多胺结构在药物研究中的应用

刘 慧 王子昱 梁承远 姚其正*

（中国药科大学药学院，江苏 南京，210009）

多胺结构在药物研究中的应用

刘 慧 王子昱 梁承远 姚其正*

（中国药科大学药学院，江苏 南京，210009）

多胺是生物体内重要的生物小分子，在正常的生理过程和各种病理过程中均起着重要的作用。设计与合成带有多胺结构的药物，即多胺类似物或多胺缀合物，既可以利用细胞上的多胺转运系统，提高药物分子的选择性，也可利用多胺特有的正电荷分散分布的结构，作用于体内多个靶点，提高药物分子的亲和性和作用效力。本文着重综述了多胺结构在设计抗肿瘤药物、治疗阿尔茨海默症药物等方面应用的研究进展。

多胺；高选择性；多靶点；肿瘤治疗；AD治疗

1 概 述

多胺是一类在体内细胞中含量丰富的生物小分子，包括腐胺（putrescine，即丁二胺），精胺（spermidine）和精脒（spermine）三种。腐胺由精氨酸转化为鸟氨酸，而后经鸟氨酸脱羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）催化脱羧而成；腐胺在精胺合成酶和精脒合成酶的作用下，从S-腺苷甲硫基丙胺获得氨基丙基先后生成精胺和精脒[1]。在这个过程中，鸟氨酸脱羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）和S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶（S-Adenosylmethionine decarboxylase，S-AdeMetDC）是限速酶多胺的分解代谢过程主要受精胺/精脒-乙酰基转移酶（spermidine/spermine N1-acetyltransferase，SSAT）和多胺氧化酶（polyamine oxidase，PAO）的调节。当细胞内多胺过多时，SSAT将多胺转化为乙酰多胺转运出细胞。当缺乏多胺时，PAO可将乙酰化的多胺氧化，反向生成腐胺，再循环进入细胞重新利用[2]。

2 多胺结构具有高选择性和多靶点特性

已有的作用于单一靶点的药物对于大部分致病因素复杂的疾病，比如阿尔茨海默症、癌症等，治疗效果不理想。解决这一问题，常用3个方法：①多药联合治疗；②孪药的方法；③单一化合物分子作用于某一疾病的不同靶点。多胺结构在药物设计中的应用主要基于后两种方法，将多胺结构作为先导化合物分子中的一个必要结构，使之对多个有效靶点具有选择性和亲和性[3,4]。

2.1 多胺结构表现的多靶点特性

多胺结构能够与多个靶点结合主要因为多胺结构独特的电荷分布特性。在生理pH条件下，多胺的每一个氮原子上都携带有一个正电荷，这些带正电荷氮原子可以与体内带负电荷离子的生物大分子，如DNA，RNA和神经递质等，以静电作用相结合[5]。不仅如此，多胺结构中的正电荷是分布于整条碳链的，能够跨越临界距离与带有大量负电荷的生物受体大分子相结合。基于受体的同源性，带有多胺结构的先导化合物能够识别多个受体。因为受体基本是折叠的多肽链，尽管氨基酸序列不同，但是形成蛋白质骨架后，均有包含羧基或芳香残基的侧链在骨架外侧。这些带负电荷的侧链可以通过正负离子、或正离子和π体系的相互作用而与带正电荷的多胺结构相结合。因此，多胺结构是一种关键的骨架结构，其中氮原子的数目能决定先导化合物分子的选择性和亲和性[3]。

2.2 多胺结构表现的高选择性特性

多胺结构表现出的高选择性主要依靠多胺转运系统对多胺结构的识别能力。多胺转运系统是存在于细胞内的从外界摄取多胺的一个转运系统[6]。尽管目前还没有明确的多胺转运系统的基因序列和具体结构，但是，已经明确不同种类的细胞有不同的多胺转运系统。对哺乳动物细胞的研究提出了两种多胺转运系统可能的转运机制，一是受体介导的细胞内吞作用，二是经由细胞膜上的载体运输，该载体由ATP酶形成的膜两边的电位差驱动[5,6]。利用多胺转运系统提高药物分子的选择性，主要是因为：第一，多胺转运系统具有泛宿主性，能够转运各种不同的多胺及多胺类似物；第二，与正常细胞相比，变异细胞能够加速对外界多胺的摄取，且变异细胞对多胺结构的亲和性比正常细胞高10～200倍[6]。

3 多胺结构在抗肿瘤药物研究中的应用

癌症与多种因素有关，针对单一靶点的药物治疗效果不理想以及化疗过程中产生的毒副作用是困扰已久的问题。多胺在肿瘤发生发展过程中有着重要的作用，抑制多胺水平能够抑制细胞增殖，抑制控制肿瘤扩散和转移的基因的表达。然而，单纯控制细胞内多胺的合成不能达到理想的效果，因为细胞的代偿机制会维持胞内的多胺在一个相对恒定的水平上[6]。而快速生长的肿瘤细胞通常具有更加活跃的多胺转运系统，能够向细胞内转运更多的多胺及多胺类似物。此外，肿瘤细胞的快速生长使得细胞内多胺耗竭，加速肿瘤细胞对外界多胺或多胺类似物的摄取[5]。因此，设计多胺类似物或多胺缀合物能很好地识别癌细胞，并作用于多个靶点抑制癌细胞的增殖。

多胺类似物由天然多胺衍生而来。多胺类似物能够通过天然多胺系统存在的反馈机制，调节多胺的合成。当细胞摄入多胺类似物后，多胺合成过程中的关键酶ODC和S-AdeMetDC活性下调，多胺合成减慢，而摄入的多胺类似物并不能发挥与天然多胺在细胞增殖过程中的相同作用，从而起到抑制肿瘤细胞增殖的作用。目前已有的多胺类似物可以分为：对称的末端烷基多胺，构型限制的对称多胺，不对称的末端烷基多胺以及对称取代的寡多胺和大环多胺等（图1）。化合物1是对称末端烷基化多胺类似物，作用靶点是SSAT，线粒体和DNA的合成，其IC50值为0.2～1.0μmol/L。化合物5是不对称的末端烷基化多胺类似物，它的具体作用靶点尚未明确，IC50值为0.7μmol/L。这类末端烷基化多胺类似物的初步构效关系研究表明，多胺骨架末端N原子上的单烷基化能够提高分子的抗肿瘤活性，多胺骨架中间N原子上的烷基化会降低分子的抗肿瘤活性；末端N原子上取代烷基大于乙基，会使化合物抗肿瘤活性大幅下降；精胺类似物的活性优于精脒类似物的活性。化合物4是大环多胺类似物的代表化合物，这类多胺类似物的作用机制是它们能够耗竭细胞内的ATP，从而具有细胞毒性，化合物4的IC50为0.68～0.8μmol/L[7]。

图1 多胺类似物的各类代表化合物

多胺缀合物是在已知疗效药物的基础上，通过缀合多胺结构，利用多胺转运系统提高其对肿瘤细胞的选择性，并且利用多胺带有一定距离间隔的正电荷，与DNA很好的结合以提高其对DNA的靶向性[6]。对一系列蒽-多胺缀合物的研究，初步证实多胺结构是分子被多胺转运系统识别的关键。如果化合物分子对细胞的选择性由多胺部分决定，那么蒽-多胺缀合物对CHO细胞有毒性，而对CHO-MG细胞没有毒性。简言之，蒽-多胺缀合物对两个细胞株的选择性可以用IC50的比值（CHO-MG/CHO）来衡量，这个比值越高，说明选择性越好。对照物6没有缀合多胺结构，其IC50的比值为1，对两种细胞株的选择性上没有差异。而缀合了多胺结构的化合物7系列，其IC50的比值分别为148（7a），24（7b），38（7c），对两种细胞株的选择性均有显著差异。对照物6和化合物7a对肿瘤肝细胞（B16）和正常肝细胞（Mel-A）的毒性和选择性也有显著差异。实验结果表明，72h后，7a对肿瘤细胞B16的毒性比对正常细胞Mel-A的毒性高10倍，说明7a对肿瘤细胞有较高的选择性；6与7a分别作用于肿瘤细胞B16，72h之后，IC50的比值（1/7a）为33，而6与7a分别作用于正常细胞Mel-A，72h后，IC50的比值（1/7a）为2.3。这一结果表明，多胺结构是使化合物对肿瘤细胞的选择性增加的关键因素[8]。根据蒽-多胺缀合物的研究结果展开对萘二甲酰亚胺-多胺缀合物的研究。萘二甲酰亚胺及其衍生物是一类具有抗肿瘤作用的DNA嵌入剂[9]。已有一些单取代的萘二甲酰亚胺衍生物，如氨萘非特（amona fi de），进入临床实验。然而由于副作用大，氨萘非特在三期临床实验阶段被迫终止使用[9]。将萘二甲酰亚胺与不同长度的多胺骨架连接得到一系列萘二甲酰亚胺-多胺缀合物，对肝癌细胞BEL-7402有极好的选择性（对BEL-7402的IC50值为1.06μmol/L，对正常肝细胞QSG-7701的IC50值大于50μmol/L）[9]。萘二甲酰亚胺-精脒缀合物（MNISpd）（图2）能够诱导HeLa细胞的程序性凋亡。相较于萘二甲酰亚胺本身仅作用于DNA，该缀合物能够作用于细胞凋亡过程中的多个靶点。在HeLa细胞中加入MNISpd后，天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（caspase）——caspase3和caspase9活性上调，程序凋亡诱导因子（AIF）易位，Bax蛋白表达上调，Bcl-2蛋白表达下调。细胞内的GSH耗竭，ROS（Reactive Oxygen Species）水平上升[10]。此外，MNISpd增加p21的表达，减少Cdc2的表达，诱使HeLa细胞停滞在S期[11]。

图2 MNISpd的结构

光敏疗法是通过诱导产生ROS达到损伤癌细胞的效果。然而，光敏剂对癌细胞的选择性一直不高。将光敏剂，如酞菁与多胺结构连接（图3），利用多胺作为载体，能够有效提高此类治疗癌症的光敏剂的选择性。研究表明，缀合了多胺部分的酞菁具有显著的pH依赖特性及肿瘤选择性。在生理条件下，酞菁—多胺缀合物的多胺部分质子化，增加了该缀合物的亲水性，降低了酞菁的聚合倾向，这样的变化增强了细胞对这种染料的摄取，使之有更高的光动力学活性。图3中的酞菁—多胺缀合物，尤其是化合物2和3，对结肠癌HT29细胞有显著的抑制作用，其IC50值低至1nmol/L。在显微镜下，化合物2和5表现出对结肠癌HT29细胞溶酶体高度的选择性，诱导细胞凋亡。此外，在体内实验中，这些新的酞菁—多胺缀合物也能够有效地抑制肿瘤的生长[12]。

图3 酞菁—多胺缀合物

4 多胺结构在治疗阿尔茨海默症的药物研究中的应用

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）是一个多致病因素引起的疾病，它与基因，环境以及内在因素包括错误的蛋白折叠和聚合，氧化应激，自由基形成和线粒体异常等等原因有关。目前，对于AD主要是通过乙酰胆碱酶抑制剂和非竞争性的N-甲基-D-天冬氨酸受体拮抗剂进行治疗。然而，这两种策略都仅仅只作用于AD众多致病因素中的一个，均不能逆转或终止AD的病理过程。一个新的应用多胺结构的化合物Memoquin（图4）可以针对AD病理过程中的多个靶点进行治疗，包括NQO1（NAD（P）H/quinine oxidoreductase 1），AChE，β-淀粉状蛋白，Tau蛋白等。首先，由于多胺结构的存在，Memoquin同时作用于AchE受体和M2受体，提高脑内Ach的浓度，改善胆碱能传输，提高AD患者的认知能力。其次，将苯醌结构与多胺缀合，苯醌具有自由基清除的能力，能作用于NQO1，其与多胺结构抑制AchE受体的作用相协同，能够有效保护海马组织免受Aβ蛋白产生的神经毒性的影响。与已经上市的治疗AD的药品多奈哌齐相比，Memoquin对AChE的抑制作用有显著提高。Memoquin对AChE作用的IC50值为1.55nmol/L，而多奈哌齐的IC50值为23.1nmol/L。不仅如此，Memoquin相较于多奈哌齐是乙酰胆碱酯酶更好的竞争性抑制剂。Memoquin的Ki值为2.60nmol/L，而多奈哌齐的Ki值为20.5nmol/L。与多奈哌齐对AChE诱导的Aβ蛋白聚合没有明显的作用（IC50＞＞100μmol/L）相比，Memoquin能够有效抑制AChE诱导的Aβ蛋白聚合（IC50=28.3μmol/L）。此外，Memoquin还有显著的抑制Aβ蛋白自身聚合的能力（IC50=5.93μmol/L）。Memoquin能够抑制β分泌酶（IC50=108nmol/L），这种β分泌酶能够分裂淀粉样前蛋白形成Aβ蛋白。动物实验的结果表明，Memoquin能防止基底前脑的胆碱缺乏，减少Aβ斑块。相较于已有的治疗AD的药物加兰他敏，Memoquin还作用于AD的另一个主要神经病理标志——Tau蛋白。在动物实验中，Memoquin能够阻止AD小鼠的神经细胞内过度磷酸化的Tau蛋白缠结的积累。现有研究表明，Memoquin几乎能作用于所有表征神经退行性病变的靶点[3,4]。

图4 Memoquin的结构

5 多胺结构在其他疾病治疗药物研究中的应用

多胺结构在神经保护性药物和心血管药物的研究中也有应用。神经及心肌细胞上的离子通道是多胺结构在体内作用的又一类靶点。由多胺介导的离子通道包括内向整流性钾离子通道，钙离子激活的钾离子通道，钙离子通道，钠离子通道，瞬时受体电位阳离子通道，谷氨酸受体介导的离子通道等。已有证据显示，多胺与这类离子通道的作用，可能影响多种神经病变及心血管疾病的发生、发展过程，但是目前研究尚不够深入，未能明确具体机制。

6 结 语

应用多胺结构的多靶点治疗策略对于设计治疗成因复杂疾病的有效药物是一个很有潜力的方法，但是，这种方法目前处于萌芽阶段，需要解决的问题还很多。其药代动力学特性，多胺转运系统的结构，诱导细胞凋亡通路的机制，具体作用的靶点，明确的构效关系等还需要大量的工作与实验予以确定。

虽然面临许多待解决的问题并将会不断出现新的问题，但是，多胺结构具备的高选择性和多靶点特性已为药物分子设计和药物研究开辟了新的方向，带来新的期盼。

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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

*通讯作者