四元螺环片段的合成及其在伊马替尼设计改造中的应用研究开题报告

1. 研究目的与意义

内容：

通过应用多条合成路线，合成多个小分子四元螺环片段，用以对新型靶向抗肿瘤药物伊马替尼进行改造与修饰，以期能够获得结构新颖、具有自主知识产权的抗癌新药。

2. 文献综述

综述

彭德

摘要：癌症是目前对人类健康最有威胁的疾病之一，而靶向抗肿瘤药物是癌症治疗的研究热点，但目前已上市靶向抗肿瘤药物中依然存在高毒性、耐药性缺点，四元螺环因其在提高药物稳定性、优化药物动力学特性上的优点，而在药物化学中广泛应用，本课题正是利用四元螺环对靶向抗肿瘤药物伊马替尼的进行结构改造，以期获得结构稳定性、药物代谢动力学、药理活性等方面性质更优的新型靶向抗癌药。

关键词：癌症；靶向抗肿瘤药物；伊马替尼；四元螺环

1.目前主要的肿瘤治疗药物

1.1抗癌药物类别

癌症是对人类健康最有威胁的疾病之一，目前主要的抗癌药物种类包括：烷化剂（氮芥类、乙烯亚胺类、亚硝脲类、甲烷磺酸脂类）；抗代谢物（叶酸、嘧啶、嘌呤类）；抗肿瘤抗生素（蒽环类抗生素、丝裂霉素、放线菌素类）；抗肿瘤植物药（长春碱类、喜树碱类、紫杉醇类）；激素（肾上腺皮质激素、雌激素、雄激素类及其拮抗药）；杂类（铂类配合物和酶类）；靶向抗肿瘤药类（作用于不同分子靶点）。

1.2目前临床使用较广泛的抗肿瘤药物

1.2.1环磷酰胺（别名：环磷氮芥、癌得散、安道生、CPM）

环磷酰胺结构式

芥的氮原子上连有一个吸电子的环状磷酰胺内酯。在肿瘤组织环磷酰胺为最常用的烷化剂类广谱抗肿瘤药，于1958年被发现有抗肿瘤活性并被广泛用于临床。环磷酰胺在体外无活性，进入体内后先在肝脏中经微粒体功能氧化酶转化成醛磷酰胺[1]。环磷酰胺是在氮中，磷酰胺酶的活性高于其他组织，以此为目的合成含磷酰胺基的前体药物，能够在肿瘤组织中被磷酰胺酶水解成活性的去甲氮芥［HN（CH2CH2Cl）2］而对肿瘤细胞产生细胞毒作用。临床用于恶性淋巴瘤，多发性骨髓瘤，白血病，乳腺癌，卵巢癌，直肠癌，前列腺癌等。

环磷酰胺属于细胞周期非特异性药物，其疗效与剂量成正比，呈剂量依赖性，大剂量使用会造成较严重的毒副反应，最严重的潜在副作用就是急性骨髓细胞性白血病[2],严重时全血细胞减少及骨髓抑制。针对环磷酰胺的毒副反应，发现了环磷酰胺的同分异构体-异环磷酰氨[3]，疗效提升，骨髓抑制的副反应减少。

1.2.2甲氨蝶呤（别名：氨甲喋呤、氨甲叶酸）

甲氨蝶呤结构式

20世纪40年代，科学家最初发现叶酸能促进白血病发展，故开始从叶酸抗代谢物中寻找抗癌药。早在1948年，甲氨蝶呤（简称：MTX）就广泛应用于治疗淋巴瘤、绒毛膜上皮癌[4]，成为第一个治疗肿瘤有效的抗代谢物，对绒毛膜上皮癌和急性淋巴性白血病有较好疗效。甲氨蝶呤结构与叶酸近似叶酸4位上羟基和10位NH的氢在MTX中分别为氨基和CH3。MTX与二氢叶酸还原酶结合，阻断叶酸和二氢叶酸还原为活化型的四氢叶酸，因而抑制细胞内的一碳转移[5]，影响嘌呤新合成和脱氧尿嘧啶核苷酸转变为脱氧胸腺嘧啶核苷酸，使DNA和RNA合成受阻，从而抑制肿瘤细胞的生长和繁殖。

甲氨蝶呤在长期使用后会对人体产生相当大的毒副作用，会造成皮肤黏膜的严重损害、腹痛、胰腺炎、骨髓抑制、胃肠道上皮脱落和神经毒性副作用，目前针对甲氨蝶呤的毒副反应，提出了以磁靶向脂质体作为甲氨蝶呤载体[6]，能够提高药效，降低毒副作用。

1.2.3紫杉醇（别名：taxol）

紫杉醇结构式

1963年化学家瓦尼（M.C.Wani）和沃尔（MonreE.Wall）首次分离出紫衫醇提取物，并最终于1971年确定了活性成分为一种三环二萜化合物，命名为紫衫醇[7],于1992年正式上市。紫杉醇是通过抑制肿瘤细胞的有丝分裂，通过促进微管蛋白聚合形成微管，抑制所形成微管的解聚，从而导致微管束的排列异常而使肿瘤细胞的有丝分裂终止，最终导致细胞的死亡，临床主治卵巢癌，非小细胞肺癌，乳腺癌。紫衫醇是一个具有多个不同官能团和11个手性碳的三环二萜化合物，天然产量有限，目前研究热点在于全合成或半合成紫衫醇或对紫衫醇进行结构修饰以寻求和紫衫醇活性相当或更佳的类似物[8]。

紫杉醇难溶于水，却易溶于聚氧乙烯蓖麻油（cremophorEL）与无水乙醇的混合溶媒中,CremophorEL在降解时会释放组胺，这会引起严重的过敏反应，除此之外CremophorEL还可在血液中形成微小颗粒包裹紫杉醇分子，影响药物向组织扩散，影响抗肿瘤效应[9]。紫杉醇还会造成神经毒性反应。针对紫杉醇的不同副反应，紫杉醇新剂型（纳米紫杉醇、紫杉醇脂质体、紫杉醇前体药物）的出现能够减少药物毒性，提高抗肿瘤活性。

1.2.4卡培他滨（别名：希罗达）

卡培他滨结构式

卡培他滨作为新型选择性口服氟化嘧啶类药物，由罗氏研发，于1998年正式上市[10]，可以在体内经三个步骤酶解变成5-氟尿嘧啶（5-FU）的抗代谢氟嘧啶脱氧核苷氨基甲酸酯类药物发挥作用，能够抑制细胞分裂和干扰RNA和蛋白质合成[11]。临床主要用于晚期原发性或转移性乳腺癌，直肠癌、结肠癌和胃癌。卡培他滨的研发伴随着5-FU的改造过程，通过对各种嘧啶碱基的研究可以发现，尿嘧啶在肿瘤组织中的渗透速度最快，最终根据电子等排概念，筛选卤代尿嘧啶衍生物，选取出5-FU抗肿瘤作用最好，并最终以此研发出卡培他滨。

卡培他滨主要不良反应是手足综合征、恶心呕吐、白细胞下降、胃肠道出血及骨髓抑制，需及时监测病人身体状况。

1.2.5奥法妥木单抗（别名：奥法木单抗）

单克隆抗体抗癌药因其靶向、低毒、疗效好以及能够杀灭对化疗药物不敏感或耐药的肿瘤细胞，目前已成为抗癌药研发的新热点。CD20是一种特异性、高表达在正常B淋巴细胞和恶性B淋巴细胞的表面标示，是治疗细胞相关性疾病的理想靶点。目前抗CD20单克隆抗体已被用于治疗非霍奇金淋巴瘤及其相关疾病。

奥法木单抗是于2009年上市的全人源化靶向抗CD20单克隆抗体，具有新的CD20结合表位，与CD20具有更高的亲和力，能极大增强补体依赖性细胞毒性反应。奥法木单抗最显著特征是可以杀死低表达的CD20而且细胞膜表面有诸如CD55和CD59等补体抑制分子高表达的细胞。奥法木单抗在体外对低水平CD20-表达肿瘤活性更高且同时具有更慢的解离速率。主用于治疗顽固性慢性淋巴细胞白血病（CLL）[12]。

2.1靶向治疗抗肿瘤药

目前，靶向抗肿瘤治疗药物是在细胞分子水平上，针对已经明确的致癌位点，来设计相应的治疗药物，药物进入体内会特异地选择致癌位点来相结合发生作用，使肿瘤细胞特异性死亡，而不会波及肿瘤周围的正常组织细胞，因此靶向抗肿瘤药物的研发已经成为抗肿瘤药物研发的热点。

根据药物的作用靶点及性质可将分子靶向抗肿瘤药物分为以下几类：1、小分子表皮生长因子（EGFR）酪氨酸激酶抑制剂；2、抗EGFR的单抗；3、抗HER-2的单抗；4、BCR-ABL酪氨酸激酶抑制剂；5、血管内皮生长因子受体抑制剂；6、抗CD20的单抗；7、IGFR-1酶抑制剂；8、mTOR激酶抑制剂；9、泛素-蛋白酶体抑制剂。

表1.目前已上市代表的性靶向抗肿瘤药列表

（PDGFR抑制剂：血小板衍生因子受体酪氨酸激酶抑制剂）

（c-kit抑制剂：干细胞因子受体抑制剂）

（Bcr-Acl:融合基因，用于癌细胞检测）

（HER2：人类表皮生长因子受体，是重要的乳腺癌预后判断因子）

（HDAC：蛋白脱氧乙酰酶）

3.含哌嗪环的相关抗肿瘤药物

3.1哌嗪类化合物优势

哌嗪化合物与传统有机药物相比，具有更好地氮平衡对称结构。在有机合成中引入哌嗪环，作为药物的增效基团可以改善药物的药代动力学性质，提高药物的生物活性。由于取代基团、位置及连接方式的不同，哌嗪类化合物显示了多样的化学结构与广泛的药理活性。

哌嗪环

3.2含哌嗪环相关抗肿瘤药物

目前含哌嗪环的抗肿瘤药物主要包括伊马替尼、达沙替尼、马赛替尼及多韦替尼。

3.2.1伊马替尼

伊马替尼结构式

伊马替尼于2001年上市[13]，诺华公司生产，是一种用于治疗费城染色体（Bcr－Abl）阳性的慢性骨髓性白血病(简称CML)成人患者的急变期、加速期和干扰素治疗失败后的慢性期的口服药物。

3.2.2达沙替尼

达沙替尼结构式

达沙替尼于2012年在国内上市[14]，百时美施贵宝公司生产，适用于治疗对甲磺酸伊马替尼耐药，或不耐受的费城染色体阳性（Ph ）慢性髓细胞白血病（CML）慢性期、加速期和急变期（急粒变和急淋变）成年患者。

3.2.3马赛替尼

马赛替尼结构式

马赛替尼是一种特异性的Ckit抑制剂，主要用于治疗因为Ckit突变引起的胃肠道间质瘤。

3.2.4多韦替尼

多韦替尼结构式

多韦替尼是一种有效的酪氨酸激酶抑制剂，作用于成纤维细胞生长因子受体、VEGF受体、PDGFR-β和c-KIT。是FGFR2和非FGFR2突变的内膜癌二线方案。

4.伊马替尼的相关介绍

伊马替尼适用于治疗费城染色体（Bcr-Acl）阳性的慢性骨髓性白血病（CML：是一种由于骨髓中造血干细胞的DNA异常而引起的造血干细胞疾病）成人患者的急变期、加速期和干扰素治疗失败后的慢性期口服药物。除此之外，伊马替尼对胃肠道间质瘤也有效[15]，有效率在50%左右。其作用机制为在细胞水平上通过与ATP竞争结合于Bcr-Acl融合蛋白，使之因无ATP而失去磷酸来源，无法完成酪氨酸激酶底物的磷酸化，达到切断信号传导的目的。伊马替尼具有选择性作用机制，在细胞水平上抑制Bcr-Acl酪氨酸激酶[16]并选择性抑制Bcr-Acl阳性细胞系细胞、Ph染色体阳性的慢性粒细胞白血病和急性淋巴细胞白血病病人的新鲜细胞的增值和诱导其死亡。在长期长期服用后会造成心力衰竭、免疫力下降、肝坏死及上呼吸道感染等不良反应。

酪氨酸激酶抑制剂与酪氨酸激酶酶的结合方式

依据目前临床使用情况来看，大多数CML慢性期患者对伊马替尼有着显著的血液学和和细胞遗传学缓解，但是随着病情进展，细胞耐药现象逐渐显现，多数加速期和急变期患者对伊马替尼产生了继发性耐药，并且少数患者对该药有原发耐药[17]。伊马替尼需长期服用才能维持药效，一旦对伊马替尼产生耐药现象，出现的耐药现象将会影响临床的有效治疗，目前已知的伊马替尼耐药机制为上调bcr/abl融合基因及其融合蛋白BCR/ACL表达，增强BCR/ACL磷酸化活性。此外多药耐药相关基因mdrl及其蛋白产物P-gp高表达也参与了耐药性形成[18]。针对其耐药性，目前已有的方案包括对新型酪氨酸激酶的研究、联合下游信号通路抑制剂，以及对CML的靶向用药等，但仅仅通过抑制BCR-ABL酪氨酸激酶的活性并不能达到完全治愈CML的目的，只有综合复杂的耐药机制，通过抑制相关耐药靶点的活性，联合用药，将成为可行的治疗CML的方案[19]。

甲磺酸伊马替尼(化合物1)的合成路线，文献中的方法有很多，但目前主要有一条[20-22]，见图1。

图1伊马替尼合成路线

产品目前主要以甲磺酸伊马替尼片或胶囊形式上市，已上市的主要有进口的诺华格列卫，国产的正大天晴格尼可以及豪森的昕维，目前的市场份额可达到60亿美元，市场前景仍很广阔。

5.四元螺环在药物合成改造中的运用

药物分子在进入体内发挥药效往往要经过许多屏障。安全性问题如细胞毒性或一些酶的干扰作用，而药物合成改造的目的就是要提高药物在体内的稳定性以及适宜的药物动力学特性，使药物在机体内能够代谢完全，发挥疗效。

目前四元螺环结构在许多合成或天然药物中都存在，但并没有引起人们足够的重视，但四元螺环却在提高药物稳定性，优化药物动力学特性上发挥着积极的作用。Carreira等[23]合成一系列含有小分子四元杂环的螺环类物质，并与其相对应的单环类物质进行比对螺环类比单环类具有更高的水溶性和更低的亲酯性。而利用四元螺环片段对已上市或在进行临床实验的药物进行结构上的修饰与改造，可以获得具有自主知识产权的新药。

四元螺环大多为2位有杂原子，6位有取代基的螺[3,3]庚烷类化合物，这类化合物具有一定的刚性，这样就使对药物的空间构象影响较小，也会对药代动力学产生显著影响。药物代谢主要有两个过程：I相反应与II相反应。I相反应中药物被氧化、还原或水解为极性更大的代谢物，以增强排出速度，催化的关键酶为P450单胺氧化酶；II相反应中，药物及其代谢物可以与内源性物质结合[24]。

四元螺环结构

目前已有多个含有哌嗪环的靶向抗肿瘤药物已上市或处于临床试验阶段，如：伊马替尼、马赛替尼、多韦替尼等，哌嗪环起到了增效基团的作用，可以显著提高药物的生理活性，但是药物分子中的哌嗪环也容易被体内P450酶代谢掉而产生一系列不必要的副产物，如氧化产物、水解产物等，这样反而会降低抗肿瘤药物的活性。可以针对针对此问题选取合适的四元螺环对含哌嗪环的靶向抗肿瘤药物进行修饰。

目标四元螺环化合物及合成路线

1、2、

3、4、

目标化合物的合成路线：

合成路线分析：四个目标化合物，其中化合物2、3、4均可通过3,3-双溴甲基-1-对甲苯磺酰基氮杂环丁烷一步合成，而3,3-双溴甲基-1-对甲苯磺酰基氮杂环丁烷又可通过目标化合物1来合成，通过上述几步合成路线既可以得到含四元螺环的目标化合物还能够节省资源，节约时间。而且实验操作较简便，方便实行。

结论：目前抗癌药物研发越来越被世界各国加以重视，各种新药物层出不穷，但市场主要被欧美发达国家掌控，我国在新药研发上起步较晚，但潜力巨大。目前在新药研发存在瓶颈的情况下，例如通过四元螺环对药物合成改造的实际应用上可以看出，对已上市药物进行结构修饰，能够避免专利保护，并可以获得药效更好、药理活性更优的国产新药。

相关文献

[1]韦凤华.环磷酰胺临床应用研究进展[J].中国药事，2013,27(3):324

[2]HanJX,StefanL,UlrikaB,etal.Effectofcyclophos-phamideongeneexpressionofcytochromesP450andβ-actinintheHL-60cellline[J].EurJPharm,2002,449(3):197-205

[3]周际昌.抗癌药物的临床应用.化学工业出版社，2010,10:32-33

[4]朱林，王璐璐，倪坤仪，童昕，戴亮，屠洁.甲氨蝶呤磁靶向脂质体的制备及初步评价[J].中国药学杂志，2006，41(17):1324

[5]HanJX,StefanL,UlrikaB,etal.Effectofcyclophos-phamideongeneexpressionofcytochromesP450andβ-actinintheHL-60cellline[J].EurJPharm,2002,449(3):197-205

[6]朱林，王璐璐，倪坤仪，童昕，戴亮，屠洁.甲氨蝶呤磁靶向脂质体的制备及初步评价[J].中国药学杂志，2006，41(17):1325

[7]史清文.天然药物化学史话：紫杉醇[J].中草药，2011,42（10）:1879-1881

[8]邓成华，梅兴国，余广鳌.紫杉醇的结构修饰及构效关系[J].天然产物研究与开发，1999，11(2):72-73

[9]tenTijeAJ,VerweijJ,LoosWJ,eta.lPharmacologicaleffectsofformulationvehicles:implicationsforcancerchem-otherapy.ClinPharmacokinet,2003,42(7)∶665

[10]贾宝辉.新型选择性肿瘤化疗药物-卡培他滨[J].ForeignMedicalSciencesSectiononPharmacy,2002:29(5):282-293

[11]IshikawaT,FukaseY,YamamotoT,etal.Antitumorac-Tivitiesofanovelfluoropyrimidine,N4-pentyloxycarbonyl-5-deoxy-5-fluorocytidine(capecitabine)[J].BiolPharmBull,1998,21(7):713-717

[12]冯凯旋，任丽君，夏振娜，毛煜，张晓东.抗CD20单克隆抗体进展[J].中外健康文摘，2013(25)

[13]苏浩明，朱婷婷，宋敏，马晓娟，张维威，杨林，文爱东，杭太俊.达沙替尼片在中国健康人体内的药动学.中国新药杂志，2013，22(17)

[14]Yang，C.,Xu，G．，Li，J．，Wu，X．，Liu，B．，Yan，X．，Wang，M．，Xie，Y．Benzothiophenescontainingapiperazinesidechainasselectiveligandsfortheestrogenreceptorαandtheirbioactivitiesinvivo［J］．Bioorg．Med．Chem．Lett．，2005，15（5）：1505-1507

[15]HUANGA,LIUX,MAZKERET-BATIALZ,etal.ProcessforPreparingImatinib[P].US:7507821,2009-03-24

[16]赵毅，韩海燕，张学进，等.伊马替尼治疗常规化学治疗失败的进展期慢性粒细胞白血病21例[J].中国新药与临床杂志，2007,26(9):715-717

[17]邵胜娟，李艳妮.靶向抗癌药伊马替尼耐药性的研究进展[J].中国新药与临床杂志，2013,32(7):512-514

[18]齐静，彭晖，顾振纶，梁中琴，杨纯正.伊马替尼耐药的K562细胞系的建立及其生物学特性研究[J].中华血液学杂志，2004，25(6)：337-338

[19]邵胜娟，李艳妮.靶向抗癌药伊马替尼耐药性的研究进展[J].中国新药与临床杂志，2013,32(7):518-519

[20]WOJCIECHS,WOJCIECHL,LUKASZK,etal.AprocessforpreparationofImatinibBase[P].WO:2006071130,2005-03-12

[21]ZIMMERMANNJD,GIVENNN.PyrimidineDerivativeandProcessforTheirPreparation[P].EP:0564409,1993-10-07

[22]RAJENDRANK,DHARMARAJRR.AProcessofPreparationImatinibandImatinibPreparedThereby[P].WO:2004074502,2004-02-09

[23]BurkhardJA,WagnerB,FischerH,etal.Synthesisofazaspirocyclesandtheirevaluationindrugdiscovery[J].AngewandteChemieInterationalEdition,2010,49(20):3524-3527

[24]王琳，陈涵.药物体外吸收、分布、代谢和排泄蹄选模型[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(50):9957-9961

[25]GozablesR,SimonL,FroloffN,etal.Developmentandexperimentalvalidationofadockingstrategyforthegenerationofkinase-targetedlibraries[J].Journalofmedicalchemistry,2008,51(11):3124-3132

3. 设计方案和技术路线

研究方案：

1、3，3-双溴甲基氧杂环丁烷的合成

2、6-对甲苯磺酰基-2-氧-6-氮螺[3,3]庚烷的合成

4. 工作计划

准备情况：获得最终产物2,6-二氮杂螺片段需要四步反应，目前已经到了第二个步骤，获得了6-对甲苯磺酰基-2-氧-6-氮螺[3,3]庚烷。后续反应所需的原料、仪器也已经到位，相关的药物化学实验正有序展开。

5. 难点与创新点

1、四元螺环在合成或天然药物中都广泛存在，但目前四元螺环在药物的合成改造中的运用却没有被足够重视起来，相关的研究成果不多。而此次课题的研究是以四元螺环片段的合成为重点，具有独特性与创新性。

2、成功的将四元螺环应用到伊马替尼上后，会对今后四元螺环片段的使用带来更为广泛的前景，也会给其它药物合成改造带来相关启示。