潍坊妇幼保健院抗癌药物材料

2021年2月6日发(作者：血糖值)
字数：
4654
胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶双抑制剂的研究进展
*


康从民，张德华，孙宗彬，王新宇

(
青岛科技大学化工学院，青岛

266042)

[
摘要
]


胸苷酸 合成酶
(TS)
和二氢叶酸还原酶
(DHFR)
在肿瘤、病菌的化学治疗中都 是
重要靶点，已有多种抑制剂应用于临床。近年来，随着对
TS
和
DHFR< br>作用机制和抑制剂药
物的耐药机制的不断阐明，
人们设计和合成了一系列新的抑制剂，< br>其中双抑制剂成为研究的
热点。
现对胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶抑制剂药物临床应用 进行综述，
并介绍胸苷酸合
成酶和二氢叶酸还原酶双抑制剂的研究进展。

[
关键词
]


胸苷酸合成酶，二氢叶酸还原酶，双抑制剂

[
中图分类号
]


R979.1

[
文献标识码
]
A


[
文章编号
]

Current status of dual thymidylate synthase and dihydrofolate reductase inhibitors

KANG Cong-min, ZHANG De-hua, SUN Zong-bin, WANG Xin-yu
(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao
266042 ,China)

[Abstract] Thymidylate synthase(TS) and dihydrofolate reductase(DHFR) both are important
targets in chemotherapy of tumors and pathogens. A number of their inhibitors have been applied
to the clinical. With the mechanisms of those two enzymes and the resistance mechanisms of their
inhibitors been clarified, an array of new inhibitors have been designed and synthesized, especially,
dual
thymidylate
synthase
and
dihydrofolate
reductase
inhibitors
have
became
a
hotspot
for
treatment research. The clinical application of thymidylate synthase and dihydrofolate reductase
inhibitors and the current available their dual inhibitors are discussed in this paper.
[Key words] thymidylate synthase; dihydrofolate reductase; dual inhibitors

胸苷酸合成酶
(thymidylate
synthase,
TS)
和二氢叶酸还原酶
(dihydrofolate
reductase,
DHFR)
是合成
DNA
的必需前体物胸腺 嘧啶脱氧核苷
(dTMP)
的关键酶，
在细胞增殖中起着重
要的作用，是肿瘤 和传染性疾病如疟疾等化学治疗的重要靶点
[1,2]
。胸苷酸合成酶催化尿嘧
啶脱氧 核苷
(dUMP)
和亚甲基四氢叶酸反应生成胸腺嘧啶脱氧核苷
(dTMP)
和二氢叶酸
[3,4]
。
二
氢叶酸还原酶在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
(NADPH)
的存在下催化二氢叶酸还原为四氢叶
酸
[5]
。
因 此，
抑制
DHFR
、
TS
或者同时抑制二者能导致细胞
“嘧 啶缺失性死亡”
(
“thymineless
death”)
[6]
，就能抑制
DNA
的生物合成进而抑制细胞生长或增殖。

通过抑制
TS
和
DHFR
而阻断
DNA
的生物合成，进而抑制肿瘤细胞、微 生物和原生动
物的增殖和生长，临床上分别有抗肿瘤、抗菌和抗原虫的功效
[7,8]
，因此
TS
和
DHFR
成为
是化学治疗研究，
特别是肿瘤化 学治疗研究中非常有吸引力的靶点。
近年来研究者已经设计
和合成了多种
TS
和
DHFR
的抑制剂，
有些抑制剂已应用于临床，
包括雷替曲塞
(R altitrexed,
ZD1694)
[9]
、培美曲塞
(Pemetrexed,
Alimta,
LY231514)
[10]
、甲氨蝶呤
(Methotrexate,
MTX)
[11]
和诺拉曲塞
(Nolatrexed, AG337)
[12]
等，曹胜利等
[13]
对其做过报道。
大多数物种的
TS
和
DHFR
是高保守独立存在的单功能酶，
但 二者在结构和存在位置上

*
基金项目：国家自然科学基金项目（
20772070
）
、山东省 自然科学基金项目（
Y2007C175
，
Y2007C176
）
， 山
东省教育厅科技计划项目（
J07YC08
）和青岛市科技计划基础研究项目（09-1-3-74-jch
）

1
也有许多共同性。
在原生 动物中
TS
和
DHFR
却是表达在一个多肽上的双功能酶，
研究表明
这种双功能的
DHFR-TS
能表达出
DHFR
和
TS双活性的奇特功能
[7,14]
。近年来随着
TS
和
DHFR< br>作用机制的不断阐明，
DHFR- TS
双抑制剂成为研究的新热点，研究者已设计和合成
了多种
DHFR-TS
双抑制剂。现简要介绍
TS
和
DHFR
抑制剂临床应用上存在的问题及近年< br>来
TS-DHFR
双抑制剂的研究进展。

1 TS
和
DHFR
抑制剂的临床应用

临床上应用的
TS和
DHFR
抑制剂对多种实体瘤，
如直肠癌、
恶性胸膜间皮瘤和非小肺< br>细胞癌、头颈部肿瘤、肝癌等有很好的治疗效果；
对病菌感染性疾病，
如疟疾等也有一定 的
疗效。
但其在应用中也出现了耐药性和毒副作用。
大多数
TS
和< br>DHFR
抑制剂都是叶酸类似
物，大致分为两类。一类含谷氨酸残基，属于经典的
TS
或
DHFR
抑制剂；另一类没有谷氨
酸残基，属于非经典的
T S
或
DHFR
抑制剂。

经典的抑制剂要经过细胞膜上的还原叶酸载 体蛋白
(RFC)
的转运才能进入细胞，在叶酸
聚谷氨酸合成酶
(FPGS)
的催化下聚谷氨酸化。这类抑制剂的耐药性和毒副作用主要与这两
个过程有关。
经典抑制剂药物分子进入细胞需要以
RFC
作载体，
而长时间用药造成细胞
RFC
系统的
损伤，使之不能进入肿瘤细胞发挥作用，从而产生耐药性
[16]。
Costi
等
[15]
发现这类抑制剂是
FPGS
的 底物。
经典的抑制剂在细胞内的聚谷氨酸化过程往往导致
TS
和
FPGS的过分表达，
使药物在细胞内的浓度增加，
延长了药物在细胞内的滞留时间，
增强 与
TS
或
DHFR
的结合
性，从而增强其对
TS
或
DHFR
的抑制作用。但其在细胞内的滞留时间过长，导致其对正常
细胞也产生较大毒 性，这是临床应用时产生毒副作用的主要原因。

ZD9331
、
AG337
等不含谷氨酸残基，
属于非经典抑制剂，
进入细胞不需要聚谷氨酸化，
其中< br>ZD9331
需要
RFC
转运进入细胞，
AG337
则这两个 过程都不需要，这样就有效地提高
了药效，
降低了毒副作用。
因而，
非经典抑 制剂的这一特点使其有效地降低了耐药性和毒副
作用，从而提高了疗效
[17]
。
肿瘤、病菌的耐药性和细胞毒性限制了经典的抑制剂的使用。人们以
ZD9331
的作用
模式为启发设计合成了亲脂的非典型抑制剂，
可以有效地克服这一缺陷。
亲脂 的非经典的抗
叶酸类抑制剂不仅有非经典抑制剂的特点，
而且还是亲脂性的，
使之可以 以被动转运的形式
进入细胞，不需要
RFC
。亲脂非经典抑制剂的这些优点，使之成为 抗叶酸类抗肿瘤和抗菌
药物的重要研究方向。同时，
TS- DHFR
双抑制剂也可有效地克服耐药和毒性等缺陷，使之
成为研究热点。

2 TS-DHFR
双抑制剂模型

TS-DHFR
双抑制剂是指一 个抑制剂同时具有胸苷酸合成酶抑制活性和二氢叶酸还原酶
抑制活性。
这种双抑制剂在两个不同 的位点
(TS
和
DHFR)
上同时起作用，
能够单独使用而起
到联合化学治疗的作用，
而且没有两个或多个药物同时使用的药代动力学缺点，
避免一些副< br>作用。这种策略还能改进抗叶酸剂存在的生理毒性问题，大大降低了其对正常组织的伤害。
因此，
TS-DHFR
双抑制剂成为抗叶酸类药物研究的一个新方向。

随着
X
射线衍射技术广泛用于生物大分子三维结构的测定，人们测定了
TS
和
D HFR
的三维结构，
揭示了抑制剂与酶在活性位点区域的结合情况，
发现
TS
和
DHFR
抑制剂的药
效团模型。
TS
抑制剂一般都具有< br>2-
氨基
-4-
氧代或
2-
甲基
-4-
氧代 嘧啶环结构，
如
Nolatrexed
；
而
DHFR
抑制剂 通常在嘧啶环结构上有
2,4-
二氨基，如
Methotrexate
等，如 图
1
所示
[18]
。

酶的晶体结构测定后，
Ga ngjee
等发现拥有六元并五元环的经典的叶酸类似物可以与相
应的酶以“正常”模型或“旋 转”模型结合
[18,19]
，如图
2
所示。
“正常”模型是
2-
氨基
-4-
氧
代嘧啶环结构模式，是
TS
抑制剂模型 ，如果以
C2-NH
2
为轴翻转
180°
，则转变为
2,4 -
二氨
基嘧啶环模式，成为
DHFR
抑制剂模型，这类化合物就同时具备了< br>2-
氨基
-4-
氧代和
2,4-
二
2
氨基结构特征，因而使之具有
TS-DHFR
双抑制活性。这个双抑制模型阐释了双抑 制原理和
双抑制剂的设计思路，近年来研究者以此思路设计和合成了多种
TS- DHFR
双抑制剂，其结
构如图
2
所示。

O
3< br>HN
2
H
2
N
4
3
N
2
H
2
N
NH
2
4
N
1
N
1






T
S
抑制剂






DHFR
抑制剂

图
1 TS
和
DHFR
抑制剂模型

O
H N
NH
N
H
N
H
2
N
N
H
2
N
N
H
O

“正常”模型







“旋转”模型

图
2 TS-DHFR
双抑制剂模型

3
呋喃并
[2,3-
d
]
嘧啶类双抑制剂

根据双抑 制模型和
Pemetrexed
的结构，上世纪
90
年代人们就已经设计和合 成了
TS-DHFR
双抑制剂，首先报道出来的是呋喃并
[2,3-
d
]
嘧啶类化合物。
1994
年
Gangjee
[20]
等
以经典型的
2,4-
二氨基呋喃并
[2,3-
d
]
嘧啶类化合物
1a
和
1b
及其非经典类似物
1c-1f
作为
TS-DHFR
双抑制剂进行了研究，
2006
年又做了进一步研究报道[21]
。这类化合物在正常状态
下是
DHFR
抑制剂，
而以< br>C2-NH
2
为转轴旋转
180°
变成
2-
氨基-4-
氧代结构，
变成
TS
抑制剂。
生物活性研究表明，
1a
和
1b
只有中等的
DHFR
抑制活性，
对人
DHFR
的
IC
50
值分别为
450
和
220nM
；
对人
TS
抑制活性较差，
其
IC
50
值 大于
200
μ
M
。
非经典类似物
1c-1f
对TS
和
DHFR
的抑制活性都较差。这类抑制剂的
TS-DHFR
双抑制的活性虽然很低，但这种设计思路为以
后设计活性更高的双抑制剂提供了指导。

4
吡咯并
[2,3-
d
]
嘧啶类双抑制剂
在
2001
年
Taylor
[22]
和
Aso
[23]
就已经分别报道了吡咯并
[2,3-
d
]
嘧啶类化合物，并 作为
TS
抑制剂进行了研究。
2005
年
Gangjee
等
[18]
将这类化合物的结构进行改造，
设计合成
2a
和
2 b
作为经典的
TS-THFR
双抑制剂，并进行了生物活性测定。结果表明
2 a
和
2b
都是较好的
TS-DHFR
双抑制剂。
2a
是首个经典的
2,4-
二氨基吡咯并
[2,3-
d
]
嘧啶 类抗叶酸抑制剂，对
TS
和
THFR
有较好的抑制活性。
2a
对的
DHFR
抑制活性（
IC
50
=210nM
）是Pemetrexed
的
14
倍，对人
TS
抑制活性
( IC
50
=540nM)
与
Nolatrexed
相当，比
Pemetrexed
高一个数量级。
Raltitrexed
和
MTX分别只对
TS
和
DHFR
有好的抑制活性，
而
2a对这种两种酶均有良好的
抑制活性。
2b
对大肠杆菌
DHFR
和
TS
、人
DHFR
和
TS
均显示出较差的抑制活性，但对鼠
弓形虫
DHFR
和
TS
有中等抑制活性，所以
2b
是鼠弓形虫
DHFR-TS
的双抑制剂。

2006
年，
G angjee
等
[24]
设计了经典的吡咯并
[2,3-
d
]
嘧啶类化合物
3a
及
13
个非经典的类
似物
3b -3n
作为
TS-DHFR
双抑制剂进行研究。
3a-3n
结构上与
2a
和
2b
比，主要是巯基取
代在
5
、
6
位上顺序的替换。研究表明化合物
3a
是非常有效的人
TS(IC
5 0
=90nM)
和
DHFR(IC
50
=420nM)
双抑 制剂，
与
2a
相比，
其对人
TS
抑制活性提高了
5
倍多，
而对人
DHFR
的抑制活性也相当，
而且
3a
不是
FPGS
的底物。
非经典的类似物
3b-3n
只对人
TS
有抑制活
性，但活性不高，其
IC
50
值只在
0.23 -
26μM
之间。

3