二茂铁杂合体的抗肿瘤活性

宋旭锋，孙志成

(1 北京工业大学环境与能源工程学院化学化工系,绿色催化与分离北京市重点实验室,北京 100124；2 北京印刷学院,北京市印刷电子工程技术研究中心,北京 102600）

1 前言

肿瘤细胞不受正常生长调控系统的控制，能持续增殖，且几乎可侵袭人的各个组织和器官[1-2]。近年来，随着人们的生活方式以及环境因素发生变化，癌症的发病率和死亡率均呈现出不断上升的趋势[3]。目前，癌症是第二大致死性疾病，每年近千万人因此丧命[4]。化疗仍是目前治疗癌症的主要手段之一，但是由于耐药性的产生和毒副作用等往往会导致化疗被迫终止，最终导致治疗失败[5]。为了克服耐药性并提高特异性，从而降低毒副作用，科学家们作出了不懈的努力。当前，数十种抗肿瘤候选药正处于抗肿瘤(包括耐药肿瘤)的临床试验阶段，有希望在不久的将来为人类健康作出贡献[6]。然而，与巨大的需求相比，目前在研的候选物数量远远不足。因此，开发新型抗肿瘤药物迫在眉睫。

二茂铁(图1)类化合物具有包括廉价、稳定、亲脂、强氧化还原和低毒等在内的诸多有点，在药物化学领域有着广泛的应用[7]。研究表明，二茂铁的氧化还原特性可使二价铁(FeII)发生可逆的氧化还原反应生成具有高氧化性的三价铁(FeIII)，从而产生活性氧(ROS)等自由基，造成细胞毒性，使肿瘤细胞凋亡[8-9]。因此，二茂铁类化合物具有潜在的抗肿瘤活性。值得一提的是，二茂铁-酚杂合体Ferrocifen (图1)对包括耐药肿瘤细胞系在内的多种肿瘤细胞系显示出良好地抑制作用。目前，本品正处于临床前研究阶段，结果值得期待[10]。由此可见，二茂铁杂合体在抗肿瘤领域大有作为。

近年来，药物化学家们设计、合成并评价了多个系列二茂铁杂合体的体内和体外抗肿瘤活性，并发现了多个具备进一步研究价值的候选物。本文将总结近年来二茂铁杂合体在抗肿瘤领域中最新的研究进展，从而为药物化学家进一步设计活性更高的杂合体提供参考。

图1 二茂铁母核及Ferrocifen的化学结构

2 二茂铁-苯酚杂合体

二茂铁-苯酚杂合体Ferrocifen是他莫昔芬的衍生物，本品不仅可作用于肿瘤细胞DNA，还可作用于各种蛋白质、酶和受体[11]。因此，Ferrocifen对药敏性和耐药性肿瘤细胞均显示出优秀的活性。由此可见，对二茂铁-苯酚杂合体进行结构优化有可能获得新型抗肿瘤药物。

Ferrocifen的位置异构体1,2a(图2)及乙酰化衍生物2b具有潜在的抗SF-295,HCT-8,MDA-MB-435和HL-60肿瘤细胞系活性，IC50为0.94～32 μmol/L[12]。构-效关系(SAR)显示，乙酰化酚羟基对活性有利，如代表物2b (IC50:0.94～1 μmol/L)的抗SF-295,HCT-8,MDA-MB-435和HL-60肿瘤细胞系活性最高。向杂合体1的二茂铁和苯酚之间引入苯醚连接子或将其中一个苯酚换做二茂铁并不会显著降低活性，如杂合体3(IC50:6～13 μmol/L)和4 (IC50:8.4～27 μmol/L)也具有潜在的的抗SF-295,HCT-8,MDA-MB-435和HL-60肿瘤细胞系活性。进一步研究显示，将其中的一个酚羟基换做羟甲基可提高这类化合物的抗MDA-MB-231肿瘤细胞系活性，如杂合体5a～c(IC50:110～360nmol/L)的抗MDA-MB-231肿瘤细胞系活性是Ferrocifen(IC50:1.13μmol/L)的3.1～10.2倍[13-15]。

图2 二茂铁-苯酚杂合体1～7的化学结构

去乙基Ferrocifen衍生物或向乙基位置引入其它官能团也显示出良好的抗肿瘤活性，如杂合体6(IC50:48～580nmol/L)对源自白血病、肺癌、结肠癌、中枢神经系统、黑素瘤、卵巢癌、肾癌、前列腺癌和乳腺癌的60种人肿瘤细胞系具有优秀的广谱活性，而杂合体7(IC50:35～300nmol/L)则显示出极强的抗MDAMB-231、SK-OV3、HCT116、Mia-PaCa-2、K562、A2780和耐顺铂A2780-Cis肿瘤细胞系活性[16～26]。值得一提的是，杂合体6在小鼠体内的急性毒性较低，最大耐受剂量为100mg/kg。而杂合体7a(IC50:35和49nmol/L)对A2780和A2780-Cis肿瘤细胞系的活性是对照药顺铂(IC50:1.2和11.5μmol/L)的34.2和234.6倍，提示该化合物具有治疗耐药癌症的潜力。

3 二茂铁-香豆素/查耳酮杂合体

Mbaba等评价了多个二茂铁-香豆素杂合体的抗乳腺癌细胞MDA-MB-231活性，发现此类杂合体具有潜在的活性，IC50为11.7～182.9μmol/L[27-28]。代表物8和9(图3，IC50:11.7和11.8μmol/L)的抗MDAMB-231活性是新生霉素(IC50:205.1μmol/L)的17倍左右，但弱于对照药紫杉醇(IC50:0.029μmol/L)。杂合体10(IC50:5.24和7.46μmol/L)抗BIU-87和SGC-7901肿瘤细胞系活性与阿霉素(IC50:6.09和5.44μmol/L)处于同一水平，可作为先导物进一步优化[29]。

含有五元环内酯结构单元的二茂铁-查尔酮杂合体11a～e(IC50:1.1～4.1μmol/L)对MDA-MB-231肿瘤细胞显示出优秀的活性，研究发现，将五元环扩环为六元环仍耐受，如杂合体12(IC50:2.97～71.2μmol/L)对所测的Jurkat、HeLa、MCF-7、A549和MDA肿瘤细胞系显示出潜在的活性，值得进一步的研究[30-32]。

二茂铁-查尔酮杂合体13(IC50:1.8～6.0μmol/L)及其含有哌嗪基团衍生物14a,b(IC50:2.4～3.8μmol/L)具有潜在的抗TK-10,UACC-62和MCF-7肿瘤细胞系活性，其中，代表物13b(IC50:1.8～3.6μmol/L)的活性是对照药小白菊内酯(IC50:5.8～15.0μmol/L)的2.2～4.1倍，可作为先导物进一步优化[33-34]。

4 二茂铁-青蒿素/喹啉杂合体

二茂铁-青蒿素杂合体15a(图4，IC50:130和530nmol/L)和15b(IC50:250和570nmol/L)对野生型CCRF-CEM和P-糖蛋白过表达的耐多药CEM/ADR5000白血病细胞显示出极高的活性[35]。值得一提的是，杂合体15a对CCRF-CEM的活性是二氢青蒿素(IC50:480和680nmol/L)的3.6倍，而对多药耐药CEM/ADR5000白血病细胞的活性是二氢青蒿素的1.2倍，阿霉素(IC50:23.27μmol/L)的43.9倍。进一步研究表明，二茂铁-双青蒿素杂合体16a(IC50:70和1800nmol/L)、16b(IC50:80和8200nmol/L)和16c (IC50:10和1960nmol/L)对野生型CCRF-CEM和P-糖蛋白过表达耐多药CEM/ADR5000白血病细胞也具有良好的活性[35]。而将egonol片段引入至杂合体可保留抗野生型CCRF-CEM活性，但抗P-糖蛋白过表达耐多药CEM/ADR5000白血病细胞活性则大幅下降，如杂合体16c对所测2株白血病细胞的IC50分别为70和147270nmol/L[36]。

图3 二茂铁-香豆素/查耳酮杂合体8～14的化学结构

二茂铁-喹啉杂合体18a,b(IC50:310和740nmol/L)的体外抗WHCO1食道癌细胞活性是对照药顺铂和二茂铁喹啉(IC50:13.0和17.3μmol/L)的17.5～55.8倍，且喹啉杂合体18a(GI50:600～2400nmol/L)的抗MCF-7,TK10和UACC62肿瘤细胞系活性不低于对照药依托泊苷(GI50:800～5900nmol/L)[37-38]。杂合体19a,b(IC50:280～590nmol/L)对HTB-129和Caco-2肿瘤细胞系的活性远远强于顺铂(IC50:50.50和395.80μmol/L)和二茂铁喹啉(IC50:8.7和101μmol/L)，值得进一步研究[39]。

二茂铁-喹啉杂合体20(IC50:1.60～10.71μmol/L)对药敏性DLD1、U87、NCI-H460和耐多药DLD1-TxR,U87-TxR和NCI-H460/R肿瘤细胞系具有潜在的活性[40]。值得一提的是，这类杂合体对耐多药肿瘤细胞系的活性(IC50:1.60～10.14μmol/L)优于相应的药敏性肿瘤细胞系(IC50:1.75～10.71μmol/L)，说明这类化合物可作为抗耐多药肿瘤候选物进一步研究。

图4 二茂铁-青蒿素/喹啉杂合体15～20的化学结构

5 二茂铁-咪唑/噻唑杂合体

杂合体21a,b(图5，GI50:60～1600nmol/L)对518A2、Panc-1、MCF-7/Topo、KB-V1/Vb1、HCT-116、HT-29和DLD-1等肿瘤细胞系具有优秀的广谱活性[41]。在侵袭性B16-F10黑色素瘤异种移植的Balb/c小鼠模型中，杂合体21b(7.5mg/kg，腹腔内注射，每日两次)组肿瘤体积减小了80%，且未发现小鼠体重明显的降低，耐受良好。杂合体22(GI50:16～40nmol/L)具有极高的抗MCF-7细胞活性，其活性是对照药阿霉素(GI50:147nmol/L)的3.6～9.1倍[42]。其中，化合物22a(IC50:36.21μmol/L)对正常HEK293细胞的细胞毒性较低，选择性指数＞380。杂合体23(IC50:80～940nmol/L)的抗HT29,HCT-15,MDA-MB-231,MCF-7和HL-60等肿瘤细胞系活性是对照药顺铂(IC50:4.74～90.12μmol/L)的15.3～263.3倍，值得深入研究[43]。

二茂铁-吡唑杂合体24(IC50:0.28～2.03和29.09～41.05μmol/L)抑环氧合酶(COX)-2活性比抑COX-1 活性更高，且大多数杂合体(IC50:0.34～15.57μmol/L)也具有潜在的抗A549、F10、MCF-7和HeLa肿瘤细胞系的活性，且活性与塞来考昔(IC50:7.55～25.87μmol/L)相当甚至更高[44]。在HeLa细胞异种移植的Balb/C雌性裸鼠模型中，代表物24a(20mg/kg,腹腔注射)组的肿瘤重量与安慰剂组相比显著降低，而塞来考昔(10mg/kg)组的肿瘤平均重量是杂合体24a组的4倍以上。不仅如此，杂合体24a组中未观察到体重的显著变化，提示该杂合体的安全性良好。

杂合体25(IC50:0.09～8.48nmol/L)对KB、SKOV-3、SF-268、NCI H460、RKOP27、HL60、U937、K562、SK-MEL-28、GOTO、NB-1、HeLa、HT1080和HepG2等肿瘤细胞系的活性极高，其活性与对照阿霉素(IC50:1.13～6.66nmol/L)和他莫昔芬(IC50:0.11～1.31nmol/L)处于同一水平，极具进一步研究价值[45]。

6 其它二茂铁杂合体

二茂铁-甾体杂合体普遍具有极高的抗肿瘤活性，如杂合体26a,b(图6，GI50:223和271nmol/L)的抗HeLa细胞活性与阿霉素(GI50:250nmol/L)处于相同水平[46]。进一步研究表明，在二茂铁和类固醇基团之间引入酯连接子对活性有利，如杂合体27(GI50:9和24.4nmol/L)也具有极为优秀的抗MCF-7和HT-29肿瘤细胞系活性[47]。

二茂铁-紫杉醇杂合体28(IC50:＜5～366nmol/L)对药敏性SW620、A549、Colo 205、HCT116、HepG2、MCF-7和耐多药SW620C、SW620D、SW620E、SW620M及SW620V肿瘤细胞系具有广谱活性，且活性远优于母药紫杉醇(IC50:0.379～40.36μmol/L)[48]。显然，该杂合体可能在抗耐多药肿瘤领域大有作为。

图5 二茂铁-咪唑/噻唑杂合体21～25的化学结构

图6 二茂铁杂合体26～31的化学结构

二茂铁-胍杂合体29(IC50:1.5～2.6μmol/L)的抗HBL-100、HeLa和SW1573肿瘤细胞系的活性与顺铂(IC50:1.9～3.0μmol/L)相当，而对T-47D和WiDr肿瘤细胞系的活性则是顺铂(IC50:15和26μmol/L)的5.7～13.6倍[49]。作用机制研究的结果表明，该类杂合体的作用机制与顺铂完全不同，说明此类杂合体可用于耐顺铂肿瘤的治疗。

二茂铁-醌杂合体30(IC50:0.5～4.7μmol/L)具有良好的体外抗518A2,HCT-116和耐多药性KB-V1/Vb1肿瘤细胞系活性，且活性优于对照药蓝雪醌(IC50:1.1～26.2μmol/L)和顺铂(IC50:4.1～15.4μmol/L)[50-51]。不仅如此，该杂合体(IC50:＞50μmol/L)对正常CHF细胞无毒，选择性指数＞10。

二茂铁-呋喃金属络合物31(IC50:0.01～50.5μmol/L)对KB、SKOV-3、SF-268、Cl H460、RKOP 27、HL60、U937、K562、G361、SKMEL-28、GOTO、NB-1、HeLa、MCF-7、HT1080和HepG2等肿瘤细胞系具有广谱活性，且此类金属配合物对大多数所测肿瘤细胞系的活性不低于阿霉素(IC50:1.13～6.66μmol/L)，可作为先导物进一步优化[52-53]。

7 结束语

癌症是人类第二大致死性疾病，但癌症可防可治。化疗是目前治疗癌症的主要手段之一，但是由于耐药性的产生和毒副作用等往往会导致治疗失败。因此，开发对耐药癌症有效且毒副作用低的新型抗肿瘤药物迫在眉睫。

二茂铁类化合物可通过多种作用机制发挥抗肿瘤活性，对耐药肿瘤细胞具有潜在的活性。不仅如此，此类化合物的毒性较低，安全性良好。因此，二茂铁类化合物对寻找新型抗肿瘤药物具有诸多优势。特别值得一提的是，二茂铁-酚杂合体Ferrocifen目前正处于临床前研究的阶段，有望在不久的将来为人类健康作出贡献。本文总结了近年来二茂铁杂合体在抗肿瘤领域中最新的研究进展，为药物化学家们进一步设计活性更高的杂合体提供有用参考。