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恶性肿瘤是一类严重危害人类健康的常见病与多发病。现有的肿瘤治疗方法如外科手术切除、放射治疗、化学治疗和免疫治疗虽取得了一定的成效，但也存在着创伤性大、毒副作用大、肿瘤易复发等诸多问题，因此目前仍需寻找肿瘤治疗的新方法。光动力治疗(Photodynamic therapy，PDT)是一种基于外界光、光敏剂(Photosensitizer，PS)以及肿瘤组织中氧分子的微创治疗，其中光敏剂是影响光动力治疗效能最为关键的因素。由于具有较大的吸光系数、较为红移的吸收波长及更优的光敏抗肿瘤活性等优势，二氢卟吩类光敏剂已成为当前光敏新药研发的热点。然而，尽管抗肿瘤活性较好，但二氢卟吩类光敏剂作为结构非特异性药物，存在肿瘤选择性有限与潜在耐药等缺陷。因此，近年来科研人员把目光聚焦于向二氢卟吩的结构中引入或粘附一些具有生物特性或分子识别功能的官能团或化学分子，以期获得光敏活性强、肿瘤选择性高且耐药性低的二氢卟吩类光敏剂。
基于上述研究背景，本研究围绕二氢卟吩结构开展新型光敏分子的设计、合成与抗肿瘤活性机制研究，内容主要包括：(1)二氢卟吩e4醚类氨基酸类衍生物的设计、合成及抗肿瘤活性研究；(2)ABCG2介导的光敏分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究；(3)刺激响应型光化疗双模抗肿瘤分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究。
一、二氢卟吩e4醚类氨基酸类衍生物的设计、合成及抗肿瘤活性研究
对先导光敏剂进行合理结构改造与优化是获得更为高效低毒的光敏剂的重要途径之一。本部分工作以光敏剂二氢卟吩e4作为先导化合物，在其173-或131-引入氨基酸残基结构域和(或)31-引入烷氧基侧链后，得到一系列二氢卟吩e4醚类氨基酸类衍生物。体外抗肿瘤活性结果表明，绝大多数目标化合物展现出了良好的体外光动力肿瘤抑制活性，其中化合物14b对B16-F10，A549及HeLa细胞的光敏抑制活性(IC50值)均达到纳摩尔级。后续研究发现，14b主要分布于溶酶体、线粒体与内质网，在照光条件下能够显著提升细胞内活性氧(Reactive oxygen species，ROS)水平，诱导肿瘤细胞凋亡与杀伤性自噬，并阻滞细胞周期于G1期，显示出了较强的体外抗肿瘤细胞增殖能力。体内C57BL/6小鼠的B16-F10小鼠黑色素瘤移植瘤模型实验结果表明，在2mg/kg的给药剂量下，14b对肿瘤的抑制率达到了95.1%，显著提升了该组小鼠肿瘤的客观缓解率(60%)，并显著延长了该组小鼠的疾病进展时期(11天)，对肿瘤的抑制作用显著优于同剂量的上市药物Talaporfin。本部分工作中我们发现了一个在细胞与小鼠水平上安全有效的二氢卟吩类光敏候选分子，值得对其开展深入的临床前药理、毒理以及药代动力学研究。同时，该部分工作也为研发其他类型的高活性光敏分子提供了新思路与研究基础。
二、ABCG2介导的光敏分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究
ABCG2作为肿瘤多药耐药(Multidrug resistance，MDR)的关键跨膜转运蛋白之一，能够将多种类型的光敏剂排出至细胞外，降低光动力治疗的效能。研究表明，某些分子靶向酪氨酸激酶抑制剂(Tyrosine kinase inhibitors，TKIs)可作为ABCG2的底物或抑制剂，对ABCG2介导的光敏剂的外排过程具有一定的逆转作用。本部分首先验证了较低浓度(10μM)的酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼与达沙替尼在较长时间(＞48h)作用于HepG2细胞后，能够显著下调细胞内ABCG2的表达，刺激ATP酶的活性，增加细胞内二氢卟吩e6的含量，进而增强光动力治疗的效能。随后，我们以二氢卟吩e6为结构骨架，通过引入伊马替尼、达沙替尼或其药效团，构建一系列ABCG2介导的光敏分子共18个，并合成了偶联达沙替尼并装载二氢卟吩e6的高分子胶束。体外抗肿瘤活性结果表明，绝大多数目标化合物与高分子胶束的光动力抗肿瘤活性相较于临床光敏药物Talaporfin均有所提升，其中化合物29b对B16-F10与HepG2细胞的抑制作用是该系列化合物中最强的。后续机制研究发现，化合物29b不仅对HepG2细胞的ABCG2蛋白具有一定的下调作用，而且被ABCG2蛋白外排的光敏分子数量也显著减少。另一方面，化合物29b能够广泛分布于线粒体、溶酶体、内质网及高尔基体，显著诱导HepG2细胞产生大量ROS，促使HepG2细胞凋亡与杀伤性自噬，并阻滞细胞周期于S期。在BALB/c裸鼠的HepG2移植瘤模型中，在2mg/kg的给药剂量下，29b能够显著抑制肿瘤生长，推迟小鼠的肿瘤恶化时间，显著延长小鼠的总生存期(53天)、中位生存期(43天)与无进展生存期(12天)，且不会引起明显的药物不良反应。综合体内外抗肿瘤活性与机制实验结果，我们认为化合物29b可作为低耐药型抗肿瘤光敏药物研发的候选分子，值得对其开展深入的机制研究。
三、刺激响应型光化疗双模抗肿瘤分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究
光动力治疗与化学治疗的联用是目前最为普遍的肿瘤联合治疗之一，然而这种“鸡尾酒”式疗法存在光敏剂与化疗药物的药代动力学性质不可控等缺陷。相比之下，利用在肿瘤组织特异性断裂的Linker将光敏剂与化疗药物偶联可以实现二者在肿瘤部位的同时释放，发挥协同增效的作用。研究表明，细胞毒药物5-氟尿嘧啶与组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylase，HDAC)抑制剂同光动力治疗联用时均显现出一定的协同增效作用。为增强光敏剂的肿瘤选择性并减少简单的药物联用带来的药代动力学性质不可控等缺陷，本部分工作利用药物化学传统的药效团融合与前药策略，以二氢卟吩e6为先导化合物，设计合成了11个偶联5-氟尿嘧啶、SAHA或西达本胺的光化疗双模抗肿瘤分子，其中以肿瘤微环境刺激响应酰腙键或二硫键为Linker的目标分子包括化合物32、36a及36b。体外药物释放实验表明，酰腙键与二硫键在模拟体内肿瘤微环境的体外条件下均易发生断裂，其中5-氟尿嘧啶与SAHA相较于西达本胺更容易得到释放。体外抗肿瘤活性结果表明，化合物32、36a、43a及45a对B16-F10与HepG2细胞的抑制活性均达到了纳摩尔级，显著优于阳性药物SAHA与Talaporfin。后续的抗肿瘤机制研究实验表明，化合物32、36a与43a能够显著提升B16-F10细胞内ROS的水平，诱导肿瘤细胞凋亡，并阻滞细胞周期于S期。此外，化合物36a对B16-F10细胞中的Acetly-H3与Acetly-H4具有一定的上调作用。体内C57BL/6小鼠的B16-F10小鼠黑色素瘤移植瘤模型实验结果表明，以较低给药剂量(2 mg/kg)的化合物36a在光照条件下不仅可以显著抑制小鼠肿瘤体积的增长，延长该组小鼠的各类生存期，还能够有效抑制黑色素瘤的肺部转移。综合体内外抗肿瘤活性机制实验结果，我们认为化合物36a可以作为一个有效抑制黑色素瘤增殖与转移的光化疗双模抗肿瘤分子，值得对其开展后续的研究。
基于上述研究背景，本研究围绕二氢卟吩结构开展新型光敏分子的设计、合成与抗肿瘤活性机制研究，内容主要包括：(1)二氢卟吩e4醚类氨基酸类衍生物的设计、合成及抗肿瘤活性研究；(2)ABCG2介导的光敏分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究；(3)刺激响应型光化疗双模抗肿瘤分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究。
一、二氢卟吩e4醚类氨基酸类衍生物的设计、合成及抗肿瘤活性研究
对先导光敏剂进行合理结构改造与优化是获得更为高效低毒的光敏剂的重要途径之一。本部分工作以光敏剂二氢卟吩e4作为先导化合物，在其173-或131-引入氨基酸残基结构域和(或)31-引入烷氧基侧链后，得到一系列二氢卟吩e4醚类氨基酸类衍生物。体外抗肿瘤活性结果表明，绝大多数目标化合物展现出了良好的体外光动力肿瘤抑制活性，其中化合物14b对B16-F10，A549及HeLa细胞的光敏抑制活性(IC50值)均达到纳摩尔级。后续研究发现，14b主要分布于溶酶体、线粒体与内质网，在照光条件下能够显著提升细胞内活性氧(Reactive oxygen species，ROS)水平，诱导肿瘤细胞凋亡与杀伤性自噬，并阻滞细胞周期于G1期，显示出了较强的体外抗肿瘤细胞增殖能力。体内C57BL/6小鼠的B16-F10小鼠黑色素瘤移植瘤模型实验结果表明，在2mg/kg的给药剂量下，14b对肿瘤的抑制率达到了95.1%，显著提升了该组小鼠肿瘤的客观缓解率(60%)，并显著延长了该组小鼠的疾病进展时期(11天)，对肿瘤的抑制作用显著优于同剂量的上市药物Talaporfin。本部分工作中我们发现了一个在细胞与小鼠水平上安全有效的二氢卟吩类光敏候选分子，值得对其开展深入的临床前药理、毒理以及药代动力学研究。同时，该部分工作也为研发其他类型的高活性光敏分子提供了新思路与研究基础。
二、ABCG2介导的光敏分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究
ABCG2作为肿瘤多药耐药(Multidrug resistance，MDR)的关键跨膜转运蛋白之一，能够将多种类型的光敏剂排出至细胞外，降低光动力治疗的效能。研究表明，某些分子靶向酪氨酸激酶抑制剂(Tyrosine kinase inhibitors，TKIs)可作为ABCG2的底物或抑制剂，对ABCG2介导的光敏剂的外排过程具有一定的逆转作用。本部分首先验证了较低浓度(10μM)的酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼与达沙替尼在较长时间(＞48h)作用于HepG2细胞后，能够显著下调细胞内ABCG2的表达，刺激ATP酶的活性，增加细胞内二氢卟吩e6的含量，进而增强光动力治疗的效能。随后，我们以二氢卟吩e6为结构骨架，通过引入伊马替尼、达沙替尼或其药效团，构建一系列ABCG2介导的光敏分子共18个，并合成了偶联达沙替尼并装载二氢卟吩e6的高分子胶束。体外抗肿瘤活性结果表明，绝大多数目标化合物与高分子胶束的光动力抗肿瘤活性相较于临床光敏药物Talaporfin均有所提升，其中化合物29b对B16-F10与HepG2细胞的抑制作用是该系列化合物中最强的。后续机制研究发现，化合物29b不仅对HepG2细胞的ABCG2蛋白具有一定的下调作用，而且被ABCG2蛋白外排的光敏分子数量也显著减少。另一方面，化合物29b能够广泛分布于线粒体、溶酶体、内质网及高尔基体，显著诱导HepG2细胞产生大量ROS，促使HepG2细胞凋亡与杀伤性自噬，并阻滞细胞周期于S期。在BALB/c裸鼠的HepG2移植瘤模型中，在2mg/kg的给药剂量下，29b能够显著抑制肿瘤生长，推迟小鼠的肿瘤恶化时间，显著延长小鼠的总生存期(53天)、中位生存期(43天)与无进展生存期(12天)，且不会引起明显的药物不良反应。综合体内外抗肿瘤活性与机制实验结果，我们认为化合物29b可作为低耐药型抗肿瘤光敏药物研发的候选分子，值得对其开展深入的机制研究。
三、刺激响应型光化疗双模抗肿瘤分子的设计、合成及抗肿瘤活性研究
光动力治疗与化学治疗的联用是目前最为普遍的肿瘤联合治疗之一，然而这种“鸡尾酒”式疗法存在光敏剂与化疗药物的药代动力学性质不可控等缺陷。相比之下，利用在肿瘤组织特异性断裂的Linker将光敏剂与化疗药物偶联可以实现二者在肿瘤部位的同时释放，发挥协同增效的作用。研究表明，细胞毒药物5-氟尿嘧啶与组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylase，HDAC)抑制剂同光动力治疗联用时均显现出一定的协同增效作用。为增强光敏剂的肿瘤选择性并减少简单的药物联用带来的药代动力学性质不可控等缺陷，本部分工作利用药物化学传统的药效团融合与前药策略，以二氢卟吩e6为先导化合物，设计合成了11个偶联5-氟尿嘧啶、SAHA或西达本胺的光化疗双模抗肿瘤分子，其中以肿瘤微环境刺激响应酰腙键或二硫键为Linker的目标分子包括化合物32、36a及36b。体外药物释放实验表明，酰腙键与二硫键在模拟体内肿瘤微环境的体外条件下均易发生断裂，其中5-氟尿嘧啶与SAHA相较于西达本胺更容易得到释放。体外抗肿瘤活性结果表明，化合物32、36a、43a及45a对B16-F10与HepG2细胞的抑制活性均达到了纳摩尔级，显著优于阳性药物SAHA与Talaporfin。后续的抗肿瘤机制研究实验表明，化合物32、36a与43a能够显著提升B16-F10细胞内ROS的水平，诱导肿瘤细胞凋亡，并阻滞细胞周期于S期。此外，化合物36a对B16-F10细胞中的Acetly-H3与Acetly-H4具有一定的上调作用。体内C57BL/6小鼠的B16-F10小鼠黑色素瘤移植瘤模型实验结果表明，以较低给药剂量(2 mg/kg)的化合物36a在光照条件下不仅可以显著抑制小鼠肿瘤体积的增长，延长该组小鼠的各类生存期，还能够有效抑制黑色素瘤的肺部转移。综合体内外抗肿瘤活性机制实验结果，我们认为化合物36a可以作为一个有效抑制黑色素瘤增殖与转移的光化疗双模抗肿瘤分子，值得对其开展后续的研究。