详情

含溴/碘的酰胺哒嗪类DHPS变构抑制剂的合成与活性评价研究

申报人:李丰硕 申报日期:2025-03-20

基本情况

2025创新项目
含溴/碘的酰胺哒嗪类DHPS变构抑制剂的合成与活性评价研究 学生申报
创新训练项目
医学
药学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
脱氧羟腐胺赖氨酸合酶(DHPS)是治疗黑色素瘤疾病的关键靶点,开发高效DHPS变构抑制剂具有重要的临床价值。前期研究中,我们合成了一系列酰胺哒嗪类小分子化合物,然而,由于溴代和碘代反应活性较高,传统的铃木偶联反应合成方法难以获得高纯度的含溴/碘目标化合物,限制了其后续生物活性研究。针对这一问题,本研究拟基于Sandmeyer反应,针对溴/碘的高活性,采用新的合成方法,旨在制备10个结构新颖、高纯度的含溴/碘酰胺哒嗪类小分子化合物。通过核磁共振氢谱、碳谱及高分辨质谱等手段对目标化合物进行结构表征,并进一步评估其对DHPS的抑制活性及变构机制。本研究不仅为DHPS变构抑制剂的研究提供了新的候选分子,也为含溴/碘酰胺哒嗪类化合物的合成提供了新的策略。
指导老师提供在项目实施过程中所需的专业知识和技能支持
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
李丰硕 医药工程学院 生物制药(本科) 2023 文献整理,仪器方法开发及论文写作
马梓程 医药工程学院 生物制药(本科) 2023 仪器方法开发及论文写作
王静 医药工程学院 生物制药(本科) 2023 数据收集和处理
付小桐 医药工程学院 生物制药(本科) 2023 文献整理及论文写作
刘雨蒙 医药工程学院 生物制药(本科) 2023 图文插入及数据处理
刘叶 医药工程学院 生物制药(本科) 2024 图文插入及整理

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
刘凯利 医药工程学院

立项依据

在前期探索新型DHPS变构抑制剂的研究中,我们尝试合成含溴/碘的酰胺哒嗪类小分子药物,但由于溴和碘的高反应活性,导致难以获得高纯度的目标化合物,从而无法深入探究含溴/碘化合物的构效关系。基于此,本研究旨在优化合成路线,设计并合成10个结构新颖的含溴/碘酰胺哒嗪类小分子化合物。我们将通过核磁共振氢谱(1H NMR)、碳谱(13C NMR)及高分辨质谱(HRMS)等先进分析手段,对目标化合物进行全面的结构表征。此外,本研究将进一步评估这些化合物对DHPS的抑制活性,并深入探究其变构机制,以期为新型DHPS抑制剂的开发提供重要的理论依据和实验数据支持。
1.化合物的合成
在本项目中,我们将基于已有的含氟/氯酰胺哒嗪类小分子药物的成功合成路线,进一步优化和拓展合成策略。首先,我们将合成含氨基的酰胺哒嗪类小分子化合物作为关键中间体。随后,通过经典的Sandmeyer反应,将氨基高效转化为溴或碘取代基,从而获得结构新颖的含溴/碘目标化合物。这一合成路线不仅具有较高的可行性和可重复性,还能有效避免直接引入高活性溴/碘原子时可能产生的副反应,从而提高目标化合物的纯度和收率。通过这一优化策略,我们期望为后续的构效关系研究和生物活性评价提供高质量的化合物库。
2.目标化合物的表征
本项目将基于目标化合物的结构特点,结合SciFinder化学数据库进行全面的文献调研与路线分析,筛选并优化出高效、可行的合成路线,确保目标化合物的可重复性与高产率。在此基础上,我们将合成10个结构新颖的目标化合物,以丰富化合物库并支持后续研究。
为确证目标化合物的结构准确性,我们将采用高分辨质谱(HRMS)、核磁共振氢谱(1H NMR)和碳谱(13C NMR)等多种先进表征手段进行系统分析,确保化合物结构的精确解析。同时,通过高效液相色谱法(HPLC)对目标化合物进行纯度检测,确保其纯度满足后续生物活性评价的要求。这一系列严谨的表征与验证手段将为化合物的结构确证和质量控制提供可靠保障,为后续的构效关系研究和生物活性评价奠定坚实基础。
3.酶抑制能力研究
本项目将通过体外酶抑制实验,系统评价目标化合物对DHPS酶的抑制活性。具体而言,我们将利用酶联检测分析仪,实时监测DHPS催化反应过程中辅因子NAD向NADH的转化过程,通过测定NADH的生成量来精确评估目标化合物对酶活性的抑制效果。实验将采用梯度浓度的目标化合物进行测试,以全面分析其剂量-效应关系,并进一步通过数据拟合计算出IC50值,从而定量表征目标化合物的抑制活性。这一研究策略不仅能够筛选出高活性的DHPS抑制剂,还能为后续的构效关系研究和药物优化提供关键数据支持。
4.细胞增殖抑制能力研究
本项目将通过CCK-8实验,系统评价目标化合物对人黑色素瘤细胞(A375和SK-MEL-28)增殖的抑制活性,同时评估其对正常非癌细胞(HaCaT)的毒性作用,以初步筛选具有高选择性和低毒性的候选化合物。具体而言,我们将采用梯度浓度的目标化合物处理细胞,利用酶联检测分析仪测定细胞活力,通过定量分析细胞增殖抑制率,绘制剂量-效应曲线,并计算目标化合物对肿瘤细胞和非癌细胞的IC50值。这一实验设计不仅能够筛选出高效抑制肿瘤细胞增殖的化合物,还能评估其潜在的安全性,为后续的药物开发提供重要的体外实验依据和候选分子。
3.构效关系研究
本项目基于酶抑制活性和细胞抑制活性的实验结果,系统研究了酰胺哒嗪类化合物的构效关系,重点阐明了卤素取代基的位置效应对化合物生物活性的影响机制。通过分子对接、分子动力学模拟等计算化学方法,结合实验验证,揭示了关键药效团的空间构型与靶点蛋白相互作用的分子机制。本研究不仅为酰胺哒嗪类抗肿瘤药物的开发提供了重要的理论依据,也为后续的临床前研究奠定了坚实的基础。
summernote-img
图1. 目标化合物的合成。
黑色素瘤是由黑色素细胞癌变而来的皮肤癌症,具有侵袭性强、易转移、预后差等特点1。近年来,黑色素瘤发病率和病死率逐年上升,严重危害人类的生命健康2。脱氧羟腐胺赖氨酸合酶(deoxyhypusine synthase,DHPS)是催化真核细胞翻译起始因子5A(eukaryotic translation initiation factor 5A,eIF5A)羟腐胺化的关键酶,羟腐胺化修饰过程是将亚精胺的4-氨基丁基转移到eIF5A前体的特定赖氨酸上,eIF5A经过修饰后的才具有完整功能,在多种细胞进程中起关键作用3,4。研究发现,DHPS在多种肿瘤中高表达,
经羟腐胺化的eIF5A能促进肿瘤的发展,使用DHPS抑制剂限制DHPS的催化功能可以有效抑制肿瘤细胞的增殖5。

在黑色素瘤中,DHPS除了具有上述功能外,还具有与其他肿瘤不同的作用:DHPS能够抑制黑色素瘤细胞中细胞周期抑制因子p21的表达,这种负调节作用与催化功能无关,仅出现在人黑色素瘤细胞A375和SK-MEL-28细胞系中,被称为“细胞种类特异性”6。此外,DHPS催化抑制剂在黑色素瘤细胞和神经母细胞瘤细胞中对p21表现出相反的调节能力,DHPS催化抑制剂能够抑制黑色素瘤细胞中p21的表达6,却会增加神经母细胞瘤细胞中p21的含量7,8,这也是黑色素瘤细胞与其他肿瘤细胞的不同之处。一直以来对p21的认知是:
p21是肿瘤抑制因子p53的主要效应物,能够抑制细胞周期的进程而发挥抑癌作用9,然而研究表明,p21在肿瘤中是一把双刃剑,在不经p53调控时,具有促癌作用10。在黑色素瘤细胞中,p21的表达与p53含量无关11。p21可以与小眼畸形相关转录因子(microphthalmia-associated transcription factor,MITF)形成正反馈回路,促进黑色素相关蛋白的表达,进而促进黑色素瘤的发展11。

由此可初步推断,针对DHPS开发基因药物、PROTAC药物或分子胶药物与抑制DHPS催化功能的小分子药物作用机制不同,这一点在指导教师的前期研究中也得到证实,针对DHPS靶点的siRNA和DHPS催化功能抑制剂进行基因测序,发现它们对黑色素瘤细胞中癌基因的
影响不同,小分子药物比siRNA更能够有效下调多种癌基因的表达,进一步证实了DHPS催化功能抑制剂的优越性。

针对DHPS催化功能对的抑制剂分两大类,一类是DHPS底物抑制剂,这类小分子化合物是模拟DHPS底物亚精胺的结构,占据DHPS蛋白上亚精胺的结合位点,阻碍4-氨基丁基的转移,从而抑制eIF5A的羟腐胺化12。DHPS底物抑制剂发现早,种类多,以GC7为代表,能够抑制多种癌细胞的增殖13–17。而体内亚精胺的生理功能并不局限于eIF5A的活化,导致亚精胺的作用位点多,如β肾上腺素受体18和线粒体三功能蛋白(mitochondrial trifunctional protein,MTP)19,因此通过模拟亚精胺的结构得到的DHPS底物抑制剂具有多靶点的缺点。目前所有DHPS底物抑制剂中,研究最为深入的GC7具有选择性低、体内活性差的缺点,在异种移植黑色素瘤模型中无肿瘤抑制能力20。

另一类抑制剂为DHPS变构抑制剂,这类抑制剂发现较晚,目前关于变构抑制剂的新化合物的文献仅有三篇。其中两篇是Yuta Tanaka等人于2020年根据高通量筛选发现DHPS变构位点,设计并合成了两类DHPS变构抑制剂,分别是酰胺吲哚类21和二氢噻吩并吡啶类22,这两类化合物与DHPS变构位点结合后,导致NAD(DHPS需要在NAD的参与下才能够进行羟腐胺化修饰)和亚精胺结合位点附近的α螺旋展开,发生空间位置变化的氨基酸残基占据NAD或亚精胺的结合位点,从而抑制DHPS的催化活性,这为开发高选择性的DHPS抑制剂提供了思路,也是开发以DHPS为靶点的抗黑色素瘤药物的出路。但是Yuta Tanaka等人并没有进一步检测这两类化合物的肿瘤抑制能力。第三篇是指导教师于2021年根据DHPS变构位点开发而来的苯基嘧啶类化合物A8m23,并进一步深入研究发现DHPS变构抑制剂与黑色素瘤之间的关系。

指导教师近年来一直从事DHPS变构抑制剂的抗黑色素瘤研究,首次报道了苯基嘧啶类DHPS变构抑制剂,该类化合物结构新颖、选择性高、毒性低。其中化合物A8m23在体内和体外的抗黑色素瘤能力均优于GC7,应用前景广阔,值得深入研究。

参考文献:
(1) Alicea, G. M.; Rebecca, V. W. Emerging Strategies to Treat Rare and Intractable Subtypes of Melanoma. Pigment Cell Melanoma Res 2021, 34 (1), 44–58. https://doi.org/10.1111/pcmr.12880.
(2) Varnai, M.; Kiss, Z.; Gyulai, R.; Olah, J.; Hollo, P.; Emri, G.; Csejtei, A.; Kenessey, I.; Benedek, A.; Polanyi, Z.; Nagy-Erdei, Z.; Daniel, A.; Knollmajer, K.; Rokszin, G.; Fabian, I.; Barcza, Z.; Polgar, C.; Nagy, B.; Liszkay, G.; Voko, Z. Improving Quality Indicator of Melanoma Management - Change of Melanoma Mortality-to-Incidence Rate Ratio Based on a Hungarian Nationwide Retrospective Study. Front Oncol 2021, 11. https://doi.org/10.3389/fonc.2021.745550.
(3) Stolarska, E.; Paluch-Lubawa, E.; Grabsztunowicz, M.; Tanwar, U. K.; Arasimowicz-Jelonek, M.; Phanstiel, O.; Mattoo, A. K.; Sobieszczuk-Nowicka, E. Polyamines as Universal Bioregulators across Kingdoms and Their Role in Cellular Longevity and Death. CRC Crit Rev Plant Sci 2023, 42 (6), 364–384. https://doi.org/10.1080/07352689.2023.2247886.
(4) Guo, J. S.; Liu, K. L.; Qin, Y. X.; Hou, L.; Jian, L. Y.; Yang, Y. H.; Li, X. Y. Hypusination-Induced DHPS/EIF5A Pathway as a New Therapeutic Strategy for Human Diseases: A Mechanistic Review and Structural Classification of DHPS Inhibitors. BIOMEDICINE & PHARMACOTHERAPY 2023, 167. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2023.115440.
(5) Gobert, A. P.; Smith, T. M.; Latour, Y. L.; Asim, M.; Barry, D. P.; Allaman, M. M.; Williams, K. J.; McNamara, K. M.; Delgado, A. G.; Short, S. P.; Mirmira, R. G.; Rose, K. L.; Schey, K. L.; Zagol-Ikapitte, I.; Coleman, J. S.; Boutaud, O.; Zhao, S. L.; Piazuelo, M. B.; Washington, M. K.; Coburn, L. A.; Wilson, K. T. Hypusination Maintains Intestinal Homeostasis and Prevents Colitis and Carcinogenesis by Enhancing Aldehyde Detoxification. Gastroenterology 2023, 165 (3). https://doi.org/10.1053/j.gastro.2023.05.041.
(6) Becker, A. E.; Wu, P. K.; Park, J. I. Eif5a-Independent Role of Dhps in P21cip1 and Cell Fate Regulation. Int J Mol Sci 2021, 22 (24). https://doi.org/10.3390/ijms222413187.
(7) Schultz, C. R.; Geerts, D.; Mooney, M.; El-Khawaja, R.; Koster, J.; Bachmann, A. S. Synergistic Drug Combination GC7/DFMO Suppresses Hypusine/Spermidine-Dependent EIF5A Activation and Induces Apoptotic Cell Death in Neuroblastoma. Biochemical Journal 2018, 475 (2), 531–545. https://doi.org/10.1042/bcj20170597.
(8) Bandino, A.; Geerts, D.; Koster, J.; Bachmann, A. S. Deoxyhypusine Synthase (DHPS) Inhibitor GC7 Induces P21/Rb-Mediated Inhibition of Tumor Cell Growth and DHPS Expression Correlates with Poor Prognosis in Neuroblastoma Patients. Cellular Oncology 2014, 37 (6), 387–398. https://doi.org/10.1007/s13402-014-0201-9.
(9) Jung, B. C.; Kim, S. H.; Cho, Y.; Kim, Y. S. Tumor Suppressor Parkin Induces P53-Mediated Cell Cycle Arrest in Human Lung and Colorectal Cancer Cells. BMB Rep 2023, 56 (10), 557–562. https://doi.org/10.5483/BMBRep.2023-0134.
(10) Galanos, P.; Vougas, K.; Walter, D.; Polyzos, A.; Maya-Mendoza, A.; Haagensen, E. J.; Kokkalis, A.; Roumelioti, F. M.; Gagos, S.; Tzetis, M.; Canovas, B.; Igea, A.; Ahuja, A. K.; Zellweger, R.; Havaki, S.; Kanavakis, E.; Kletsas, D.; Roninson, I. B.; Garbis, S. D.; Lopes, M.; Nebreda, A.; Thanos, D.; Blow, J. J.; Townsend, P.; SØrensen, C. S.; Bartek, J.; Gorgoulis, V. G. Chronic P53-Independent P21 Expression Causes Genomic Instability by Deregulating Replication Licensing. Nat Cell Biol 2016, 18 (7), 777–789. https://doi.org/10.1038/ncb3378.
(11) Šestáková, B.; Ondrušová, L.; Vachtenheim, J. Cell Cycle Inhibitor P21/WAF1/CIP1 as a Cofactor of MITF Expression in Melanoma Cells. Pigment Cell Melanoma Res 2010, 23 (2), 238–251. https://doi.org/10.1111/j.1755-148X.2010.00670.x.
(12) Lee, G. K.; Kim, H. Y.; Park, J. H. Inhibiting Eukaryotic Initiation Factor 5A (EIF5A) Hypusination Attenuated Activation of the SIK2 (Salt-Inducible Kinase 2)-P4E-BP1 Pathway Involved in Ovarian Cancer Cell Proliferation and Migration. Mol Biol Rep 2023, 50 (7), 5807–5816. https://doi.org/10.1007/s11033-023-08510-5.
(13) Lee, S.-K.; Lee, J.; Lee, S.-I.; Bae, W.-J.; Lee, Y.-M.; Park, J.-S.; Lee, S.-K.; Park, S.-J.; Min, S.-K.; Kim, E.-C. N1-Guanyl-1,7,-Diamineoheptane, an Inhibitor of Deoxyhypusine Synthase, Suppresses Differentiation and Induces Apoptosis via Mitochondrial and AMPK Pathways in Immortalized and Malignant Human Oral Keratinocytes. Journal of Oral Pathology & Medicine 2009, 38 (10), 792–800. https://doi.org/10.1111/j.1600-0714.2009.00809.x.
(14) Chen, Z. P.; Yan, Y. P.; Ding, Q. J.; Knapp, S.; Potenza, J. A.; Schugar, H. J.; Chen, K. Y. Effects of Inhibitors of Deoxyhypusine Synthase on the Differentiation of Mouse Neuroblastoma and Erythroleukemia Cells. Cancer Letters (Shannon, Ireland) 1996, 105 (2), 233–239. https://doi.org/10.1016/0304-3835(96)04287-5.
(15) Shi, X.-P.; Yin, K.-C.; Ahern, J.; Davis, L. J.; Stern, A. M.; Waxman, L. Effects of N1-Guanyl-1,7-Diaminoheptane, an Inhibitor of Deoxyhypusine Synthase, on the Growth of Tumorigenic Cell Lines in Culture. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res 1996, 1310 (1), 119. https://doi.org/10.1016/0167-4889(95)00165-4.
(16) Bandino, A.; Geerts, D.; Koster, J.; Bachmann, A. S. Deoxyhypusine Synthase (DHPS) Inhibitor GC7 Induces P21/Rb-Mediated Inhibition of Tumor Cell Growth and DHPS Expression Correlates with Poor Prognosis in Neuroblastoma Patients. CELLULAR ONCOLOGY 2014, 37 (6), 387–398. https://doi.org/10.1007/s13402-014-0201-9.
(17) Jasiulionis, M. G.; Luchessi, A. D.; Moreira, A. G.; Souza, P. P. C.; Suenaga, A. P. M.; Correa, M.; Costa, C. A. S.; Curi, R.; Costa-Neto, C. M. Inhibition of Eukaryotic Translation Initiation Factor 5A (EIF5A) Hypusination Impairs Melanoma Growth. Cell Biochem Funct 2007, 25 (1), 109–114. https://doi.org/10.1002/cbf.1351.
(18) Meana, C.; Bordallo, J.; Bordallo, C.; Suárez, L.; Cantabrana, B.; Sánchez, M. Functional Effects of Polyamines via Activation of Human Β1-and Β2-Adrenoceptors Stably Expressed in CHO Cells. Pharmacological Reports 2010, 62 (4), 696–706. https://doi.org/10.1016/S1734-1140(10)70327-3.
(19) Al-Habsi, M.; Chamoto, K.; Matsumoto, K.; Nomura, N.; Zhang, B.; Sugiura, Y.; Sonomura, K.; Maharani, A.; Nakajima, Y.; Wu, Y.; Nomura, Y.; Menzies, R.; Tajima, M.; Kitaoka, K.; Haku, Y.; Delghandi, S.; Yurimoto, K.; Matsuda, F.; Iwata, S.; Ogura, T.; Fagarasan, S.; Honjo, T. Spermidine Activates Mitochondrial Trifunctional Protein and Improves Antitumor Immunity in Mice. Science (1979) 2022, 378 (6618). https://doi.org/10.1126/science.abj3510.
(20) Jasiulionis, M. G.; Luchessi, A. D.; Moreira, A. G.; Souza, P. P. C.; Suenaga, A. P. M.; Correa, M.; Costa, C. A. S.; Curi, R.; Costa-Neto, C. M. Inhibition of Eukaryotic Translation Initiation Factor 5A (EIF5A) Hypusination Impairs Melanoma Growth. Cell Biochem Funct 2007, 25 (1), 109–114. https://doi.org/10.1002/cbf.1351.
(21) Tanaka, Y.; Kurasawa, O.; Yokota, A.; Klein, M. G.; Ono, K.; Saito, B.; Matsumoto, S.; Okaniwa, M.; Ambrus-Aikelin, G.; Morishita, D.; Kitazawa, S.; Uchiyama, N.; Ogawa, K.; Kimura, H.; Imamura, S. Discovery of Novel Allosteric Inhibitors of Deoxyhypusine Synthase. J Med Chem 2020, 63 (6), 3215–3226. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.9b01979.
(22) Tanaka, Y.; Kurasawa, O.; Yokota, A.; Klein, M. G.; Saito, B.; Matsumoto, S.; Okaniwa, M.; Ambrus-Aikelin, G.; Uchiyama, N.; Morishita, D.; Kimura, H.; Imamura, S. New Series of Potent Allosteric Inhibitors of Deoxyhypusine Synthase. ACS Med Chem Lett 2020, 11 (8), 1645–1652. https://doi.org/10.1021/acsmedchemlett.0c00331.
(23) Liu, K.; Li, X.; Wang, D.; Xue, W.; Qian, X.; Li, Y.; Lin, Q.; Li, S.; Meng, F. Novel Allosteric Inhibitors of Deoxyhypusine Synthase against Malignant Melanoma: Design, Synthesis, and Biological Evaluation. J Med Chem 2021, 64 (18), 13356–13372. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c00582.
本项目拟基于已建立的含氟/氯酰胺哒嗪类小分子药物合成路线,设计并合成一系列含氨基的酰胺哒嗪类关键中间体。采用Sandmeyer反应等高效合成策略,将氨基定向转化为溴/碘取代基,构建结构新颖的含卤素酰胺哒嗪类化合物库。通过核磁共振(NMR)、高分辨质谱(HRMS)等现代分析技术对目标化合物进行系统表征,确证其化学结构。在此基础上,运用酶动力学实验和细胞水平评价体系,全面评估目标化合物的酶抑制活性及抗黑色素瘤细胞增殖活性。结合分子对接和分子动力学模拟技术,深入探究化合物与靶标蛋白的结合模式及作用机制,阐明卤素原子的电子效应和空间效应对生物活性的影响规律,为新型抗黑色素瘤药物的研发提供先导化合物和理论依据。
技术路线

summernote-img

1.化合物的合成
基于已建立的含氟/氯酰胺哒嗪类化合物的合成路线,借助SciFinder数据库确认最优反应条件,制备10个目标化合物,合成路线如下:

summernote-img
合成路线:a)水合肼,盐酸,水,100℃,4小时;b)三氯氧磷,100℃,4小时;c)氨水,150℃, 5小时;d)氢碘酸,100℃,过夜;e)二氯亚砜,DMF,55℃,5小时;f)三乙胺,DMAP,二氯甲烷,室温,过夜;g)取代苯硼酸,碳酸铯,1,4二氧六环,蒸馏水,氩气,100℃,过夜;h)亚硝酸钠,碘化亚铜,氢溴酸(氢碘酸),水,6小时。

2.目标化合物的表征

高分辨质谱:将待测样品溶解在甲醇溶剂中,确保样品完全溶解且浓度约为1 mg/mL。使用滤膜过滤样品,以去除不溶性颗粒,防止堵塞质谱仪。选择电喷雾电离(ESI)离子源,启动质谱仪,开始数据采集,获得高质量的质谱图。

核磁共振氢谱:将待测样品溶解在氘代溶剂中(DMSO-d₆),确保样品完全溶解且浓度适中。使用干净的NMR样品管,将溶解好的样品溶液转移至样品管中,液面高度约为4-5 cm。将样品管放入探头中,使用自动方式对探头进行调谐和匹配,确保信号灵敏度最佳。以内标(TMS,四甲基硅烷)为参考(0 ppm),标定化学位移。对峰进行积分,分析峰的化学位移、耦合常数(J值)和积分面积,推断氢原子的化学环境。

核磁共振碳谱:与氢谱相同,将样品溶解在DMSO-d₆溶剂中,并装入NMR样品管。使用质子去耦以消除13C-1H耦合,简化谱图。以内标(TMS)为参考(0 ppm),标定化学位移。根据化学位移值,结合氢谱和其他谱学数据,推断碳原子的化学环境。

3.DHPS酶抑制活性
使用NAD/NADH-Glo(Promega)进行测定,将0.5 μg的DHPS 酶(Abcam)使用50 μL的甘氨酸-NaOH 缓冲液(pH 9.0)稀释,并向反应体系中加入1 μL包含不同浓度的目标化合物的甲醇溶剂、20 μM的亚精胺、100 μM的NAD。37°C反应2小时,然后将50 μL体积的混合物加入到不透光的96孔板中,并加入等体积(50 μL)的NADH-Glo试剂,室温反应30分钟。最后,使用 BioTek Epoch全波长酶标仪根据比色法记录发光读数。并根据生成的NADH,计算化合物对DHPS酶抑制活性的IC50值。

4.黑色素瘤细胞抑制活性
将A375细胞、SK-MEL-28细胞和HaCaT细胞在含有100 U/mL青霉素、100 µg/mL链霉素和10% (v/v) 热灭活胎牛血清的Roswell Park Memorial Institute (RPMI) 1640培养基中培养。然后,将细胞在二氧化碳培养箱中培养,设置条件为37°C、5%浓度的CO2、95%的空气,以及饱和湿度。通过形态学检查定期鉴定细胞并检测支原体污染。
使用CCK-8评估目标化合物和GC7对细胞生长的抑制作用。首先,将四种细胞系以密度为每孔约3000个细胞接种在96孔板中,并在37°C、5%CO2的培养箱中培养过夜。此外,将100 μL不同浓度(0、0.001、0.01、0.1、1、10 μM)的目标化合物和GC7加入相应孔中,并培养24小时。接下来,将10 μL的CCK-8溶液添加到每个孔中,并将板孵育4小时。最后,在490 nm处检测每个孔的吸光度,并计算黑色素瘤细胞抑制活性的IC50值。

5.构效关系研究
根据酶抑制活性和细胞抑制活性结果,评价目标化合物不同卤素,以及氨基脲或亚甲基脲对活性的影响,总结出基团与活性的规律,并筛选出最优的化合物。






























2025年4月-2026年3月
借助SciFinder数据库探索最优反应条件,制备10个目标化合物,并对结构和纯度进行确证。
2026年4月-2027年4月
对目标化合物进行酶抑制活性评价和黑色素瘤细胞抑制活性评价,并总结构效关系。
总结课题,申请专利,发表科研成果。
summernote-img1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
指导教师在药物化学top期刊Journal of medicinal chemisty以第一作者发表与本项目相关研究论文 1篇(Journal of Medicinal Chemistry 2021.64(18):13356–72.),在top期刊European journal of medicinal chemisty以共同一作发表研究论文1篇(European Journal of Medicinal Chemistry 2021.211:113083.),累计因子15.127。
(1)构效关系总结


summernote-img
                                                                 
                                                                     
                                                                      图2-1. 前期研究中的DHPS变构抑制剂

前期研究中包含两个系列的DHPS变构抑制剂,代表化合物如图2-1所示。这些工作基础让申请者对DHPS构效关系有了深入的认识;(1)在A8m的基础上,苄基的引入会显著影响化合物的活性,也会影响卤素在苯环上最优的取代位置,卤素与Leu281之间的卤键,对活性至关重要,导致其它取代基的活性远远劣于卤素,卤素未能形成卤键,会显著降低化合物活性,少部分情况下会使化合物丧失活性。(2)嘧啶环上引入大基团取代基会显著降低活性,而缩小或改变取代基会丢失原有的与氨基酸残基相互作用,也会导致活性下降。(3)邻甲氧基苯基位于DHPS变构位点的疏水性空腔中,适合结合脂肪取代基。
(2)细胞活性研究
目标化合物对人黑色素瘤细胞系A375和SK-MEL-28细胞的增殖具有良好的抑制作用,而对鼠黑色素瘤细胞系B16细胞增殖的抑制作用较差。至于正常细胞系HaCaT,一半的化合物甚至没有活性,这有力地表明了目标化合物的高选择性。图2-2证实了不同细胞系之间DHPS含量的差异性,虽然总体来说DHPS在癌细胞中是高表达的,但癌细胞之间DHPS表达量也有差异。只有A375和SK-MEL-28细胞能够高表达DHPS,而B16细胞中DHPS的含量并没有人恶性黑色素瘤细胞中的高,其它癌细胞中黑色素瘤表达量更低。从这一证据来看,目标化合物对人类恶性黑色素瘤细胞的效力远优于其它肿瘤的效力是合理的。

summernote-img

                                                                       图2-2. DHPS在不同癌细胞中的含量

(3)分子对接和分子动力学研究
在分子对接中,化合物A8m的中间连接体嘧啶环上的Cl原子与残基Met278之间形成的卤键在空间上与酰胺吲哚类的酰胺键与氨基酸残基形成的氢键相似。这种相互作用在蛋白质口袋中起着固定作用,使得这两个化合物的连接体(图2-4Ab和2-4Ad中的蓝色椭圆形框架)和边缘的溴原子取代的芳香环(图2-3Ab和2-3Ad中的粉色矩形框架)的空间位置几乎相同。而在A8m结构的基础上,使用乙二醇修饰嘧啶环,得到的化合物A9l,其对接构象与A8m的朝向不同,大基团取代后,分子结构更靠近蛋白质口袋外侧,造成化合物活性下降,且进一步导致卤素在苯环上最优取代位置的改变。
基于分子对接获得的结果,化合物A8m和酰胺吲哚类化合物的优异的对接姿势使用GROMACS进行分子动力学模拟。如图2-3Ba所示,与起始结构相比,化合物A8m的骨架均方根偏差(RMSD)在10 ns的模拟过程中趋于在0.75 nm左右,且与酰胺吲哚类相比,A8m的RMSD值直观上振荡较小,说明化合物A8m在变构位点稳定。而使用甲氧基代替A8m苯环上的溴原子得到的化合物A8f(无法与Leu281形成卤键),其RMSD值显示出巨大差异,A8f的波动超过A8m。选取分子动力学模拟结束的时间点的A8m和酰胺吲哚类化合物的对接姿态,酰胺吲哚类化合物与受体活性口袋之间的大部分相互作用仍然存在,而连接体羰基与Lys329之间的氢键变为羰基与残基Val286之间的氢链。对于化合物A8m,嘧啶环与残基Val286之间CH-π的相互作用取代了原来的卤素键,起到固定作用。
分子对接和分子动力学的结果,进一步说明了卤素取代的重要性,以及嘧啶环上大基团取代对空间效应不利。

summernote-img



图2-3.(A)酰胺吲哚类化合物(a.和b.)、化合物A8m(c.和d.)和化合物A9l(e.和f.)在DHPS变构位点内的对接姿势(PDB ID: 6PGR)(B) 10 ns MD模拟中的RMSD趋势(a.和b.),以及模拟结束时酰胺吲哚类(c.)和化合物A8m(d.)的对接姿势

(4)western blot实验
Western blot结果显示化合物A8m对A375和SK-MEL-28细胞中细胞增殖相关蛋白的变化,结果如图2-4A所示。随着A8m浓度的增加,caspase3被激活,裂解的caspase3增加。黑色素瘤细胞的相关标记蛋白如图2-4B所示,化合物A8m可以显著抑制细胞中GP-100蛋白和酪氨酸酶的表达。DHPS下游eIF5A蛋白以多种形式存在,其中eIF5A2是癌细胞增殖和代谢的重要因子。western blot结果表明,eIF5A2蛋白表达随着化合物A8m浓度的增加而降低,而总eIF5A含量在较高的药物浓度下才发生显著变化。
ELISA定量检测A375和SK-MEL-28细胞中黑色素和酪氨酸酶的表达,结果如图2-4C所示。随着化合物A8m浓度的增加,A375和SK-MEL-28细胞中的黑色素和酪氨酸酶的数量显著减少。
summernote-img
图2-4. 化合物A8m处理后黑色素瘤相关蛋白变化的western blot分析 (A)化合物A8m对黑色素瘤细胞凋亡蛋白表达的影响 (B)化合物A8m对黑色素瘤细胞中黑色素瘤相关蛋白和DHPS相关蛋白表达的影响 (C)化合物A8m对黑色素瘤细胞酪氨酸酶和黑色素表达的影响

在A8m结构基础上,优化得到的B7k,其作用与A8m一致,结果如图2-5所示。B7k在不影响DHPS表达量的情况下,有效降低羟腐胺化eIF5A的含量。在2-5B中,B7k对三种黑色素相关的蛋白的影响大致相同,那就是能够以浓度依赖的方式抑制GP-100、酪氨酸酶和MC1R的表达,尤其在高浓度条件下,对这三种蛋白的抑制效果尤为明显。ELISA试剂盒与斑马鱼胚胎结果都显示,B7k能够有效抑制黑色素的生成。
summernote-img

图2-5. 化合物B7k和GC7对A375和SK-MEL-28黑色素瘤细胞中相关蛋白表达的影响。(A) 化合物B7k和GC7对黑色素瘤细胞中DHPS、eIF5A和羟腐胺化eIF5A 蛋白相对表达的影响。(B) 化合物B7k和GC7对黑色素瘤细胞中GP-100、酪氨酸酶(TYR)和MC1R相对表达的影响。(C) 使用ELISA测定法检测B7k和GC7处理后黑色素瘤细胞中黑色素含量的变化。(D)每组50个斑马鱼胚胎中B7k和GC7对斑马鱼黑色素形成的抑制作用,孵育48小时。

(5)细胞划痕和transwell实验
在图2-6中,化合物A8m以剂量依赖的方式有效抑制A375和SK-MEL-28细胞的迁移。而黑色素瘤细胞迁移的抑制与MMP2和MMP9的下调有关,化合物A8m能够有效抑制MMP2和MMP9的表达。
summernote-img
图2-6. 化合物A8m对A375和SK-MEL-28细胞迁移的抑制作用。(A)化合物A8m对A375和SK-MEL-28迁移的抑制作用的transwell分析和细胞划痕实验。(B)随着化合物A8m浓度的增加,MMP2和MMP9变化的western blot分析。

(6)肿瘤异种移植模型
A8m和B7k均有效抑制SK-MEL-28肿瘤组织的增殖,与空白对照组相比,两者的肿瘤生长抑制(TGI)均大于60%。B7k的TGI达到72%,比A8m的TGI略高。但相比之下,两个化合物并无统计学差异,证明两个化合物均为高效的抑制黑色素瘤生长的药物。
将肿瘤组织中的Ki67、eIF5A2和GP-100指标进行了IHC分析,结果如图2-7B所示。A8m和B7k给药后的肿瘤组织中,Ki67、eIF5A2和GP-100在肿瘤组织中的表达显著降低。
summernote-img


图2-7. SK-MEL-28肿瘤异种移植模型中B7k和A8m的抗黑色素瘤研究。(A)a. 使用无菌生理盐水溶液(SPSS)作为阴性对照,每3天腹腔内给予A8m和B7k,剂量为160 mg/kg,第21天处死小鼠,解剖得肿瘤组织;b. 每给药3天后测量裸鼠的体重;c. 异种移植模型在第21天被安乐死后,解剖肿瘤组织并称重;d. 给药后每3天测量一次裸鼠的肿瘤体积;e. B7k与A8m肿瘤抑制指数的比较。(B) SPSS、B7k和A8m给药后肿瘤组织中相关蛋白表达水平的免疫组织化学分析。















已具备的实验条件

(1)依托单位的科研平台有:1)实验动物中心。2)国家基因库济宁分库临床样本库。3)大型仪器设备平台。4)生物统计和生物信息分析平台。5)分子生物学平台。在计算机辅助药物设计、药物合成、生物学评价等方面具有完备的实验设备和条件。
(2)依托单位图书馆拥有包括SciFinder等32个中外数据库,满足实验开展的文献需求。
(3)本研究室还拥有小分子合成所需仪器和设备,如旋转蒸发仪、精密电子天平、磁力搅拌机、恒温干燥箱。以及后续检测所需高效液相、气相色谱仪、二氧化碳培养箱、倒置显微镜、凝胶电泳仪、超低温冰箱、凝胶成像分析系统、离心机、酶标仪等。与本课题相关的试验试剂、消耗品等均可根据试验需求购买到。

尚缺少的条件

尚缺少开展相关研究所需的经费

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 结构验证和活性检测 6000.00 14000.00
1. 业务费 12000.00 测试和发表文章 2000.00 10000.00
(1)计算、分析、测试费 4000.00 氢谱、质谱 2000.00 2000.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 8000.00 0.00 8000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 8000.00 一抗、二抗、化学原料 4000.00 4000.00
结束