腫瘤細胞B16，72h之后，IC50的比值（1/7a）為33，而6與7a分別作用于正常細胞Mel-A，72h后，IC50的比值（1/7a）為2.3。這一結果表明，多胺結構是使化合物對腫瘤細胞的選擇性增加的關鍵因素[8]。根據(jù)蒽-多胺綴合物的研究結果展開對萘二甲酰亞胺-多胺綴合物的研究。萘二甲酰亞胺及其衍生物是一類具有抗腫瘤作用的DNA嵌入劑[9]。已有一些單取代的萘二甲酰亞胺衍生物，如氨萘非特（amona fi de），進入臨床實驗。然而由于副作用大，氨萘非特在三期臨床實驗階段被迫終止使用[9]。將萘二甲酰亞胺與不同長度的多胺骨架連接得到一系列萘二甲酰亞胺-多胺綴合物，對肝癌細胞BEL-7402有極好的選擇性（對BEL-7402的IC50值為1.06μmol/L，對正常肝細胞QSG-7701的IC50值大于50μmol/L）[9]。萘二甲酰亞胺-精脒綴合物（MNISpd）（圖2）能夠誘導HeLa細胞的程序性凋亡。相較于萘二甲酰亞胺本身僅作用于DNA，該綴合物能夠作用于細胞凋亡過程中的多個靶點。在HeLa細胞中加入MNISpd后，天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（caspase）——caspase3和caspase9活性上調，程序凋亡誘導因子（AIF）易位，Bax蛋白表達上調，Bcl-2蛋白表達下調。細胞內的GSH耗竭，ROS（Reactive Oxygen Species）水平上升[10]。此外，MNISpd增加p21的表達，減少Cdc2的表達，誘使HeLa細胞停滯在S期[11]。

圖2 MNISpd的結構

光敏療法是通過誘導產(chǎn)生ROS達到損傷癌細胞的效果。然而，光敏劑對癌細胞的選擇性一直不高。將光敏劑，如酞菁與多胺結構連接（圖3），利用多胺作為載體，能夠有效提高此類治療癌癥的光敏劑的選擇性。研究表明，綴合了多胺部分的酞菁具有顯著的pH依賴特性及腫瘤選擇性。在生理條件下，酞菁—多胺綴合物的多胺部分質子化，增加了該綴合物的親水性，降低了酞菁的聚合傾向，這樣的變化增強了細胞對這種染料的攝取，使之有更高的光動力學活性。圖3中的酞菁—多胺綴合物，尤其是化合物2和3，對結腸癌HT29細胞有顯著的抑制作用，其IC50值低至1nmol/L。在顯微鏡下，化合物2和5表現(xiàn)出對結腸癌HT29細胞溶酶體高度的選擇性，誘導細胞凋亡。此外，在體內實驗中，這些新的酞菁—多胺綴合物也能夠有效地抑制腫瘤的生長[12]。

圖3 酞菁—多胺綴合物

4 多胺結構在治療阿爾茨海默癥的藥物研究中的應用

阿爾茨海默癥（Alzheimer’s disease，AD）是一個多致病因素引起的疾病，它與基因，環(huán)境以及內在因素包括錯誤的蛋白折疊和聚合，氧化應激，自由基形成和線粒體異常等等原因有關。目前，對于AD主要是通過乙酰膽堿酶抑制劑和非競爭性的N-甲基-D-天冬氨酸受體拮抗劑進行治療。然而，這兩種策略都僅僅只作用于AD眾多致病因素中的一個，均不能逆轉或終止AD的病理過程。一個新的應用多胺結構的化合物Memoquin（圖4）可以針對AD病理過程中的多個靶點進行治療，包括NQO1（NAD（P）H/quinine oxidoreductase 1），AChE，β-淀粉狀蛋白，Tau蛋白等。首先，由于多胺結構的存在，Memoquin同時作用于AchE受體和M2受體，提高腦內Ach的濃度，改善膽堿能傳輸，提高AD患者的認知能力。其次，將苯醌結構與多胺綴合，苯醌具有自由基清除的能力，能作用于NQO1，其與多胺結構抑制AchE受體的作用相協(xié)同，能夠有效保護海馬組織免受Aβ蛋白產(chǎn)生的神經(jīng)毒性的影響。與已經(jīng)上市的治療AD的藥品多奈哌齊相比，Memoquin對AChE的抑制作用有顯著提高。Memoquin對AChE作用的IC50值為1.55nmol/L，而多奈哌齊的IC50值為23.1nmol/L。不僅如此，Memoquin相較于多奈哌齊是乙酰膽堿酯酶更好的競爭性抑制劑。Memoquin的Ki值為2.60nmol/L，而多奈哌齊的Ki值為20.5nmol/L。與多奈哌齊對AChE誘導的Aβ蛋白聚合沒有明顯的作用（IC50＞＞100μmol/L）相比，Memoquin能夠有效抑制AChE誘導的Aβ蛋白聚合（IC50=28.3μmol/L）。此外，Memoquin還有顯著的抑制Aβ蛋白自身聚合的能力（IC50=5.93μmol/L）。Memoquin能夠抑制β分泌酶（IC50=108nmol/L），這種β分泌酶能夠分裂淀粉樣前蛋白形成Aβ蛋白。動物實驗的結果表明，Memoquin能防止基底前腦的膽堿缺乏，減少Aβ斑塊。相較于已有的治療AD的藥物加蘭他敏，Memoquin還作用于AD的另一個主要神經(jīng)病理標志——Tau蛋白。在動物實驗中，Memoquin能夠阻止AD小鼠的神經(jīng)細胞內過度磷酸化的Tau蛋白纏結的積累。現(xiàn)有研究表明，Memoquin幾乎能作用于所有表征神經(jīng)退行性病變的靶點[3,4]。

圖4 Memoquin的結構

5 多胺結構在其他疾病治療藥物研究中的應用

多胺結構在神經(jīng)保護性藥物和心血管藥物的研究中也有應用。神經(jīng)及心肌細胞上的離子通道是多胺結構在體內作用的又一類靶點。由多胺介導的離子通道包括內向整流性鉀離子通道，鈣離子激活的鉀離子通道，鈣離子通道，鈉離子通道，瞬時受體電位陽離子通道，谷氨酸受體介導的離子通道等。已有證據(jù)顯示，多胺與這類離子通道的作用，可能影響多種神經(jīng)病變及心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，但是目前研究尚不夠深入，未能明確具體機制。

6 結 語

應用多胺結構的多靶點治療策略對于設計治療成因復雜疾病的有效藥物是一個很有潛力的方法，但是，這種方法目前處于萌芽階段，需要解決的問題還很多。其藥代動力學特性，多胺轉運系統(tǒng)的結構，誘導細胞凋亡通路的機制，具體作用的靶點，明確的構效關系等還需要大量的工作與實驗予以確定。

雖然面臨許多待解決的問題并將會不斷出現(xiàn)新的問題，但是，多胺結構具備的高選擇性和多靶點特性已為藥物分子設計和藥物研究開辟了新的方向，帶來新的期盼。

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Drug Research Based on Polyamine Skeleton Aiming for High Selectivity and Multi-target

LIU Hui WANG Zi-yu, LIANG Cheng-yuan, YAO Qi-zheng
(School of Pharmacy, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China)

Polyamines are important small molecules in living organism.They play important roles in normal physiological process and various pathological processes.Polyamine analogues or polyamine conjugates with polyamine moiety could be delivered into cells by polyamine transport system (PTS), resulting in higher selectivity and binding with multiple targets in vivo, resulting in higher affinity and efficacy.This review focuses on research of compounds containing polyamine structure aiming for high selectivity and multi-target therapy.

Polyamines; High selectivity; Multi-target; Cancer therapy; AD therapy

R914.1

A

1671-8194（2012）15-0089-04

10.15912/j.cnki.gocm.2012.15.1114

*通訊作者