活性氧(ROS)是通过线粒体的电子传递链和氧代谢酶的反应产生的含氧物种。与正常细胞相比,癌细胞由于致癌原刺激、代谢活性的提高以及线粒体功能紊乱,呈现出提高的ROS水平和改变的氧化还原状态,使其更加容易受损于ROS水平的提高。这提供了一种基于促氧化作用设计癌预防和治疗试剂的策略,即使用外源性的ROS产生试剂(促氧化剂)或是氧化还原干预试剂进一步提高细胞内ROS的产生来杀死癌细胞。对胞内氧化还原的干预非常容易通过含有Michael加成受体单元(α,β-不饱和羰基)的小分子亲电试剂与氧化还原活跃的蛋白的硫醇负离子发生共轭加成来实现。饮食类多酚-姜黄素(curcumin)作为含有Michael加成受体单元的癌预防药物明星分子,引起研究者相当的兴趣。我们设计和合成了一系列在苯环上具有不同取代基和位置的姜黄素单羰基类似物,系统性地研究了它们诱导癌细胞凋亡的活性以及相关的化学和生物学机制。发现：与先导化合物姜黄素相比,邻位双取代的类似物(A1,B1和C1)呈现出显著更高的抑制人肝癌(HepG2)和肺癌细胞(A549)增殖、诱导其凋亡和细胞周期阻滞活性。有趣的是,这些活性与其Michael加成受体依赖的促进胞内ROS生成(促氧化)的能力直接相关。实验证实：它们通过Michael加成受体单元能够不可逆地抑制硫氧还蛋白还原酶(TrxR),其修饰物诱导NADPH氧化酶的活性,从而促进胞内ROS的生成。这种促进ROS生成的能力不仅依赖于其对TrxR的抑制活性,也依赖于其修饰的TrxR对NADPH氧化酶的诱导活性。后者对促进活性氧生成更为重要。活性氧的生成不仅伴随着氧化还原平衡的破坏,而且随后诱导了钙离子内流、脂质过氧化、线粒体膜电位的崩溃,并最终导致凋亡酶caspase-9和3的表达提高,从而诱导凋亡的发生。本工作证实了基于促氧化策略设计姜黄素导向的癌预防试剂的可行性；提供了如何设计姜黄素导向的癌预防试剂的重要信息。本工作的创新性体现在如下几个方面：(1) 提供了通过促氧化作用设计姜黄素导向的癌预防试剂的范例。发现了重要的先导化合物邻位双三氟甲基取代的A1。(2) 发现了苯环上取代基的电子效应和位置效应显著影响着单羰基姜黄素类似物的抑制HepG2和A549细胞增殖活性。其中,邻位三氟甲基的引入是改善这个活性最有效的方式。(3) 证实了姜黄素及其活性类似物抑制A549细胞增殖和诱导其凋亡活性与它们Michael加成受体依赖的促进胞内ROS生成的能力直接相关。(4) 证实了外加的GSH和NAC抑制促氧化介导的凋亡是主要来自于它们作为亲核试剂,从“源头”上阻断ROS的生成。(5) 证实了姜黄素的活性类似物促进胞内ROS生成来自于其修饰的TrxR诱导了NADPH氧化酶的活性。线粒体和铁蛋白并没有参与此过程。(6) 证实了姜黄素及其活性类似物通过ROS介导的凋亡活性不仅依赖于其抑制TrxR的活性,也依赖于其修饰的TrxR对NADPH氧化酶的诱导活性。而后者对其凋亡活性发挥着更为重要的作用。(7) 证实了一系列ROS依赖的细胞学事件,包括伴随的氧化还原状态(GSH/GSSG的比值)的改变、随后的脂质过氧化、胞内的钙流提高、线粒体膜电位的下降以及最终的凋亡酶caspase-3和9的激活。课题组前期工作显示：通过苯环的插入,消除导致姜黄素不稳定性的活性亚甲基单元,所合成的双查尔酮类似物(BC1),呈现出比母体分子更为优异的抑制癌细胞增殖和诱导其凋亡活性。基于吸电子的三氟甲基的引入能够有效改善药物的亲酯性和代谢稳定性以及第一部分工作所证实的邻位三氟甲基在诱导癌细胞凋亡的重要角色,我们合成了邻位双三氟甲基取代的双查尔酮(BC2)。发现其具有比姜黄素和BC1更为显著的抑制A549细胞增殖和诱导其凋亡活性,甚至优于A1。BC2诱导细胞凋亡的化学和生物学机制与A1相同。其活性的进一步提高,来自于其更强的诱导胞内生成ROS的能力。