从大杂环化合物的合成谈抗癌化合物的开发

研究论文介绍

在分子结构中具有大环(多员环)的化合物通常称为大环化合物(Macrocycle)。而这种大环化合物在天然产物中也占有重要的地位，很多都具有很好的生物活性(如图1)。

图1：具有生物活性的大环化合物

比如具有大环状内酯结构的一系列化合物被统称为大环内酯，这些化合物都是抗生素的代表物质。因此，大环化合物的合成法也称为了医药品开发中一个重要的环节。全合成天然产物的大家Nicoloau等人，利用以前开发的用于合成大环呋喃β-酮酸酯的手法合成了一系列lead compound衍生物，并且发现有很强的抗癌作用。这一次在这里就主要介绍一下这篇论文。

“Synthesis and Biological Evaluation of Dimeric Furanoid Macroheterocycles: Discovery of New Anticancer Agents”

Nicolaou, K. C.; Nilewski, C.; Hale, C. R. H.; Ahles, C. F.; Chiu, C. A.; Ebner, C.; ElMarrouni, A.; Yang, L.; Stiles, K.; Nagrath, D.J. Am. Chem. Soc.2015,137, 4766. DOI:10.1021/jacs.5b00141

从副反应为契机的发现

2012年，Nicolaou等人通过下图所示的呋喃β-酮酸酯A的甲醇溶液在CAN作用下发生环化反应得到化合物B的同时，意外的发现还能生成大环二量体产物C。[1]

这个反应只是因为反应试剂加入顺序不同得到了环状单体(B)和环状2量体(C)两种不同的产物(图2)。也就是说在CAN的甲醇溶液中加入底物A反应得到的是环状单体 (B)，而在底物A的甲醇溶液中加入CAN的话得到的确实环状2量体(C)。利用这个反应，可以从一个原料得到两种大环化合物，这样就可以简单的合成各种各样的类似衍生物。

图2：大环呋喃β-酮酸酯的合成

大环状杂环化合物的合成及其环的大小对药理活性的影响

然后，利用图2中的方法著者合成了多种大环呋喃β-酮酸酯的环状单体及2量体，并且分别测定了它们的细胞毒性(图3. 本文：Table 1, 3)。

图3：呋喃β-酮酸酯的环状单体以及环状2量体的合成及其细胞毒性评价

从细胞毒性结果来看，直链的呋喃β-酮酸酯1以及环状单体2–4没有显示出具有细胞毒性效果，而它们的环化2量体确具有很好的活性，同时环的大小也直接影响了活性的优异(本文Table 1, 3,5–12)。活性最好的是26员环化合物9以及28员环的化合物10，其他的环不管变大还是变小其细胞毒性都有降低的趋势。最后，化合物9作为先导化合物进行进一步的优化探索。

大环状杂环化合物的合成及药理活性评价ー缩醛部位、架桥部位、酮羰基部位

接着，作者对化合物9的结构与活性相关性进行了一系列探索(图4)。缩醛部位的甲基换成乙基(13,14)的话，活性没有发生大的变化。另外大员环的双键部分换成醚(15,17)或者磺酰基(16,18)的话，活性降低。同时化合物9在NaBH4作用下酮羰基被还原成羟基得到的化合物19的活性也发生了显著的下降。根据以上这些实验结果，作者决定保留这些敏感部位不变。

图4：结构与活性相关性研究

大环状杂环化合物的合成及药理活性评价ー酯基部位

化合物8(n=3, 24员环)及9通过水解得到羧酸20与21，这两者活性都很差，甲酯部分转换成含有氮杂环的芳香环后活性发生了巨大变化(Scheme 2, 3,22–32)。其中导入苯环基团得到的22–24活性较差，而相对的吡啶与嘧啶环的酯基25–29却显示出了很好的活性。对于含有3-吡啶基的衍生物26，syn跟anti体由于可以分离，两者的活性因此也做了一个对比，对比发现syn体的活性比anti体要高。而在左右官能团转换后得到的衍生物中，活性最好的是含4-吡啶环的27与5-嘧啶环的29(下图)。

在上面所提到的亚甲基部分转换成醚或者磺酰基后的化合物15–18、酮羰基还原后得到的二羟基化合物19、以及水解后得到的20、21，著者认为它们由于脂溶性低，很难透过细胞膜，所以活性偏低。相对的，含有杂环芳香环酯的化合物25–29，由于杂环芳香环自身具有的碱性与π电子作用、容易形成氢键等优点所以比较容易与受体结合，显示出了很好的活性。环的大小对活性到底有没有效果还并不完全肯定，但是从环状单体的活性普遍比较差这一个结果来看，2量体可能同时能够作用于蛋白质的两个结合部位，所以相对的显示出了很好的活性。

到底是怎样起到抗癌作用的？

这次发现的抗癌药先导化合物9与28，对于对顺铂具有耐受性的癌细胞也显示出的很强的抗癌活性。因此，这两个化合物也被视为可以作为耐药性癌细胞的抗癌药候补化合物。同时作者也尝试去解明其作用机理，他们发现化合物28能够降低癌细胞对体内的氧气利用速度(OCR)。根据这个发现，作者认为该化合物对癌细胞的显示出的细胞毒性源自于妨碍了癌细胞中线粒体的功能而导致的。接着，随着更详细的调查发现，28能导致葡萄糖的吸收以及乳酸的生成的增多。这表明28可以过度激活线粒体的柠檬酸回路从而阻断线粒体的功能起到抗癌作用。同时作者还发现化合物28也可以抑制线粒体一部分DNA的表达。