王天帥，喻俊杰，張 艷,2，曾金金，崔景新

(湖北醫(yī)藥學院 1藥學院;2武當特色研究湖北省重點實驗室，十堰 442000)

鉑族金屬的物理化學性質獨特，目前被廣泛應用于各種高新技術領域并發(fā)揮著不可替代的作用[1]。在過去的40多年中，以抗腫瘤鉑類配合物為代表的金屬抗腫瘤藥物，已成為臨床上治療惡性腫瘤的一線藥物。第一個上市的鉑類藥物是順鉑，其后上市的鉑類藥物均與順鉑具有相似的順式平面結構，稱為經(jīng)典順鉑類抗腫瘤藥物。經(jīng)典順鉑類抗腫瘤藥物由于其優(yōu)良的抗腫瘤效果、獨特的抗腫瘤作用機制和抗腫瘤譜廣等特點被廣泛的應用于各種腫瘤的化療或者聯(lián)合化療方案中。雖然經(jīng)典順鉑類抗腫瘤藥物具有顯著的臨床療效，但也存在著一定的局限性，如：劑量限制局限性、無靶向性、嚴重的系統(tǒng)不良反應、耐藥性或交叉耐藥性等[2-3]，這些局限性嚴重限制了此類藥物在臨床上的應用。為了克服經(jīng)典順鉑類藥物的臨床缺陷，國內(nèi)外學者在已上市鉑類抗腫瘤藥物結構的基礎上合成了大量的新型鉑類配合物，以期獲得更高生物活性、較低毒性以及克服耐藥性或者交叉耐藥性的抗腫瘤鉑類藥物，在已報道的多種非經(jīng)典抗腫瘤鉑類配合物中，含DNA嵌入基團的鉑類配合物由于其雙重DNA識別結合模式在提高抗腫瘤療效和克服經(jīng)典鉑類藥物缺陷方面具有獨到優(yōu)勢而備受關注。

1 含DNA嵌入基團鉑類配合物的抗腫瘤作用機制

DNA是生物體遺傳信息的攜帶者，其不僅是生物體生命活動的基礎，而且與生物體的遺傳疾病、病毒感染以及腫瘤等密切相關。經(jīng)典順鉑類抗腫瘤藥物的主要作用靶點就是DNA，目前普遍認可的鉑類藥物抗腫瘤作用機制主要是通過與DNA結合形成螯合物，限制DNA的解旋從而影響DNA復制，導致腫瘤細胞凋亡。雖然經(jīng)典順鉑類藥物與非鉑類抗腫瘤藥物一樣，抑制腫瘤細胞DNA的復制是非特異性的，但是由于腫瘤細胞增殖速度比正常細胞快且其高通透性和滯留效應促進了鉑類藥物在腫瘤組織的選擇性分布，另一方面快速增殖的腫瘤細胞應對受損DNA的修復功能不完善，因此，腫瘤細胞對鉑類藥物的細胞毒作用較正常細胞更敏感，鉑類抗腫瘤藥物顯示出對腫瘤細胞良好的治療效果[4]。鉑類化療藥物在體內(nèi)發(fā)揮其抗腫瘤作用的機制主要經(jīng)歷以下5個過程:(1)藥物注射進入體內(nèi)后通過跨膜運轉進入細胞；(2)在細胞內(nèi)發(fā)生離解、水合反應生成水合陽離子；(3)帶正電荷的水合離子在DNA靜電引力作用下向靶DNA遷移；(4)到達細胞核與DNA結合形成螯合物，抑制DNA復制轉錄；(5)細胞壞死或凋亡[5]。

Figure1 Mechanism of classical cisplatin-based antitumour drugs

DNA嵌入劑是一類以DNA為靶向的芳香族小分子化合物，其結構大小與DNA溝槽或堿基對之間空間相符，并能通過靜電作用、氫鍵等作用力與DNA形成復合物。以DNA為靶點的藥物發(fā)揮藥效作用的實質是藥物分子與DNA相互作用,如鉑類藥物可與DNA通過共價結合形成螯合物發(fā)揮藥效作用。除通過共價作用與DNA結合外還可通過外部靜電結合、溝槽結合和嵌入結合等非共價形式相互作用[6]。溝槽結合模式不同于嵌插結合，DNA雙螺旋結構有兩個大小不同的溝槽，根據(jù)溝槽的尺寸大小可將其區(qū)分為大溝槽和小溝槽。DNA結構的兩個溝槽都是藥物分子可能的作用位點，與大溝槽結合還是小溝槽結合取決于化合物的結構大小，再根據(jù)配體對核苷酸的親和度選擇AT富集區(qū)或者GC富集區(qū)。溝槽結合配體一般是由帶有合適柔性鏈的兩個及兩個以上芳香環(huán)構成，并且其構象呈現(xiàn)月牙形才有可能與DNA雙螺旋結構的溝槽完美結合。此外，配體的功能基團通過氫鍵與溝槽底部的堿基相互作用或者直接與堿基配合[7]。嵌插結合模式最早由Lemrna在20世紀60年代提出[8]。嵌插結合是小分子化合物與DNA作用的重要形式，在DNA雙螺旋結構中，堿基對是平行排布的，所以只有平面的芳香分子才能夠嵌入到兩個堿基對之間，嵌入劑以芳香環(huán)的離域π體系與堿基π體系之間的π-π共軛、偶極-偶極相互作用及疏水作用和范德華力等作用形式，與堿基形成有序堆積，從而識別核苷酸序列[9]。嵌插結合有兩種不同的方式，一種是通過破壞堿基對之間的氫鍵和極性，嵌入基團的兩端與堿基對作用，另一種是直接嵌入平行的堿基對之間，不破壞堿基對之間的氫鍵和極性。DNA與小分子嵌入劑結合引起DNA雙螺旋結構改變，DNA構象的變化導致其正常生理功能受到影響，如不能與RNA聚合酶或拓撲異構酶結合，轉錄或復制受阻等[10]。含DNA嵌入劑的鉑類配合物不僅表現(xiàn)出嵌入劑和鉑類藥物的雙重靶向抗腫瘤作用機制優(yōu)勢，一些配合物還表現(xiàn)出對細胞內(nèi)非DNA靶點作用導致細胞凋亡的作用機制類型。

2 含DNA嵌入基團的鉑類配合物的研究進展

DNA嵌入劑為鉑類抗腫瘤藥物靶向作用于腫瘤細胞提供了基礎，其雙重DNA結合模式，為得到治療效果明顯、不良反應小和耐藥程度低的新型鉑類抗腫瘤藥物提供了研究方向。總結近幾年關于含DNA嵌入劑的抗腫瘤鉑類配合物的研究報道，可將此類藥物按照所含DNA嵌入劑不同分為6大類：吖啶類、喹啉類、吲哚類、萘酰亞胺類、蒽醌類和其他類。

2.1 含吖啶類DNA嵌入劑的鉑類配合物

吖啶類化合物屬于經(jīng)典的DNA嵌入劑，其結構中的剛性平面大環(huán)共軛體系決定了該化合物具有特殊的雜環(huán)化學性質，在醫(yī)學診療領域被廣泛應用。安吖啶、吖啶酮乙酸、多氫吖啶類衍生物他克林等都是已經(jīng)應用于臨床的吖啶類化合物。吖啶-鉑類配合物(AP)與DNA的結合模式不同于順鉑，配合物結構中的吖啶類多芳香基配體嵌插入堿基對之間，引起DNA形變和堿基對的氧化[11]。吖啶類化合物與堿基對之間較強的親和力是通過帶正電荷的嵌入劑和帶負電荷的DNA骨架之間的靜電作用、氫鍵等作用力維持。AP的初步研究揭示具有柔性鏈和更高電荷的配合物表現(xiàn)出更高的生物活性和DNA親和力，這表明柔性橋鏈有利于此類藥物與DNA進行雙重結合，同時配合物的電荷與雜環(huán)吖啶氮的pKa有關，即若氮在生理pH環(huán)境下發(fā)生質子化，則其電荷和DNA親和力均增加[12]。吖啶類嵌入劑通過柔性鏈連接到鉑離子中心形成的AP表現(xiàn)出優(yōu)于順鉑對腫瘤細胞的細胞毒活性[13-14]。AP結構中的吖啶環(huán)嵌入到DNA堿基對中間，鉑離子中心與DNA結合位點附近的核苷酸快速形成單加合物，雙重作用致使其產(chǎn)生比順鉑誘導交聯(lián)更嚴重的DNA損傷[15-16]。其中作用效果尤為突出的是[Pt(PL)(en)Cl]n+類配合物1～10(圖2)，PL代表吖啶類嵌入劑，這些配合物以氯離子為離去基團，發(fā)揮作用時與DNA形成單加合物，研究發(fā)現(xiàn)隨著增加接頭鏈長度，形成的加合物結構傾向于順式，并且與經(jīng)典順鉑類藥物相比，DNA靶向化合物的平板化速率大大提高，這表明該類PA在發(fā)揮抗腫瘤作用機制時可能不需要氯配體的預水解機制[17-18]?；钚詫嶒灡砻鬟@類PA對順鉑耐藥的腫瘤細胞系表現(xiàn)出較好的體外活性[19-21]。含吖啶類嵌入劑的抗腫瘤鉑類配合物與DNA的雙重結合模式(栓系插入)和經(jīng)典鉑類藥物交聯(lián)DNA有著明顯差異，可有效避免機體的DNA修復機制，提高藥物的耐藥性。基于含單吖啶基團鉑類配合物表現(xiàn)出的良好抗腫瘤效果以及在藥物耐藥性方面的優(yōu)勢，含吖啶-雙核鉑配合物11和雙吖啶-鉑配合物12(圖2)的活性及抗腫瘤作用機制被研究，研究發(fā)現(xiàn)配合物12中的兩個生色團優(yōu)先嵌入5′-TA/TA堿基對之間，而鉑離子位于DNA螺旋結構小溝，并且雙吖啶-鉑通過酶限制位點的BstZ17I酶抑制DNA的解旋。與單吖啶-鉑配合物作用機制不同的是雙吖啶-鉑配合物優(yōu)先與TA結合，致使鉑離子不能和堿基形成加合物，并且雙吖啶與堿基對之間的結合方式是可逆的。該研究證明了雙功能DNA嵌入基團鉑類配合物潛在的研究價值[22]。

Figure2 DNA intercalators of platinum-acridine antitumor agents and the bisintercalative DNA binding model of bifunctional platinum-acridine agent12

2.2 含喹啉類DNA嵌入劑的鉑類配合物

2.3 含吲哚類DNA嵌入劑的鉑類配合物

吲哚類化合物是一類重要的雜環(huán)衍生物生物堿，長春堿、喜樹堿等天然抗腫瘤藥物的發(fā)現(xiàn)引起了吲哚類衍生物抗腫瘤活性研究的熱潮。吲哚類衍生物已被證明具有廣譜抗腫瘤活性，其作為DNA嵌入劑傾向作用于相鄰的腺嘌呤，其細胞毒性作用與抑制拓撲異構酶Ⅱ的作用力有關，而其與金屬鉑所形成的配合物(圖4)發(fā)揮著協(xié)同作用，抑制DNA修復功能從而引起細胞凋亡[34]。吲哚-2,3-二氧合酶是一種免疫抑制酶，能夠導致免疫逃逸和腫瘤細胞的耐受性，因此該酶也是腫瘤免疫療法的靶點，吲哚-2,3-二氧合酶抑制劑能夠有效的提高抗腫瘤藥物的治療效果，吲哚-2-酮是吲哚類衍生物中較為突出的一個吲哚-2,3-二氧合酶抑制劑，能夠與抗腫瘤藥物協(xié)同作用提高治療效果[35]。Sunitinib(SUO11248)是第一個靶向多種激酶的二氫吲哚-2-酮激酶抑制劑，已被批準用于治療腎細胞癌和胃腸道間質瘤[36]。Li等[37]在研究吲哚類化合物衍生物抗腫瘤活性時得到了抗腫瘤活性顯著增強的化合物33，基于該化合物顯著的抗腫瘤活性以及化合物結構中與金屬離子良好的配位基團，該課題組進一步研究了該化合物與鉑形成的配合物34的活性。實驗結果表明配合物34以高親和力與小牛胸腺DNA非共價結合，對結腸癌細胞系HCT-116，乳腺癌細胞系MCF-7和MDA-MB-231的細胞毒活性顯著增強。

Figure3 DNA intercalators of platinum-quinoline antitumor agents

Figure4 DNA intercalators of platinum-indole antitumor agents

2.4 含萘酰亞胺類DNA嵌入劑的鉑類配合物

萘酰亞胺類化合物從首次報道細胞毒活性以來，先后有眾多藥物批準進入臨床應用，研究表明萘酰亞胺類衍生物的細胞毒活性主要是通過抑制拓撲異構酶Ⅱ的活性，含萘酰亞胺類DNA嵌入劑的鉑類配合物(圖5)中萘酰亞胺類化合物既作為藥物載體又作為DNA嵌入劑，其與鉑(Ⅱ)的雙重DNA靶向作用破壞DNA的復制從而抑制細胞的增殖。萘酰亞胺類衍生物與鉑(Ⅱ)形成的配合物在腫瘤細胞系中的細胞毒性被證明要高于母體鉑(Ⅱ)配合物，協(xié)同效應可能是其細胞毒性提高的原因。Banerjee等[38]研究了一種基于4-氨基-1,8-萘二甲酰亞胺的新型鉑(Ⅱ)配合物35，這類配合物具有較高的DNA結合親和力和良好的細胞毒性，研究表明配合物35很容易被乳腺癌和宮頸癌細胞系吸收，從而誘導細胞凋亡，并且其與DNA親和力以及細胞毒性顯著高于順鉑。Herrera等[39]合成了6個含萘酰亞胺的鉑類配合物36～41，并研究了這些配合物的抗腫瘤活性及作用機制，研究結果表明非共價結合的鉑離子中心結合模式增加了該化合物的細胞毒作用，同時萘酰亞胺基團距離鉑離子中心的鏈長決定了配合物活性強弱。配合物36和37對耐順鉑的腫瘤細胞系活性最高。機制研究結果表明這類配合物主要是通過鉑離子中心和萘酰亞胺雙重DNA作用實現(xiàn)的，此外，研究結果表明除了與腫瘤細胞DNA作用外，這類配合物還可能與腫瘤細胞中的其他目標物結合，該結論的提出擴大了含萘酰亞胺類DNA嵌入基團鉑類配合物作用靶點的范圍。Chua等[40]設計合成了新型萘酰亞胺三齒配體鉑配合物42,43。雖然這兩種化合物與DNA加合的加合物結構非常相似，抗腫瘤細胞活性與順鉑相當，但順式異構體相對于反式異構體具有更快的細胞毒性作用，對細胞功能的影響也更為顯著。進一步研究發(fā)現(xiàn)兩個同分異構體對DNA的結合位點具有顯著的選擇性區(qū)別，由于受到配體立體結構的影響，反式異構體對特殊DNA序列元素的反應性受到限制，但是順式異構體在核小體的內(nèi)部可以有效地形成加合物。這為在體內(nèi)控制核小體靶向位點提供了可能性。以萘酰亞胺DNA嵌入劑為配體的四價鉑類配合物引起了研究人員的興趣，Navarro-Ranninger等[41]在前期研究的基礎上進一步研究了含萘二甲酰亞胺嵌入基團雙重DNA靶向的新型四價鉑配合物44，實驗結果表明該化合物在腫瘤細胞系中的細胞毒性比其二價鉑配合物高，原因在于配體萘二甲酰亞胺與母體鉑(Ⅳ)發(fā)生協(xié)同作用，提高了該配合物的細胞毒性，機制研究發(fā)現(xiàn)該含有萘酰亞胺的四價鉑配合物作用機制不同于以脂肪胺為配體的四價鉑配合物機制，萘二甲酰亞胺配體阻礙鉑離子中心的水合轉化過程，在體內(nèi)還原路徑不同于脂肪胺鉑(Ⅳ)配合物。Perez等[42]研究了含有2個萘酰亞胺DNA嵌入基團的單核鉑配合物活性45,46，結果表明萘酰亞胺基團與鉑離子中心協(xié)同發(fā)揮作用，與DNA分子的結合更加穩(wěn)定，兩種化合物共價修飾pUC8速率由大到小依次為45、46、順鉑。

2.5 含蒽醌類嵌入劑的鉑類配合物

通過烷基氨基橋連接蒽醌嵌入劑的鉑類配合物已被廣泛研究，含蒽醌類DNA嵌入劑的鉑類配合物的抗腫瘤活性與其結構密切相關。含蒽醌嵌入劑的鉑類配合物中具有雙氯離去基團的配合物47和50比只含有單個氯離子離去基團的配合(圖6)物48和49活性高。鉑類配合物橋接在蒽醌結構1號位點的活性比橋接在2號位點的活性高，如配合物47的活性為配合物51活性的100倍。雙功能基鉑類配合物52表現(xiàn)出的活性低于單功能基團鉑類配合物50，并且橋鏈長度越短時活性越高，其中n=2,3時活性最高。這一趨勢和DNA嵌入劑與DNA的結合常數(shù)相近，也意味著蒽醌結構中不同取代位點在該化合物發(fā)揮抗腫瘤活性中具有重要意義[43]。Alderden等[44]研究的多柔比星-Pt(Ⅱ)配合物53，將鉑配合物連接到多柔比星糖上，實驗表明該配合物抗腫瘤活性高于順鉑，與多柔比星活性相當。但是機制研究表明該配合物導致腫瘤細胞死亡的原因并不是和DNA作用的結果，而是該配合物能夠被溶酶體截獲，在腫瘤細胞的溶酶體部位有效積累導致的細胞損傷凋亡，在細胞核中沒有檢測到鉑離子以及鉑和DNA的加合物。溶酶體捕獲該堿性基團使得鉑類配合物不能到達細胞核與DNA形成加合物，也是腫瘤細胞產(chǎn)生耐藥的主要原因。此外由Jansen等[45]合成的N，N′-雙(氨基烷基)-1,4-二氨基蒽醌系列的雙核鉑配合物54,55也表現(xiàn)出良好的抗腫瘤活性，其中最短的氨基橋鏈鉑絡合物顯示出最高的活性。進一步研究發(fā)現(xiàn)該配合物作用機制與配合物53類似，進入細胞后被溶酶體截獲，在溶酶體內(nèi)積累。

Figure5 DNA intercalators of platinum-naphthalimides antitumor agents

Figure6 DNA intercalators of platinum-anthraquinone antitumor agents

2.6 含其他類DNA嵌入劑的鉑類配合物

含DNA嵌入劑的鉑類配合物作用機制不同于經(jīng)典鉑類抗腫瘤藥物，在克服經(jīng)典鉑類藥物不良反應、耐藥性和交叉耐藥性等問題上有明顯優(yōu)勢，因此，近年來含DNA嵌入基團的鉑類配合物逐漸成為研究熱點，以期獲得更好的鉑類抗腫瘤藥物。除上述所述的5種鉑類配合物外，還有許多含其他類DNA嵌入劑的鉑類配合物(圖7)被合成，并表現(xiàn)出較好的抗腫瘤活性。

2.6.1 含腺嘌呤的鉑類配合物(如配合物56) 由于腺嘌呤是DNA中的靶核堿基之一，因此各種鉑類配合物與腺嘌呤及其衍生物的相互作用已成為許多科學家的研究熱點。腺嘌呤基配體的主要配位模式包括通過腺嘌呤部分的N7單齒配位和N1，N7-雙齒配位模式。在含有單齒配位的腺嘌呤基配體的情況下，配位點優(yōu)先順序為N7>N1>N3>N6>N9=C8。鉑離子中心與腺嘌呤配體橋接的位點也相對豐富，其中含有N6-芐基腺嘌呤的配體(例如羅可嘌呤)的一系列順鉑和奧沙利鉑衍生物具有良好的體外細胞毒性[46-47]。

Figure7 Platinum antitumor agents containing other DNA intercalators

2.6.2 含三聯(lián)吡啶的鉑類配合物(如配合物57,58) 該類鉑配合物與經(jīng)典順鉑類抗腫瘤藥物作用機制不同，它們在核堿基之間插入平面芳香族部分可逆地與DNA結合，嵌入時DNA鏈不被破壞，堿基之間距離增大，導致DNA容易裂解，這種相互作用常常通過帶正電荷的嵌入劑和帶負電荷的DNA主鏈之間的靜電作用、氫鍵等作用力而得到穩(wěn)定。因此這類配合物在克服細胞耐藥性并呈現(xiàn)較小的不良反應上具有很大潛力[48-51]。

2.6.3 含三元雜菲DNA嵌入劑的鉑類配合物(如配合物59～61) 鄰二氮菲以環(huán)上N原子與鉑離子中心形成的順式配合物空間結構緊湊，其表面空間屏蔽作用使得該類化合物與DNA分子的親和性降低，結合力減弱，但是反式構型的鉑(Ⅳ)-鄰二氮菲配合物表現(xiàn)出較好的活性。與三元雜菲芳香環(huán)外的氨基絡合形成的鉑類配合物60表現(xiàn)環(huán)上N原子鉑類配合物迥異的高活性，特別是環(huán)上N原子連接的碳連長度越短化合物活性越強[52-54]。

2.6.4 含酚嗪類DNA嵌入劑的鉑類配合物 酚嗪類多環(huán)骨架可以嵌入到DNA堿基對之間，酚嗪環(huán)上的多個N原子能降低無N原子多環(huán)體系特有的致癌性和細胞毒性，配合物62,63的鉑離子單元中心與酚嗪環(huán)上的N原子和雙(二苯基膦)甲烷中的膦原子共價連接，可以促進配合物在DNA平面堿基之間的插入，并提高其疏水性，從而促進其被細胞攝取[55-56]。

2.6.5 含多重DNA嵌入劑的鉑類配合物(如配合物64～66) 結構中同時含有兩個及兩個以上DNA嵌入基團的鉑類配合物被不斷合成并研究其活性。多種DNA嵌入基團與鉑離子中心形成的配合物與單DNA嵌入劑-鉑配合物相比與DNA結合能力更強，表現(xiàn)出更高的選擇性以及更低的解離速率[57-61]。

3 總結與展望

DNA嵌入劑的平面不飽和多芳香環(huán)共軛體系賦予了這類化合物許多特殊的性質，可以嵌插、堆疊到DNA雙螺旋結構中，通過共價作用、靜電作用、溝槽結合及嵌插等多種方式結合引起DNA構象變化或使機體內(nèi)的一些酶受到影響，致使其生理功能受阻。在疾病的預防、診斷和治療中被廣泛應用。含DNA嵌入基團的金屬嵌入劑主要由八面體結構和平面二維結構兩種，八面體結構的金屬嵌入劑以Ru、Rh、Os絡合物為代表，平面二維結構的金屬嵌入劑以鉑類配合物為代表。平面二維結構的金屬嵌入劑可以通過配位和插入結合模式與DNA相互作用，這種雙模結合作用導致DNA表現(xiàn)出與單功能嵌入劑或金屬藥物作用方式不同的畸變，并出現(xiàn)新的抗腫瘤生物活性機制。鉑類抗腫瘤藥物的用藥劑量大、不良反應嚴重、耐藥性以及交叉耐藥性是有效治療腫瘤的主要障礙，而含DNA嵌入劑的新型雙功能鉑類配合物在克服經(jīng)典鉑類藥物缺陷方面具有獨特的優(yōu)勢，為得到治療效果明顯、不良反應小和耐藥性程度低的靶向新型抗腫瘤金屬藥物提供新的研究方向。雖然含DNA嵌入劑的鉑類抗腫瘤藥物表現(xiàn)出不同的抗腫瘤機制以及良好的效果，但此類化合物對DNA的親和力要求較高，且仍然存在耐藥性問題。與單功能鉑類抗腫瘤藥物的研究相比，此類化合物的研究報道較少，繼續(xù)研究探索此類配合物，對篩選出具有理想活性的鉑類抗腫瘤藥物有重要意義。