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用配位化学设计新药物
添加时间: 2010-5-15 10:22:33 文章来源: 文章作者: 点击数:2341
 
 
原文来源:Coordination Chemistry Reviews 251 (2007) 1633-1648
 
1. 药物无机化学
药物无机化学在治疗和诊断药物方面是一门发展的有意义的学科。无机化合物被用于制药已经有很多个世纪了,但是往往只有实证方法,很少尝试设计化合物来加以运用,并且很少或者根本没有从分子基础上和其作用机理上去研究[1]。在上世纪六十年代末,cis-PtCl2(NH3)2的发现和发展对建立药物无机化学起了重大作用。顺铂、第二代替代物铂碳化合物和乙二铂仍是最广泛使用的治疗癌症的化合物,极大的提高了世界各地患者的生存率。顺铂的成功合成引起人们对发展研制新的金属配合物来诊断和治疗包括糖尿病、阿尔茨海默氏症的极大兴趣。药物无机化学的历史和基本观念已被广泛的引用[2]
图表1显示,根据活性化合物毒性控制的设计,针对的特定组织、器官、细胞活动的需要来划分重要的不同领域。金属离子可以被引入生物系统来提高治疗效果或诊断准确性。反过来说,金属离子能够按分子(配体)以从生物系统移出[3]。因此,生物药物无机化学为设计新的治疗和诊断试剂来治疗和研究急待解决的疾病提供了潜力[4]
描述元素是有毒的或无毒的是没有用的。甚至是低剂量的有毒化合物仍然是可以忍受的,而且在狭窄的浓度范围内能起到一定的治疗效果,同样生物必需元素在高剂量时也会变得有毒。(图2贝特朗示意图)而且,同样的元素可以变得有毒或无毒取决于包含有那些元素的分子或离子的性质。目前大约又24种元素被认为是哺乳动物的生活所必须:H、C、N、O、F、Na、Mg、Si、P、S、Cl、K、Ca、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、Sn和I。然而,这种名单并不全面。例如,B和Cr也是必不可少的。而且研究显示Si是阻止铝中毒必不可少的元素[6]。铬的生物作用还有争议。目前,88%的铬化合物被认为是致癌的。相反地,大多数营养学家认为铬(Ⅲ)是必要的营养元素,它可以作为一种胰岛素激活剂。尽管这种看法一直有争议。酶和辅酶是不依赖于铬(Ⅲ)的生物分子,但是这并未得到明确证实。
无机元素在生物和生物医学过程中发挥着关键作用。许多有机化合物被用于医学并不需要特别纯净。其中一些通过金属离子像金属酶活化或生物转换[8],而另一对金属离子代谢产生直接或间接的作用。事实上,许多蛋白质需要一个或多个金属离子的约束来表现它们的作用(金属蛋白)。要么是因为金属离子包含在催化机理中,要么是因为金属离子能强化蛋白质的空间结构。金属离子同样对核酸如RNA的结构和功能非常重要。金属离子在细胞中的浓度和细胞间的分布,还有它们被纳入金属蛋白是受到严格控制是必要的。
基因组测试给我们提供了不同生物体能够产生的蛋白质序列[10]。通过对无机元素及其从基因组序列中获得的信息,还有细胞间的信息传递机理的研究给生物有机化学家在后基因时代一个新的挑战[11]。但这是一项艰巨的工作。事实上,即使详细的分析和说明已经科学的生物信息工具所证实,但是金属结合性能的预测和研究仍然非常困难。我们如何识别人类基因组的特殊密码?基因组密码像元素周期表一样有用吗?密码对于必要金属元素在生物体内的摄取、运输、配送和排泄是重要的。它们主要依靠那些利用金属性质在热力学(氧化性能、配体的类型和数目、配体的结构)和动力学(配位体交换)方面起作用的蛋白质。利用基因组的微生物知识,我们可以利用代码分歧来设计选择性药物。但这是一项具有挑战性的工作,就像在金属离子的第一配位与第二配位的配体的代码一样难。哺乳动物生物化学的几个必需元素目前知之甚少。例如,铬、镍、锡似乎是生命必需是,但是我们不知道这些离子在哺乳动物内的密码,也不知道如何应用于医学上。对某些元素,基因代码包含有识别具体金属配合物的蛋白质。例如,只有一种钴配合物,也可以作为控制吸收利用钼的操纵因子[13]。锌是维持生命必不可少的,并且是继铁之后在生物组织中最丰富的第二个过渡金属离子。它有两个可能的作用:催化或结构性。在维持锌稳态的过程中,锌同样具有调节信号的作用。目前报道说,人类基因组计划企图编制蛋白的目录编码,需要利用锌的物理逻辑功能[14]。大约10%的由人类基因组编制的蛋白目录编码是受锌约束的结果。在形态的重要性方面,硒是个很好的例子:它是一种必不可少的元素,然而它的有些化合物(如H2Se)是有毒的控制硒被吸入氨基酸的基因很有特色[15]
必需的和不必需的金属元素都可应用于治疗和诊断,表1列出了目前在临床上使用的几种金属化合物。弄清楚活性化合物的那部分具有活性是非常重要的:是金属本身,配体,还是整个化合物?许多金属抗癌药物是“亲药物”,它们通过配体取代或氧化还原来转化为目标产物[16]。因此,通过控制金属配合物热力学和动力学过程来合理设计需要的有特殊性的以及能控制毒性诊断治疗试剂具有较大的潜力。特定的多功能配体用于金属药品给人们提供了许多可能性,包括特定组织的目标产物,膜受体或内源分子。同时,它在诊断治疗和成功调节金属抗癌药物毒性起到了不可或缺的作用[17]
2. 金属大环化合物
像催化剂一样具有广泛应用领域的cyclams引起人们的极大兴趣,它在金属回收和循环,传感器,治疗和诊断方面都有应用,一种目前有治疗癌症作用的药物AMD3100包括有两个cyclam单元,它们通过二甲基苯连接(如图1)。AMD3100在第二阶段的临床实验中被用于在患有血液和免疫系统方面的癌症的病人的干细胞的移植(从骨髓中调动干细胞)它也是一种最有力的抗艾滋病的治疗剂之一[18],而且已被用于临床实验。然而严重的副作用导致在临床实验中的中断AMD3100通过特殊的键合cxcr4受体而阻止HIV-1和HIV-2进入淋巴细胞,由于cxcr4共同受体而阻止了HIV进入骨髓中的干细胞[19]。cxcr4(四号受体为趋化因子蛋白含有半胱氨酸二硫化碳序列,它调制着白血细胞的活化)是膜蛋白家族中属G蛋白耦联受体的一员,其中含有7个跨膜螺旋。G蛋白耦联受体参与调节所有的生理过程和约40%的治疗[20]。对键合扩散在细胞外的受体,它们转而提高与数百G蛋白相互作用的能力。Cyclam是强烈的金属螯合剂,AMD3100对锌(II)的配合物提高了受体的键合强度和抗HIV的活性,然而钯(II)键合激活药物,活性顺序如下:Zn(II)2 > AMD3100 > Ni(II)2 > Cu(II)2》Co(III)2》Pd(II)2 [21]
Cyclam对锌(II)有强烈的亲和力(logK=15.5)[22、23],而且在血液中AMD可达到生理浓度范围内,锌的浓度大约是19μM。而且可以计算出几乎所有的药物在生理pH=7.4和温度310K的条件下都以锌(II)配合物形式存在[24]。金属cyalam配合物采用图2中的一个构象,主要表现在对手性N的键合的不同上.根据最近对配合物的核磁研究,例如在结晶状态时[Zn(cyclam)(H2O)2]2+有一个trans-III构象[25]
因此得出锌(II)被cyalam快速取代是可能的。这将导致tran-I/cis-V构象缓慢的与tran-III构象平衡,而在固体状态时,tran-III通常是最稳定的构象。
对于金属bicyalam配合物,抗癌活性与共同受体cxcr4有密切的关系。AMD3100对cxcr4受体的亲和力被铜、锌、镍离子配合而提高了,相反的进入了cyalam环[26],类似的金属诱导提高了cxcr4的亲和力在cyalam中被观察到了,尽管对受体的亲和力是很低的。我们的结果同样显示,在生理pH=7.4时锌(II)对cyclam的键合比铜(II)更快。因而延缓金属离子(热力学上)的吸收。锌(II)在具体位置上的键合要高于铜(II)是一个原则,这在生物学上更明显,例如在金属活性中心。因此我们得出的结论是,在动力学和热力学上有利于cyclam抗癌药物在血浆中形成锌(II)配合物。而且金属对共体蛋白的识别可能是由于大环的构象。我们的研究显示在vivo中的金属配合是在理解cyclam药物活动机制时必须被考虑的,不管是在抗毒活性还是在它们的副作用方面。
氮氢键的取向对受体的识别是很重要的。在金属bicyclam配合物中金属离子对cxcr4的直接键合很可能是决定相互作用强度的一个主要的因素。我们已经醋酸的Zn2(pxylylbicyclam)的键合能够迅速产生cis-V构象[27]。分子模拟显示,Asp-262和Glu-288中的carboxylate基因能够稳定Zn2-(p-xylylbicyclam)对cxcr4中Zn(II)-cyclam单元的cis-V构象。
第二种单元Zn(II)-cyclam能够与Asp-171键合在主要的受体键合点处。如此相互作用能够产生对Zn2-(p-xylylbicyclam)的识别。
我们对溶菌酶的研究揭示了金属蛋白cyclam的相互作用的结构细节很可能对受体识别有作用[27]。核磁共振研究表明Cu-cyclam与具体色氨酸相互作用留下溶菌酶残基(Trp-62, Trp-63, and Trp-123)。
Cu-cyclam和Cu2-(p-xylylbicyclam)两种主要的键合场地可以由X射线观察到(图4)。在第一个场地,Cu2在Cu2-(p-xylylbicyclam)的一个cyclam环中采用反式构象,与一个Asp-101的氧配位.在这个地方的两个配合物,一个cyclam环是夹在两个色氨酸残基吲哚副作用链上,在第二个场地,一个反式的cyclam环被堆积在Trp-123上。
这些研究为大环分子与G蛋白和其他蛋白受体的结合提供了结构基础。
基于上述报道的结果,我们同样建议固AMD3100类似物构像使配合物在键合蛋白质只有一个构像的优势。因此,我们的目标是要生成一系列构象固定的配合物,而且重视配合物的相互作用在药物键合中的重要性。试图合理配置cyclam和生产新的具体拮抗剂cxcr4等等,已经成功的合成了一种固定的大环配合物(图3)及其锌(II)配合物[29]。其X射线结构(图5)显示包含有大环与6配位锌离子配合的不对称单元。在分子中的两个锌中心是可识别的,且具有晶体对称性。对大环配置的分析揭示了反式II型配置的相当性.醋酸配合物的协调性与包含有cxcr4天冬氨酸残留物(Asp-171和Asp-262)大环的大环单元相互作用一致。为了证明大环配体和其锌配合物键合cxcr4超化因子受体并抑制感染艾滋病的能力在一个检测病毒感染的实验中进行了测试。它们都结合cxcr4受体,但是约束性的大环比AMD3100类似物具有相当低的活性,而在它的锌配合物中的抗癌活性却比[Zn2 (AMD3100)]4+提高了3倍,这表明协调趋化因子受体合确认构象的方法的重要性。
3. 光敏化合物
铂金配合物顺铂和碳铂是高效的抗癌药物,但是它们的作用受到剂量过多会产生副作用的限制,还有抗癌活性的限制,以及在治疗上重复使用抗药性药物的限制[30]。作为一种避免有副作用的方法,我们在研究无毒铂金药物的使用,它可以通过光致来激活,这样可以减少抗癌直接攻击癌细胞。
光敏物质的结合已经被用于治疗各种疾病很多年了,尤其是治疗皮肤病[31]。事实上,四千年前,古埃及人试图用阳光和Bishop的果实摄取物(包含有激态补骨脂素)或Bullwort来治疗白癜风——一种皮肤综合症,最近在激光和光纤方面的进展推动了基于光的新型应用的发展[32]。这 些方法是医生不仅利用光来照射皮肤,而且可以用特定的强度和波长的光来照射内部器官,这是光治疗的一个重大进步。因为许多固体肿瘤(例如:食道癌、头部颈癌、肺癌、膀胱癌、宫颈癌和结肠肿瘤)在体腔内的生长受到这些机制的影响。用化学制剂来最大限度地减小化疗的副作用是可能的。
  光动力疗法已广为人知,且涉及了光敏药物的选择性攻击目标组织。光敏剂(如卟啉化合物)的反应机制包含有氧,光敏剂从光源吸收能量,而变成活跃的能量状态。这个能量然后又转移给氧,使三聚体3O2变成具有活性的单体1O2,而光敏剂再生,又作为催化剂工作。单体的存在时间不长,但是它能与细胞核成分迅速发生反应。这些反应能够使那些受损细胞死亡[33]。然而,对氧的依赖是一个最大的缺点,因为很多恶性肿瘤和活跃的癌细胞是缺氧的[33]。因此,那些不依赖于氧的光敏化合物可以通过不同的机理来杀死癌细胞,这样会更高效。
八面体铂(IV)比它们的四方形铂(II)类似物具有相当的惰性。事实上,配体的取代反应发生得非常缓慢,甚至在某些条件下更本不发生。正是由于它们的化学惰性,人们正在努力发展具有活性的铂(IV)抗癌制剂,例如赛特铂[35]。人们普遍认为,通过生物制剂来还原铂(II)的氧化态以发挥铂(IV)配合物抗癌活性是必要的。因此,药理在于如何还原,这反过来有依赖于轴向配体的性质。当轴向配体是氯化物是,降低得很快,至少比是氢氧化物时容易。而当轴向配体是羧酸时则反应居中(因为不同的键长)[36]。铂(IV)配合物的药理与还原电位有一个清晰的相关关系,同时也证实了可以调整这些化合物的性质。
把铂(IV)还原到铂(II)的另一个有趣的机理是通过光化学。通过选择合适的配体可以使铂(IV)配合物边得具有光活性。这种铂配合物能够发生一系列光化学反应。这种现象的一种新的药用是光敏铂(IV)药物的发展,通过直接光照来使抗癌铂(II)药物光活化。亲光敏药物的选择性激活可以增加治疗指数,因此,临床应用的铂抗癌药物可以被扩展。下面我们来回顾这种药物的发展[37]
举个例子,Pt(IV)-二氨基叠氮已经被 Bednarski和co-workers报道[38.39]。但是,尽管能够通过可见光来光致活化以编码DNA,但是,对于还原剂并不稳定,如谷胱甘肽和白蛋白[40]。因此,我们已经寻求替代铂(IV)以达到这种目的,尤其是要对还原剂稳定[41]
铂(IV)叠氮化合物能够被光活化是众所周知的。基于以上考虑,我们已经报道了二叠氮二氨铂(IV)配合物cis,trans,cis-[Pt(N3 )2 (OH)2 (NH3 )2 ]的第一种晶体结构,而且也表明了这些化合物能够被光激活,也给出了与核甘酸相连的铂(II)系列,因此形成了著名的顺铂核甘酸链[44]。羟基配体不仅提高了溶解度而且稳定了铂的氧化态[36.45]。改变氨基配体并不明显的改变铂(IV)的还原电位,因此配体的多样性能改善性能,如不影响稳定性的脂溶性配体[36]
对光化学制剂来说,光活性配合物在生理条件下的稳定性是需要考虑的一个重要因素。一般来说铂(II)配合物比铂(IV)更具有活性[34]。在细胞中发现的本三谷甘肽(左旋谷胺酸-半胱胺酸-甘胺酸)是最丰富的还原剂浓度可以达到10mm[46]。因此,铂(IV)光活性配合物是不会被它还原的。同样值得关注的是叠氮化合物在攻击和接近潜在目标时是否稳定,正如鸟嘌呤的基础——RNA和DNA。核磁共振研究表明,cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(NH3)2 ] 和 cis,trans-[Pt(N3 )2 (OH)2 (en)]在接近水解时可以稳定90天以上。对核酸反应呈现惰性,如5-GMP和d(GpG)。最显著的是与谷光甘态的反应非常缓慢,即使是经过几个星期[44]
光辐射条件下,叠氮铂(IV)配合物与核酸的相互作用研究过了。
更进一步研究发现,决定cis,trans-[Pt(N3 )2 (OH)2 (en)]能优先于鸟嘌呤键合的是DNA的GG约束键[49]。DNA质粒粹片决定于追加物的转录映射。铂酸盐产生未成熟的终止双转录。通过FAAS显示,在无光下没有铂能与DNA键合,但是在样品光照下,可以获得铂铝酸盐的rb值0.01)rb的定义是每摩尔核酸中与铂键合的摩尔数)。光照粹片主要的步骤与顺铂作用相似。
自从30多年前顺铂第一个引入临床以来,核磁共振方法铂药物是有用的。特别是在19世纪90年代末,第二代[1 H,15 N]NMR技术的引进使得在某些生理条件下跟踪顺铂和某些类铂配合物的反应成为可能[50]。在氮配体被标记的条件下,铂(IV)配合物cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(15NH3)2]和cis,trans-[Pt(N3)2的光反应能够通过1D1H和2D[1H,15 N]HSQC核磁共振仪跟踪。cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(15NH3)2]的照射(488.0nm,10mW cm−2)20小时不会导致光还原[51]。几种新的铂(IV)配合物已被发现,它们要么是光异构,要么是光取代的产品。在紫外光照射下,光还原并没有发生,而且26分钟以后,三种主要的铂(II)系列出现了。同样也生成了一种沉淀物。它可能是多核羟基铂配合物[48]。在蓝光和紫外光照射下,cis,trans-[Pt(N3 )2(OH)2(15N2 -en)]光反应的产物并不相同.在蓝光(457.9nm, 20 mW cm−2 )照射4小时的条件下,产生许多新的物种,尤其是铂(IV)配合物。在365nm的光照射11分钟的条件下产生一种新的铂(II)和一种新的铂(IV)配合物,同样形成一种不溶性的沉淀[48]。1D14 N NMR方法的发展使我们更深入的了解光活化途径的机理。尤其是这种方法使我们更好地跟踪研究叠氮配体的光反应。图8的初步结果证实了在光照下氮气的产生,同时,新的方法(如N3的释放,氮配体的释放)同样产生了。光产品似乎极大地依赖于溶液条件(溶剂、pH、浓度),包括生物分子的存在[52]。
在有光或无光条件下,cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2 (NH3 )2 ]和cis,trans-[Pt(N3)2(OH)2 (en)]对5637个膀胱癌细胞的生长的影响进行了研究[48]。在无光条件下这些铂(IV)叠氮配合物对5637个人体膀胱癌细胞是无毒的,但在有光条件下却是有毒的。伴随着cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(NH3)2 ]和cis,trans-[Pt(N3 )2(OH)2(en)] 的IC50值分别显著地从大于300μm降低到49μM和63μm,光活化对[膀胱癌细胞的形态产生显著的影响,包括细胞核的解体。然而在无光照射下,未发现细胞内有任何变化。它们杀死癌细胞的机制显然于顺铂不,类似的实验已经做过了。有趣的是铂(IV)配合物对顺铂敏感或不敏感的细胞系都有毒性作用。超过8小时的光照,对细胞摄取铂无明显的影响。同样的治疗效果,需要cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(NH3)2]或cis,trans-[Pt(N3)2 (OH)2 (en)]的量是顺铂的五倍,这就解决了顺铂的高活性[48]
到目前为止,所描述的两种铂(IV)配合物都含有叠氮配体。在反式构象中的叠氮配体会导致不同的机理,尽管顺铂的反式异构体trans-[PtCl2(NH3)2]对癌细胞本身是相对无毒的[53]。但它可能被光激活,变得像顺铂一样活跃。
最近研究显示,光能激活反铂的氯配体。对质粒DNA和23个碱基对的研究表明,光照能够大大提高DNA蛋白质交联的形成,(这在无光下是不能形成的)[54]。而且一个或两个氨配体被脂肪胺,杂环胺或醚替代会导致有毒的化合物的形成[55-57],一些反式化合物优于其顺式化合物的原因是在顺铂抗药细胞系中活性药增加[58-59],反式的[Pt(N3)2(OH)2(NH3)2 ]水溶性要比其顺式的大,可以形成接近200mM的溶液。铂(IV)叠氮配合物的电荷转移也像长波方向移动[47]。在无光下,这种反式的配合物对5-GMP更稳定,但在光照仅一分钟后,大约7%的反应物会经历光还原和光取代而生成trans-[Pt(NH3 )2(5-GMP-N7)2]2+。在光照60分钟后,在核苷酸外仅有少量的还原物质存在。1小时后多于75%的物质被键合到上5-GMP。作为trans bis-GMP追加物。这种反应比cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(NH3)2]或cis,trans-[Pt(N3)2(OH)2(en)]更快。
该光化合物cis,trans,cis-[Pt(N3)2(OH)2(NH3)2]和它的异构体对人体角蛋质的作用已经研究过了[47]。在无光条件下,都是无毒的,但在有光条件下,变得像顺铂一样活跃。基于这些结果,作为光化合制剂的反式叠氮氨铂(IV)配合物需要深入研究是显然的。对于一些反式类物(如trans,trans,trans-[Pt(N3)2(OH)2 (NH3)(py)][60])的初步研究显示它们对于一些细胞的毒性比顺铂更高。
因此,这类弱的具有光学活性的的铂配合物在治疗对光敏感的癌症,包括膀胱癌、肺癌、食道癌、皮肤癌方面更有用,既然光照的区域能使反应定位,这个过程在相对于使用顺铂带来的副反应方面具有更大的潜力。
 
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