先导化合物的发现和优化是新药研发的重要环节。本论文运用了多种策略来发现和优化抗真菌和抗肿瘤先导结构，主要包括：(1)通过基于结构的药物设计技术优化本实验室发现的高活性唑类抗真菌先导结构；(2)通过基于细胞的表型筛选技术发现咔啉类抗真菌先导结构，对其结构优化发现全新作用机制的抗真菌新化学实体；(3)通过药物结构优化技术，系统完成了传统中药有效成分吴茱萸碱的构效关系和药理活性研究，发现高活性抗肿瘤候选分子；(4)通过有机小分子催化的不对称串联反应技术，发展了三项含硫骨架合成新方法，构建得到类药性分子库，并筛选发现具有广谱抗肿瘤活性的全新先导结构。一、新型抗真菌先导结构的设计、合成与活性研究(一)抗真菌靶标CYP51的同源模建和唑类先导结构的优化设计真菌羊毛甾醇14α-去甲基化酶(CYP51)是抗真菌药物的重要靶点，其抑制剂唑类抗真菌药物已经广泛应用于临床。但由于真菌CYP51是跨膜蛋白，提取纯化比较困难，目前还没有晶体结构报道。本研究首次以人CYP51为模板，同源模建了白念珠菌CYP51(CA-CYP51)的三维模型，并进行了分子动力学优化。对CA-CYP51模建结构的准确度进行了系统的计算评价，包括蛋白的Pro-check、Profiles-3D、分子对接验证和富集性试验测试。结果表明，所建立的模型具有较高的精确性，可以用于指导新型唑类抗真菌药物的合理设计。本课题组前期发现含有N-甲基侧链的唑类化合物表现出优秀的体外抗真菌活性。在此基础上，通过基于结构的药物设计技术对其进行了结构优化和构效关系研究，主要考察了含氮侧链上不同的取代基团对抗真菌活性的影响，设计合成了25个新化合物。构效关系表明，N上的取代基团以氢原子和甲基为最优，并且取代基团会影响侧链在CYP51活性位点中的伸展，进而影响抗真菌活性。其中化合物A1和A14较对照药氟康唑相比，表现出相当或更优的体外抗真菌活性。通过分子对接阐明了目标化合物与CA-CYP51的作用模式，并合理解释了构效关系，为进一步合理设计新型唑类抗真菌药物提供了有价值的信息。(二)咔啉类抗真菌先导结构的发现、优化和生物活性研究基于细胞表型或者功能的筛选是发现先导结构的重要途径。与针对具体靶点的分子水平筛选不同的是，细胞水平筛选不仅能够直接发现具有药理活性的分子，而且有可能发现全新结构类型和全新作用机制的先导结构，对新靶点和新药的发现具有重要作用。本研究中对课题组内部化合物库进行了体外抗真菌细胞水平的筛选，发现具有β-咔啉骨架结构的化合物表现出广谱的抗真菌活性。进一步对其进行结构优化，设计合成了27个新化合物。体外抗真菌测试表明，部分化合物的抗真菌活性优于先导结构。其中化合物C27活性最优，与对照药氟康唑相当。对其进行了深入的药理学评价，发现化合物C27对氟康唑敏感菌和耐药菌都具有杀真菌活性，能够有效抑制真菌生物被膜和真菌菌丝的形成，而氟康唑无此效应。协同抗真菌实验表明，化合物C27与氟康唑具有很好的协同抗真菌效果。采用透射电镜和GC-MS方法对C27的抗真菌作用机制进行了初步研究，发现该类化合物具有与氟康唑不同的作用机制，可能干扰了真菌细胞壁的生物合成途径。上述结果表明，对咔啉类抗真菌化合物进行深入研究，对于解决真菌的耐药性问题具有重要意义。二、新型吴茱萸碱衍生物的设计、合成和抗肿瘤活性研究天然产物一直是抗肿瘤新药研发的重要来源。在前期工作中，本课题组通过基于结构的虚拟筛选，首次报道了天然产物吴茱萸碱是拓扑异构酶的抑制剂。但它的体外抗肿瘤活性还比较低，分子作用靶点还不明确，有待深入的研究。本研究对吴茱萸碱进行了系统的结构修饰，考察了引入取代基和改变分子骨架对抗肿瘤活性的影响，总共设计合成了139个新型吴茱萸碱衍生物，并在分子、细胞和动物水平进行了药理活性测试。结果显示，部分化合物对多种肿瘤株的GI50小于3nM，表现出广谱、高效的体外抗肿瘤活性。裸鼠体内肠癌和肺癌模型显示，部分高活性衍生物表现出很好的体内抗肿瘤效果。例如在裸鼠肠癌模型中，化合物E135在2mg/kg条件下抑瘤率达到50.39%，并表现低毒和高耐受性特点。细胞凋亡实验显示，高活性化合物(E38, E112和E133)能够诱导A549肿瘤细胞凋亡，使细胞周期阻滞于G2/M期。在分子作用靶点上，发现吴茱萸碱衍生物是首次报道的Top1/Top2/微管蛋白的三靶点抑制剂。其中化合物E112和E135对微管蛋白的抑制活性(IC50分别为5.3μM和4.5μM)优于对照药秋水仙碱(IC50为10.8μM)。吴茱萸碱衍生物多靶点抗肿瘤作用特点对于提高肿瘤化疗效果和克服肿瘤耐药性问题具有重要的意义。三、基于有机合成方法学构建类药性骨架和抗肿瘤先导结构的发现近年来，有机小分子催化的不对称串联反应发展迅速。这类反应仅需通过一步反应即能够以较好的反应收率和高立体选择性构建手性骨架，具有环境友好和原子经济性等特点，成为有机合成方法学的研究热点。3,4-二氢-2H-硫代吡喃骨架是药物活性分子中的优势骨架。本研究首次采用有机小分子催化的硫-[3+3]环合反应，一步构建了含有两个手性中心的二氢硫代吡喃骨架。反应具有很好的反应收率(51%-84%)和较好的立体选择性(最高值>20:1dr,>99%ee)，并通过Nazarov反应构建得到含有四个手性中心的全新类药性骨架。在此基础上，首次采用有机小分子催化的Michael-Michael串联反应，以较好的反应收率(58%-78%)、中等的非对映选择性(最高值为5.2:1dr)和高对映选择性(最高值>99%ee)，一步构建了含有四个手性中心的四氢硫代吡喃骨架。通过简单的化学转化，能够得到结构更加复杂、骨架更加新颖的类药性分子。螺吲哚酮骨架是天然产物和药物活性分子中的优势骨架，成为近年来药物研究的热点结构。采用有机小分子催化的方法将吲哚酮和四氢硫代吡喃骨架相结合，通过Michael-Michael串联反应一步构建了含有四个手性中心的吲哚酮螺四氢硫代吡喃骨架。反应具有很好的反应收率(55%-74%)和高立体选择性(dr>30:1,ee≥99%)。通过简单的化学转化，能够得到骨架更加新颖、结构更加复杂的结构。基于上述三类骨架建立了一个小型化合物库，并进行了体外抗肿瘤活性测试。结果表明，吲哚酮螺四氢硫代吡喃类衍生物表现出广谱的抗肿瘤活性。其中化合物3b的体外抗肿瘤活性总体要优于对照药nutlin-3，具有深入研究的价值。在本部分研究中，通过发展有机合成方法学构建了三种含硫类药性骨架，并通过体外抗肿瘤活性筛选首次发现吲哚酮螺四氢硫代吡喃衍生物具有广谱抗肿瘤的特点。这项工作体现了有机合成方法学与药物化学的相结合，为新药发现提供了一种新思路，并为抗肿瘤化学生物研究提供了分子探针。四、总结综上所述，本研究将多种先导物发现和优化策略应用于抗真菌和抗肿瘤新药发现中，总共设计合成了191个新化合物，并发现四种结构类型的抗真菌或抗肿瘤活性化合物。本论文的创新性主要体现在如下三个方面：(1)首次发现咔啉类化合物是全新作用机制的抗真菌先导结构，发现化合物C27在克服真菌耐药性方面具有潜在的应用价值；(2)首次发现并证实吴茱萸碱衍生物是Top1/Top2/微管蛋白的三靶点抑制剂，并获得了高效、低毒和广谱的抗肿瘤新化学实体，为开发具有自主知识产权的抗肿瘤原创药物奠定了基础；(3)将有机合成方法学和药物化学紧密结合，提出了先导化合物发现新策略。通过有机小分子催化的不对称串联反应，快速构建了三类含硫优势分子骨架，并发现吲哚酮螺四氢硫代吡喃类衍生物具有广谱的抗肿瘤活性。本论文研究工作为开发具有自主知识产权的抗真菌和抗肿瘤创新药物奠定了基础。