针对PRDX3的芹菜素衍生物的设计、合成及抗肿瘤活性评估

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Design, Synthesis, and Antitumor Evaluation of Celastrol Derivatives Targeting PRDX3

　　

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  经过两轮结构优化后，木脂醇衍生物10d对H1975细胞的抗增殖活性达到最佳水平，其IC₅₀值为0.64 μM，这一数值显著高于先导化合物木脂醇的IC₅₀值（1.72 ± 0.15 μM）。
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  10d与目标蛋白PRDX3的结合亲和力（Kd = 0.514 μM）约为木脂醇的17倍（Kd = 8.56 μM），这表明它的靶向结合能力有显著提升。
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  体内实验表明，10d在发挥强效抗肿瘤作用的同时，还具有很高的安全性。

引言

活性氧在肿瘤发生过程中具有浓度依赖性的双重调控作用：适度水平的活性氧可促进细胞增殖信号传导，而过量的活性氧则会引发细胞凋亡或坏死，从而抑制肿瘤生长[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。为了在氧化应激环境中生存，癌细胞依靠抗氧化酶系统来精确调节活性氧的平衡状态[6]、[7]。其中，PRDX3是一种关键的过氧化物酶，能够清除大约90%的线粒体活性氧，比如H₂O₂[8]。它的活性位点中的半胱氨酸通过硫醇-二硫化物交换反应将H₂O₂转化为H₂O，同时自身会被氧化。此外，PRDX3还能维持电子传递链I和III的功能完整性，从而减少电子泄漏，从源头上抑制O₂^-和H₂O₂的生成[9]、[10]。它的催化循环依赖于硫氧还蛋白系统来提供还原剂以实现自我再生[11]、[12]、[13]。另外，通过清除活性氧，PRDX3还能抑制NF-κB和NLRP3炎性小体等炎症通路，减少促炎因子的释放，进而间接减轻氧化损伤[14]、[15]、[16]、[17]。因此，PRDX3通过直接清除活性氧、调节电子传递链功能、与硫氧还蛋白系统协同作用以及发挥抗炎效应，多方面维持线粒体的氧化还原平衡。正因为如此，针对PRDX3来打破癌细胞的氧化还原平衡并选择性诱导细胞凋亡，已成为抗癌药物研发中一种极具前景的策略。

目前，PRDX3抑制剂的研究仍处于初期阶段，大多数已报道的分子都来源于天然产物及其衍生物（见图1）。其中，硫代链丝菌素会与PRDX3活性位点上的半胱氨酸残基发生共价结合，提高活性氧水平，进而诱导肿瘤细胞凋亡[18]、[19]、[20]、[21]。该化合物已进入临床试验，用于治疗恶性间皮瘤等疾病。不过，由于其结构复杂且水溶性较差，限制了其静脉给药以及在其他疾病中的应用[22]。此外，由于它对FOXM1和蛋白酶体等多种靶标也具有活性，存在潜在的脱靶风险[23]。基于这些局限性，WF-097和WF-242是从硫代链丝菌素的最低活性片段发展而来的、基于作用机制设计的共价抑制剂[24]。奥拉诺芬则通过依赖于Bax/Bak的机制诱导细胞凋亡，这一过程与PRDX3的氧化状态密切相关[25]、[26]、[27]。目前已知最有效的PRDX3抑制剂是木脂醇，其IC₅₀值为6.67 ± 0.52 μM，它是通过与PRDX3的催化半胱氨酸残基形成共价键来发挥作用的[28]。不过，木脂醇也对PRDX1和PRDX2具有抑制作用，它们的IC₅₀值分别为0.29 ± 0.01 μM和3.79 ± 0.26 μM[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。尽管这些化合物为相关研究提供了宝贵的结构信息，但PRDX家族成员（PRDX1–6）之间的序列同源性和结构相似性较高，给实现对线粒体亚型PRDX3的选择性抑制带来了很大挑战。

值得注意的是，PRDX3定位于线粒体基质中，而PRDX1/2/4/5/6则分布在细胞质基质中[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。这种亚细胞定位的差异为设计PRDX3抑制剂带来了独特挑战：这类化合物必须能够穿过线粒体的双膜，并在线粒体内有效积累。研究表明，呼吸链中的质子泵送作用所产生的线粒体膜电势（内部为负，外部为正）可以促使亲脂性阳离子在线粒体内积累[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。因此，引入阳离子基团已成为实现小分子靶向线粒体的经典策略[47]、[48]、[49]、[50]、[51]。

基于上述设计理念，本研究选择木脂醇作为先导化合物，旨在解决它存在的核心问题——对PRDX1–6各亚型的选择性不足以及较高的脱靶细胞毒性。通过有针对性的结构修饰，在木脂醇中引入阳离子基团，我们开发出了新的候选化合物，这些化合物不仅能在线粒体内有效积累，还能选择性地抑制PRDX3的功能，从而为开发以氧化还原反应为靶点的抗癌药物奠定基础。

章节要点

木脂醇的亲脂性阳离子衍生物的设计

PRDX3在维持细胞氧化还原平衡方面起着关键作用，因此成为抗癌药物研发的重要靶点。木脂醇已被确认为一种PRDX3抑制剂，但由于其亚型选择性差且本身具有较高的毒性，限制了进一步的研究。为了解决这些问题，我们为木脂醇设计了一种基于结构的线粒体靶向策略（见图2A）：利用PRDX3的线粒体定位特性以及相关的实验结果

讨论

在氧化应激环境中，维持适宜水平的活性氧对于肿瘤细胞的存活和恶性增殖至关重要。位于线粒体基质中的PRDX3在清除H₂O₂和维持氧化还原平衡方面发挥着不可替代的作用，因此它是抗癌药物研发中的理想靶点。虽然木脂醇具有PRDX3抑制作用，但其靶标亚型选择性差且毒性较高。在本研究中，我们以木脂醇为先导化合物，开展了一系列研究

化学部分

所有试剂和溶剂均购自上海麦克林生化科技有限公司或其他商业供应商，使用前无需进一步纯化。木脂醇（纯度为95%）同样来自上海麦克林生化科技有限公司。¹H NMR和¹³C NMR谱图是在Bruker 600 MHz核磁共振仪上测得的，以TMS作为内标。高分辨率质谱图则是通过配备ESI离子源的Bruker Maxis II ETD质谱仪获得的。

CRediT作者贡献说明

石静：撰写——审阅与编辑、项目指导、资金获取。刘玉国：撰写——审阅与编辑、项目指导、资金获取。赵宇辰：撰写——初稿撰写、实验研究、数据整理。刘传锋：撰写——审阅与编辑、项目指导、资金获取。董凯丽：实验研究。陈梦菲：实验研究。陈海生：撰写——审阅与编辑、项目指导、资金获取。李秀英：实验研究。徐婷：实验研究。左丽娟：

伦理声明

本研究是按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南开展的。该研究已获得山东第一医科大学附属肿瘤医院伦理委员会的批准。（批准编号：SDTHEC202502153）

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

声明事项

我们，即本文的各位作者，特此声明：我们已经充分理解利益冲突的定义及其可能带来的影响，并且对所有潜在的利益冲突——无论是财务方面的还是非财务方面的，直接的还是间接的——都进行了全面且诚实的评估。据我们所知，此处提供的信息都是准确、完整且真实的。如果出现任何可能影响研究公正性的新情况，我们承诺会立即通知期刊编辑部。

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

我们衷心感谢以下机构提供的财政支持：江苏省自然科学基金（编号：BK20230251）、国家自然科学基金（编号：22507064）以及山东省自然科学基金（编号：ZR2023LZY008、ZR2025LSW009、ZR2024LMB016和ZR2025LMB029），还有山东省中医药科技项目（编号：Z20243904）。

赵宇辰|蔡汉霜|左丽娟|徐婷|陈梦菲|董凯丽|李秀英|陈海生|刘玉国|刘传锋|石静