抗癌微生物藥物的研究與開發(fā)

1、抗癌微生物藥物的研究與開發(fā),,前言,惡性腫瘤是人體組織和細(xì)胞發(fā)生異常的增生，這些細(xì)胞的盲目迅速生長，損耗人體大量營養(yǎng)，同時還破壞正常組織結(jié)構(gòu)，使器官功能失調(diào)，最后導(dǎo)致宿主死亡。惡性腫瘤的致病因素比較復(fù)雜，除機體本身免疫，內(nèi)分泌，神經(jīng)功能紊亂和外界化學(xué)、物理的致病因素外，已闡明細(xì)胞核內(nèi)的遺傳物質(zhì)DNA發(fā)生了結(jié)構(gòu)和功能上的變化，就可形成惡性腫瘤。70年代已發(fā)現(xiàn)某些實驗致癌的RNA病毒中存在一種逆轉(zhuǎn)錄酶，它能以RNA病毒為模板合成DNA，

2、這種變異的DNA就是癌變的物質(zhì)基礎(chǔ)。,從豐富的微生物代謝產(chǎn)物中尋找具有抗腫瘤作用的生物活性物質(zhì)的工作已有多年的歷史，為了尋找高效低毒的抗癌微生物藥物，很多微生物如鏈霉菌、真菌、細(xì)菌及海洋微生物等作為對象，進(jìn)行了大量篩選工作，所獲臨床有效的微生物藥物除個別外，幾乎都是從鏈霉菌產(chǎn)生的。這類藥物的獨特之處在于它們具有極其多樣性的化學(xué)結(jié)構(gòu)．對這類藥物的抗腫瘤活性的評價，將有助于進(jìn)一步設(shè)計出更好的抗癌藥物。,1.來源、結(jié)構(gòu)及抗癌活性,,,1.1.

3、1放線菌素D,1.1 多肽和蛋白質(zhì)類抗生素,放線菌素類(actinomycins，ActD)是一類含有環(huán)肽的抗生素，結(jié)構(gòu)中含有兩條對稱的五肽內(nèi)酯環(huán),連接于一個吩惡嗪酮發(fā)色團，如圖所示。它也是最早用于臨床的抗腫瘤抗生素。自發(fā)現(xiàn)放線菌素對何杰金氏病有效后,人們開始從微生物產(chǎn)物中尋找抗腫瘤藥物。至今,報道的放線菌素已有50種以上，臨床上應(yīng)用的僅為放線菌素C和D。,1.1.2 博來霉素（Bleomycin,BLM,USP),一個典型

4、的BLM-A2分子由四部分組成：1）末端氨基，參與BLM與核酸的相互作用；2）bithiazole部分，也參與BLM通過DNA小溝與DNA結(jié)合；3） 一個假肽部分，通過幾個配位鍵結(jié)合過渡態(tài)金屬，與識別特定DNA序列有關(guān)；4） 一個多聚糖部分，其功能尚待討論。,博來霉素是由日本微生物化學(xué)研究所的梅澤濱夫首先從一株輪支鏈霉菌（Streptomyces vertillus）中分離出來的糖肽類抗生素。療效顯著，毒性，尤其是對白細(xì)胞的毒性較低。

5、BLM 組分繁多，天然組分中，結(jié)構(gòu)衍生物有十幾個，國際市場上所用的BLM 藥品為BLMA2和B2的混合物。爭光霉素：輪支鏈霉菌平陽變種產(chǎn)生，1971年投入生產(chǎn)、臨床。它的2個組分與BLMA2 B2 完全一致，但是國內(nèi)的主要組分是BLMA5，所以被命名為平陽霉素。,培羅霉素（pepleomycin,PEP）：是在BLM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第二代BLM 產(chǎn)品，是在BLM 的發(fā)酵過程中添加苯乙丙雙胺前體定向合成的。泰萊霉素（talisomyc

6、in）被稱為第三代博萊霉素，其療效比博萊霉素好，而毒副作用較小。,1.1.3 新制癌菌素（Neocarzinostatin),含有肽或非肽發(fā)色團，由S.carzinostaticus F41產(chǎn)生的一個抗腫瘤蛋白質(zhì)，由109個氨基酸組成（分子量為10700） 。對Hela細(xì)胞、Flow2000、NS-3細(xì)胞等有抗腫瘤活性?？勺饔糜诩?xì)胞膜引起DNA合成和細(xì)胞分裂障礙。,1.2.1 柔紅霉素（Daunorubicin),1.2 蒽環(huán)類抗生

7、素（Anthracycline antibiotics),1.2.2 阿霉素（Adriamycin, Doxorubicin),又稱14-羥基柔紅霉素，由波賽鏈霉菌變種Caesius產(chǎn)生，也可由柔紅霉素化學(xué)轉(zhuǎn)化制得。,1.2.3 洋紅霉素（Carubicin，又名Carminomycin) 又稱4-去甲基柔紅霉素，最初由洋紅放線馬杜拉菌(Actinomadura Carminata)分離得到，后由Actinomyces Crem

8、copoinus及Streptosporanglum中分離得到。1.2.4 正定霉素（zhengdingmycin) 由天藍(lán)淡紅色放線菌正定變種（S.coerulo-rubidus var. Zhengding）所產(chǎn)生，與國外報道柔紅霉素相同。,1.2.5 阿克拉霉素A(Aclarubicin, AclacinomycinA,阿柔比星）,1.2.6 諾加霉素（Nogalamycin,Ruticulomycin),諾加霉素由St

9、reptomyces nogalater變種nogalator菌中分離，對肝癌及十二指腸癌有效。,1.3.1 絲裂霉素（Mitomycin C),1.3 醌類抗生素,絲裂霉素是一類強效抗生素，于1950年由日本微生物學(xué)家從Streptomyces caesoitosus的發(fā)酵培養(yǎng)物中發(fā)現(xiàn)。其家族成員之一絲裂霉素C（mitomycin C，MC）。由于絲裂霉素C對實體瘤具有廣譜的抗腫瘤活性，已于上世紀(jì)60年代被用于臨床癌癥化療。

10、MC是乳房、肺，前列腺癌癥聯(lián)合化療的一種重要藥物，也是少數(shù)幾種有效的抗結(jié)腸癌藥物之一，并且是治療表皮膀胱癌所選擇的藥物之一和單一治療非小細(xì)胞型肺癌的最具活性的藥物。,1.3.2 鏈黑菌素（又名鏈黑霉素）Streptonigrin Rufocromomycin,鏈黑菌素（streptonigrin，SN）是從Strptomyces flocculus培養(yǎng)物中分離到的一種氨基苯醌類抗腫瘤抗生素。由Rao等在1963年通過化學(xué)分析法和質(zhì)譜

11、鑒定并最終由Chiu和Lipscomb于1975年用X-衍射法確證。分子結(jié)構(gòu)中A、B和C環(huán)幾乎共平面，而D環(huán)與它們完全垂直。,鏈黑菌素表現(xiàn)出多種對DNA的不可逆性的金屬絡(luò)合位和絡(luò)合鍵，通過特定的金屬離子如鋅、銅、鐵、錳、鎘、金形成鏈黑菌素-金屬-DNA絡(luò)合物。金屬離子的出現(xiàn)阻止了SN-DNA的締合。用含有不同的鋅摩爾當(dāng)量的DNA滴定鏈黑菌素表明：一分子鏈黑菌素需要5.7摩爾鋅離子和20～25摩爾的磷酸DNA才能形成絡(luò)合物。Sin

12、ha報道說離體的化學(xué)溫育降低鏈黑菌素與DNA的絡(luò)合，250個核苷酸結(jié)合1分子鏈黑菌素，而二價鋅離子的存在大大加強了成鍵，使絡(luò)合變?yōu)?80個核苷酸結(jié)合1分子鏈黑菌素。,1.3.3 克大霉素（Kidamycin,rubiflavin B),1.4 色霉素類抗生素,色霉素（chromomycin）也叫阿布拉霉素、光神霉素（mithramycin）也叫普卡霉素，與橄欖霉素（olivomycin）屬于金霉酸類抗腫瘤抗生素，其分子中都具有一個甙元發(fā)

13、色基團，和五個附著在甙元上的糖環(huán)，A-B兩個糖環(huán)與C-D-E三個糖環(huán)相對附著，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖所示。研究發(fā)現(xiàn)：這兩個藥物在Mg 2＋的介導(dǎo)下形成一個二聚體，然后嵌入到一個富含G/C序列的被拓寬的DNA小溝中。,1.5 氨茴霉素類（Anthramycins)抗生素,Tetragomycin是從S.rimous的一株變種中分離得到的第一個新四環(huán)結(jié)構(gòu)——苯駢蒽醌類抗生素,1.6 苯駢蒽醌類（Benz[a]anthraquinone),,三類

14、： 第一類：A環(huán)飽和的，如Aquayamycin， Rabelomycin，Sakyoyamycin 第二類：A環(huán)不飽和的，Tetrangomycin， Saquayamycin 第三類：B環(huán)不飽和的：如PD1167,Aquayamycin,Saquayamycin,,,,二羥苯Anthraquinone抗癌抗生素PD116740，其結(jié)構(gòu)特點是B環(huán)不飽和，對L1210白血病

15、和HCT-8人細(xì)胞有抑制作用。,1.7 激素類,1.8 其他微生物代謝物,免疫增強劑,2. 作用機理,作用機制研究是指導(dǎo)臨床應(yīng)用的重要基礎(chǔ)理論研究。藥物學(xué)家或化學(xué)家則必須根據(jù)抗癌微生物藥物的作用機制及其構(gòu)效關(guān)系，來改造其化學(xué)構(gòu)。 抗癌微生物藥物可能有各種不同的作用靶位，如有的作用于細(xì)胞的生物合成酶，有的作用于細(xì)菌質(zhì)膜上的某種成分，有的作用于DNA或RNA的信息轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，還有的作用于蛋白質(zhì)合成過程中的某一環(huán)節(jié)，現(xiàn)將最新報道的作用機理分述

16、如下：,2.1 蒽環(huán)類抗生素的作用機理,蒽環(huán)類抗生素的生物學(xué)效應(yīng)復(fù)雜多樣，包括致DNA；斷裂；染色體交換率增高；染色體畸變；抑制DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成；影響質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能等等．歸納起來，從細(xì)胞及分于水平來分析其機制，大致有3點：,2.1.1 插入DNA,蒽環(huán)類對DNA的作用的基本方式是以其B和C環(huán)為主垂直插入雙鏈DNA長軸的堿基對之間，A和D環(huán)伸出DNA雙鏈的兩側(cè)，氨基糖部分的氨基則與DNA的磷酸基成離子鍵結(jié)合，從而形成相對穩(wěn)定

17、的蒽環(huán)類-DNA結(jié)合物，改變DNA的模板性質(zhì)，抑制依賴DNA和RNA聚合酶，插入引起部分雙鏈解鏈。如圖所示。此外，還損傷DNA，引起DNA單鏈雙鏈斷裂，使染色體變換增高及烷化DNA。,由甲醛分子介導(dǎo)的2：1 DNR-CGCGCG共價復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu) 箭頭所示為甲醛分子介導(dǎo)的共價交鏈。A：從DNA小溝所示；B：從DNA大溝所示。,另外一個蒽環(huán)類抗腫瘤抗生素諾加霉素（nogalamycin，Ng），它對DNA的嵌入模式跨越小溝和大

18、溝。,圖中紅色所示為諾加霉素分子中的nogalose部分，其嵌入在DNA小溝中；圖中紫色所示為諾加霉素分子中的氨基葡萄糖部分，其嵌入在DNA大溝中；金黃色所示為諾加霉素的甙元部分。,2.1.2 自由基形成,具有未配對電子的化合物被稱為自由基。藥物代謝產(chǎn)生的自由基能和體內(nèi)重要的生物大分子如DNA，膜相結(jié)構(gòu)等發(fā)生強烈反應(yīng)，現(xiàn)已證明心臟線粒體自由基形成是ADM和 DR心臟毒性的主要原因，ADM和DNA在心臟細(xì)胞中被還原成半醌自由基，繼而與氧發(fā)

19、生反應(yīng)生成超氧負(fù)離子，后者轉(zhuǎn)變?yōu)檫^氧化氫后再形成性質(zhì)極為活潑的羥基自由基。羥基自由基能與多種生物分于如脫氧核糖，線粒體等發(fā)生反應(yīng)，造成對細(xì)胞的損傷。由于心臟組織中基本不存在具有解毒作用的酶類，因此，其毒性往往比其他組織要大。另外，蒽環(huán)的氧化還原循環(huán)抑制了谷光苷肽超氧酶的活性。,2.1.3 對細(xì)胞膜的作用,蒽環(huán)類抗生素能與紅細(xì)胞膜結(jié)合；引起細(xì)胞膜形態(tài)學(xué)改變，最終導(dǎo)致膜被溶解。膜結(jié)合的ADM也能產(chǎn)生自由基，自由基誘導(dǎo)的脂過氧化物通過損傷細(xì)

20、胞膜磷脂的未飽和脂肪酸而改變膜通透牲。脂過氧化物也改變多種膜結(jié)合蛋白的功能。,2.2 新氨茴霉素的作用機理,新氨茴霉素具有識別或結(jié)合雙股螺旋DNA的某些特殊結(jié)構(gòu)的特性，它在與生物系統(tǒng)DNA的化學(xué)受體之間相互作用時，大致開始于新氨茴霉素的C-11位與生物系統(tǒng)DNA鳥嘌呤（或胞嘧啶）堿基的N-2位處發(fā)生反應(yīng)，然后形成共價鍵。,2.3 環(huán)孢菌素的作用機理,環(huán)孢菌素主要作用于T細(xì)胞，對淋巴細(xì)胞的影響，說的更恰當(dāng)一點是發(fā)生在誘導(dǎo)期，它主要表現(xiàn)為抑

21、制一系列淋巴激活素，諸如白細(xì)胞間質(zhì)2（IL-2），r-干擾素和OAF，在轉(zhuǎn)錄水平或在激活作用的初期，能有選擇地引導(dǎo)這些的轉(zhuǎn)錄作用，有人報道環(huán)孢菌素可干擾OKT3單克隆抗體的結(jié)合，提示環(huán)孢菌素是結(jié)合在抗原和有絲分裂原受體的附近。,2.4 抑制DNA模板功能的一類微生物藥物的作用機制,2.5 干擾蛋白質(zhì)生物合成,,2.6 其它抗癌微生物藥物的作用機理,L-門冬酰胺酶通過分解L-門冬酰胺而抑制其增殖。OK-432具有活化巨噬細(xì)胞，增強T細(xì)胞

22、活性，誘導(dǎo)干擾素的產(chǎn)生以及激發(fā)其它抗腫瘤免疫功能。Bestatin降低細(xì)胞膜負(fù)電性，在有細(xì)胞增殖抑制劑存在時強化對細(xì)胞DNA合成的抑制。,3.1 肽類抗生素放線菌素D多用于小兒腎母細(xì)胞瘤、絨毛癌和黑素瘤等惡性腫瘤，已明確了放線菌素在治療絨毛癌和黑素瘤的地位。博萊霉素和苯乙丙雙胺博萊霉素（PEP）多用于皮膚癌，頭頸部瘤、食道癌及惡性淋巴瘤等。新制癌素對白血病及胰腺癌較有價值。,3. 臨床試驗及療效,3.2 蒽環(huán)類抗生素,臨床前大

23、量實驗證明其對多種實驗性腫瘤有抗瘤作用。第一代DNM和ADM被稱為人類白血病治療的“奠基石”。還有報道阿霉素可治療肝細(xì)胞癌。亞德黑亞霉素、更生霉素、博萊霉素、環(huán)磷酰胺分別與含腫瘤壞死因子的血清合并應(yīng)用時，可有效增強殺傷腫瘤細(xì)胞的活性。,3.3 色霉素類抗生素 光輝霉素治療睪丸胚胎瘤，鏈脲霉素治療胰腺胰島細(xì)胞癌（轉(zhuǎn)移性胰島細(xì)胞癌）。3.4 氨茴霉素類抗生素 新氨茴菌素對腎癌、舌癌、癌性腹膜炎有效3.5 激素類 強的

24、松龍和強的松用于造血器官腫瘤。環(huán)硫雄醇及Meipitiostane可口服用于乳癌治療。,3.6 其他微生物代謝物,環(huán)孢菌素A是維持腎臟、心臟及心、肺移植物的首選藥物，還用于骨髓和胰腺移植，實驗性葡萄膜炎、腦脊髓炎、神經(jīng)炎、腎炎、甲狀腺炎、重癥肌無力及全身的紅斑狼瘡等。OK-432全身或局部給藥可改善腫瘤患者的免疫機能，提高抗腫瘤效果。Bestatin與常用的抗腫瘤化療藥物有顯著協(xié)同作用，可強化藥物的治療效果，減少毒副作用。,4.

25、 毒副作用,可采用聯(lián)合化療減少毒副作用：1、森修等用長春新堿、放線菌素D、環(huán)磷酰胺和ADM聯(lián)合治療15例四肢惡性軟組織瘤，5年累積存活率達(dá)72.7%，無嚴(yán)重副作用。2、鈣通道阻斷劑甲哌氟丙嗪、喹尼丁、吐溫-80等與ADM聯(lián)用，可減輕ADM的細(xì)胞毒性。3、有報道輔酶Q10可阻斷ADM產(chǎn)生的心臟毒性，提高抗癌療效。4、另有報道認(rèn)為血中維生素E的濃度提高2~3倍，可降低ADM的毒性作用。,5、Abe等報道絲裂霉素C、5-氟尿嘧啶核苷與

26、苯丁亮氨酸聯(lián)合用藥有協(xié)同作用6、苯丁亮氨酸通過免疫修飾放大阿糖胞苷、博萊霉素、阿霉素等抑制細(xì)胞增殖效應(yīng)。7、乳腺癌及前列腺癌一旦發(fā)生向骨髓轉(zhuǎn)移，往往對性激素的治療不敏感，如應(yīng)用Bestatin可使原激素恢復(fù)其治療功能，延長幸存期。,5 研究動向,1.發(fā)現(xiàn)了5種殺傷癌細(xì)胞作用非常強的烯二炔類抗生素，如：esperamicin、calichemicin、dynemicin、kedarmicin和C-1027。它們的作用機制是分子中的

27、環(huán)狀烯二炔部分發(fā)生環(huán)芳香化，形成二自由基切斷DNA 鏈所致。2.不僅繼續(xù)注意尋找癌細(xì)胞殺傷劑，也篩選癌細(xì)胞分化誘導(dǎo)劑、生物反應(yīng)調(diào)節(jié)劑以及抗致突變、抗促癌變、抗致癌等癌化學(xué)預(yù)防藥物。3.利用癌化學(xué)療法的新靶點，如DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶、微管蛋白、鈣調(diào)蛋白、蛋白激酶C等，建立篩選模型，探索作用于各靶點的抗生素。4.研究開發(fā)可用于定向治療的單克隆抗體-抗生素偶聯(lián)物等。,烯二炔類抗腫瘤抗生素的研究進(jìn)展,研究者常把烯二炔稱作enediyne，也

28、有稱作diynene、bicyclo diynene等，這類抗生素大多由稀有放線產(chǎn)生，目前已發(fā)現(xiàn)并確定為烯二炔結(jié)構(gòu)的抗生素有C1027，Esperamicin（EPM），Calicheamicin（CLM），Dynemicin（DNM），Neocarzinostatin（NCS），Kedarcidin（KDC），F(xiàn)eractamicin（FTM）等及它們的衍生物。它們雖然來源不同，化學(xué)結(jié)構(gòu)也有較大的差異，但因其共有的新穎活性中心，獨特的

29、作用機制，廣泛的抗瘤譜和強大的生理活性而倍受人們注目，被譽為抗腫瘤抗生素的新希望。,,烯二炔類抗生素的最大特點是其發(fā)色團中存在雙烯雙炔的共軛大環(huán)。由于此特異結(jié)構(gòu)的存在，以一種全新的機制對腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生作用。它一改傳統(tǒng)抗腫瘤藥物多以插入DNA分子序列的方式破壞腫瘤細(xì)胞，而是生成特有的苯環(huán)自由基直接氧化斷裂DNA分子鏈，從而顯現(xiàn)出強大的殺滅腫瘤細(xì)胞能力。通過對這一獨特構(gòu)效關(guān)系的研究，不僅有利于了解本類抗生素的性質(zhì)，還有利于開闊思路，得以廣泛利

30、用物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息開展新藥的篩選研究。,烯二炔類抗生素的產(chǎn)生菌,,,結(jié)構(gòu)特點上是共同具有一個10元或12元的大環(huán)結(jié)構(gòu)母核。此結(jié)構(gòu)包含兩個烯鍵和兩個炔鍵并彼此共軛。 這個大環(huán)結(jié)構(gòu)具有對稱性和不穩(wěn)定性，決定了本類抗生素對腫瘤細(xì)胞的選擇毒性。,烯二炔類抗生素切斷DNA的作用涉及到這類抗生素與DNA雙螺旋小溝的結(jié)合，其活化形式必須先經(jīng)過Bergman重排反應(yīng)形成芳香雙自由基活性物質(zhì)。在DNA小溝中的雙自由基接近兩根鏈的糖-磷酸骨架。通

31、過雙自由基，同時從相對鏈的糖上奪取氫原子從而導(dǎo)致雙鏈的斷裂。,,,烯二炔類抗生素對多種小鼠及人類腫瘤模型都有抗性，不僅能顯著延長實驗小鼠的生命，而且其生物活性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的抗腫瘤藥物，如DNM的活性明顯大于順鉑、阿霉素、博萊霉素、紫杉醇。又如CLMα11抗P388白血病的活性是阿霉素的4000倍，比至今已知最強的抗腫瘤抗生素CC-1065還強10倍。,新抗腫瘤抗生素C-1027具有強烈的殺傷活性，克隆形成法檢測表明，它比阿霉素、絲裂霉

32、素C以及新制癌菌素等作用強10000倍以上。烯二炔類抗生素還有一個顯著的特點，即對白血病表現(xiàn)出特殊的抗性，因此是極有希望的白血病治療藥物。此外這類抗生素還具有一定的抗菌活性，對革蘭氏陰性菌的MIC較革蘭氏陰性菌高。,,早期發(fā)現(xiàn)的NCS已用于臨床，對膀胱癌、白血病有明顯療效。近年來又有將NCS與人體抗體相結(jié)合制成靶向試劑的實驗，可使藥物的用量更小而選擇性更強。Esperamicin A1由于其很高的化療指數(shù)已納入布邁公司的II期臨