马汀胺氨基膦酸酯衍生物的设计、合成及其作为强效MCL-1抑制剂的抗肿瘤活性

《Bioorganic Chemistry》：Design, synthesis, and antitumor activity of matrine aminophosphonate derivatives as potent mcl-1 inhibitors

本研究设计并合成了系列基于马兜铃碱的氨基膦酸衍生物，通过分子对接和机制研究，证实代表性化合物9k能高效诱导宫颈癌细胞凋亡（上调ROS、降解MMP），并在裸鼠移植瘤模型中显著抑制肿瘤生长，为开发新型Mcl-1靶向抗癌药物提供依据。

　　

周晓群|朱明军|江彩娜|马贤丽|李芳瑶

中国广西壮族自治区桂林市桂林医学院药学院，广西药物发现与优化重点实验室、药物分子筛选与成药性评估工程技术研究中心、医学生物技术与转化医学重点实验室，邮编541199

摘要

为了探索更有效且毒性更低的Mcl-1抑制剂，我们设计并合成了一系列新型马钱子碱氨基膦酸酯衍生物，遵循组合与杂化的原理。代表性化合物9k对人类宫颈癌细胞的细胞毒性比阳性对照物5-FU更强。还进行了分子对接研究，以了解9k与Mcl-1蛋白的相互作用。机制研究表明，化合物9k可诱导Hela细胞发生凋亡，同时伴随染色质形态变化、细胞内ROS水平升高以及MMP的释放。值得注意的是，体内实验表明9k在Hela异种移植模型中能够抑制肿瘤生长。总之，本研究表明化合物9k是一种有效的、选择性的Mcl-1抑制剂，可用于治疗人类宫颈癌。

引言

近年来，癌症研究取得了显著进展，但它仍然是对全球人类健康的严重威胁。目前，传统化疗是临床癌症治疗的重要策略。然而，大多数抗肿瘤药物对正常人体细胞的选择性较低，具有较大的毒性和副作用，并且容易产生耐药性[1]。因此，当今肿瘤治疗最重要的研究方向之一是开发具有高度活性和低毒性的靶向抗肿瘤药物[2]。

最近的研究证实，肿瘤的发生是由于正常细胞死亡途径失控导致的细胞无限制增殖。肿瘤细胞的细胞死亡传导途径可以作为研发靶向抗肿瘤药物的新靶点[3–4]。Mcl-1蛋白是Bcl-2家族中重要的抗凋亡蛋白，在多种肿瘤细胞中广泛表达。它抑制凋亡并在细胞死亡过程中起关键调控作用，使其成为靶向抗肿瘤药物的重要靶点[5–10]。

针对Mcl-1的BH3结合位点已成为抑制其活性的有效策略，目前是抗肿瘤药物研究的重点[11–14]。此外，Mcl-1的高表达会诱导细胞对Bcl-2/Bcl-xL抑制剂和其他传统化疗药物的耐药性。因此，开发有效的Mcl-1抑制剂不仅有助于癌症治疗，还有助于克服肿瘤耐药性[15–16]。尽管已经合成了许多Mcl-1抑制剂，但目前市场上尚无针对Mcl-1的临床药物，其治疗开发仍是一个漫长过程[17–21]。

马钱子碱是一种从传统中药中提取的天然产物，具有多种药理活性，包括抗菌、抗病毒、抗炎、杀虫和免疫调节作用[22–26]，其中其抗肿瘤活性尤为值得关注，也是其生物学效应研究的关键领域[27–28]。研究表明，马钱子碱通过抑制癌细胞的生长和增殖、调节与癌细胞相关的蛋白质表达、影响细胞周期以及诱导凋亡来发挥抗肿瘤作用[29–30]。此外，研究人员对马钱子碱进行了改造，大多数衍生物显示出显著的抗肿瘤活性[31–33]。此前，我们以马钱子碱为底物合成了一系列马钱子碱乙酰氨基脲化合物，发现其中的代表性化合物具有良好的抗胃癌活性，这表明马钱子碱是抗肿瘤化合物的天然前体[34]。有趣的是，吡啶甲酸的开环产物与之前报道的Mcl-1抑制剂具有相似的结构骨架[35]（见图1）。因此，可以合理推测吡啶甲酸可以通过合理设计和结构优化成为合成新型高效Mcl-1靶向抑制剂的起点。

氨基膦酸酯作为有机磷化合物的一类，由于其抗菌、抗病毒、抗炎、抗氧化和抗肿瘤特性而受到药物化学家的广泛关注[36–38]。多项研究表明，某些氨基膦酸酯衍生物能够显著抑制人类癌细胞的生长，并调节参与内在和外在途径的酶，从而诱导肿瘤细胞凋亡[39]。近年来，由于氨基膦酸酯与α-氨基酸的结构相似性，它们能够增强与酶或受体结合位点的相互作用，从而提高酶抑制作用或靶点选择性。将氨基膦酸酯结构单元引入现有抗癌药物的分子骨架中，已被证明可以显著提高其体外细胞毒性和抗肿瘤活性[40–41]。

在本文中，我们以马钱子碱为母体骨架，利用拼接原理设计并合成了一系列马钱子碱氨基膦酸酯衍生物。引入氨基膦酸酯结构单元有望提高这些化合物对Mcl-1的选择性和抑制作用。评估了这些化合物对MGC-803（人类胃癌细胞）、Hela（人类宫颈癌细胞）、HepG2（人类肝细胞癌细胞）和LO-2（人类正常肝细胞）的体外细胞增殖抑制活性及潜在作用机制，并对代表性化合物9k进行了体内抗肿瘤活性测试。希望通过这项研究，发现安全、高效、高选择性和耐受性良好的Mcl-1抑制剂，为马钱子碱氨基膦酸酯衍生物在抗肿瘤应用中的研究和应用提供科学基础。

化学部分

化学过程

目标马钱子碱氨基膦酸酯杂化物的合成路线如图1所示。反应从马钱子碱（1）开始，在强碱性条件下发生开环反应生成马钱子碱酸（2）。随后，在三乙胺催化下，分别用

-甲苯磺酰氯、

-三氟甲基苯磺酰氯和-三氟甲基苯磺酰氯与马钱子碱酸反应，生成化合物3–5。

结论

总之，我们成功设计并合成了一系列新型马钱子碱基氨基膦酸酯衍生物，并证明它们可作为有效的Mcl-1抑制剂，在体外和体内模型中表现出强烈的抗宫颈癌活性。其中，代表性化合物9k通过分子对接与Mcl-1蛋白的Arg263、Lys234和His224形成稳定的氢键，并在结合口袋内存在多个疏水相互作用。

化学部分

所有使用的化学试剂和溶剂均为分析级。用于柱层析的硅胶（200–300目）由青岛海洋化学有限公司提供。¹H NMR光谱在Bruker光谱仪上记录，以TMS作为内标，在DMSO-d₆介质中进行。LC-MS光谱在LCMS-8030液相色谱-质谱仪上记录。

作者贡献声明

周晓群：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据整理。朱明军：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据整理。江彩娜：撰写、编辑、监督、资金申请。马贤丽：数据可视化、监督、资金申请。李芳瑶：撰写、编辑、监督、资源协调、项目管理、资金申请。

未引用参考文献

[2], [3], [4], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32560336）、广西科技重大计划（编号：Guike AA24263012）、广西自然科学基金（编号：2023GXNSFAA026277）以及广西药物发现与优化重点实验室项目（桂林医学院，编号：GKLPMDDO-2023-B03）的财政支持。