線粒體靶向抗腫瘤藥物及其分類

潘凌立，李東巍，雷克林

(1.鄂東醫(yī)療集團(tuán)黃石市中心醫(yī)院(湖北理工學(xué)院附屬醫(yī)院)急診科，湖北 黃石 435002；2.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053)

?

線粒體靶向抗腫瘤藥物及其分類

潘凌立1，李東巍2，雷克林3

(1.鄂東醫(yī)療集團(tuán)黃石市中心醫(yī)院(湖北理工學(xué)院附屬醫(yī)院)急診科，湖北 黃石 435002；2.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053)

摘要：線粒體是真核細(xì)胞重要的細(xì)胞器，在細(xì)胞代謝中發(fā)揮主要作用。線粒體與疾病的發(fā)生、發(fā)展、治療密切相關(guān)，線粒體靶向抗腫瘤藥物分子的設(shè)計(jì)和研究已成為藥學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。分別簡(jiǎn)述了8類線粒體靶向抗腫瘤藥物的作用機(jī)制和特征，介紹了2類新型多功能線粒體靶向抗腫瘤藥物，并展望了抗腫瘤藥物未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：線粒體；靶向藥物；抗腫瘤；分類

現(xiàn)今，惡性腫瘤已成為發(fā)展中國(guó)家死亡率第二的疾病，在發(fā)達(dá)國(guó)家中更是居于首位。隨著人口老齡化的加劇以及生活方式的改變(如吸煙、缺乏鍛煉、“西化”的飲食習(xí)慣等)，發(fā)展中國(guó)家的腫瘤發(fā)病率逐年升高。

線粒體是細(xì)胞程序化死亡中重要的細(xì)胞器。細(xì)胞凋亡分為2條途徑[1]：一條通過(guò)配體與細(xì)胞表面的死亡因子結(jié)合而引發(fā)；另一條為線粒體。在線粒體凋亡途徑里，引發(fā)凋亡的早期事件之一是線粒體外膜滲透性的增強(qiáng)以及凋亡因子細(xì)胞色素c(Cytc)的釋放，隨后線粒體內(nèi)的一系列事件激活了天冬氨酸蛋白家族的水解酶，最終導(dǎo)致細(xì)胞的部分自我消解。有關(guān)Cytc釋放的機(jī)理，目前還存在較大爭(zhēng)議。多種不同的途徑，如Bak/Bax通道、線粒體滲透轉(zhuǎn)換孔和膜損傷等，都會(huì)引發(fā)Cytc等凋亡因子的釋放[2]。與之相反，Bcl-2和Bcl-XL會(huì)抑制凋亡程序的啟動(dòng)。

腫瘤細(xì)胞“逃避”死亡，特別是腫瘤細(xì)胞對(duì)自身死亡途徑的阻止，是現(xiàn)今抗腫瘤治療的最大難題之一[3]。因而，激活并開(kāi)啟腫瘤細(xì)胞死亡程序成為十分有效的抗腫瘤治療手段。這類死亡程序由一系列代謝水解酶(大多為蛋白酶和核酸酶)組成，但由于缺少激活蛋白，這些酶的活性在多數(shù)情況下是抑制狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤在基因表達(dá)水平上存在明顯差異，同一類型的腫瘤在不同患者身上有著不同的突變類型，甚至在同一腫瘤上也出現(xiàn)了不同的突變體。國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature也以“Cancercomplexityslowsquestforcure”[4]為題闡述了這類問(wèn)題的嚴(yán)重性。表明，僅僅針對(duì)單獨(dú)的基因或代謝途徑的抗腫瘤治療是無(wú)法解決問(wèn)題的。因此，尋找一種穩(wěn)定、不易突變且具有腫瘤病理學(xué)廣泛適用性的靶標(biāo)，是抗腫瘤治療亟待解決的問(wèn)題。

線粒體在細(xì)胞的存活和死亡過(guò)程中均起著十分重要的作用。一方面，線粒體作為“能量工廠”，是真核細(xì)胞存活時(shí)不可或缺的細(xì)胞器；另一方面，線粒體也是細(xì)胞凋亡內(nèi)源途徑的關(guān)鍵調(diào)控因素，通過(guò)調(diào)控促凋亡蛋白從線粒體膜間腔到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程控制著細(xì)胞凋亡效應(yīng)器的激活。另外，在多種非凋亡性細(xì)胞死亡尤其是調(diào)節(jié)性壞死過(guò)程中，線粒體也起著主要作用。因此，線粒體靶向藥物代表了一種抗腫瘤治療(特別是針對(duì)耐化療的細(xì)胞系)的新方向。而許多被大家所忽視的化合物也重新發(fā)現(xiàn)了其破壞線粒體穩(wěn)定并最終殺死腫瘤細(xì)胞的能力。無(wú)獨(dú)有偶， 1920年提出的Warburg假說(shuō)因其對(duì)線粒體靶向抗腫瘤藥物分子機(jī)理的解釋，再次進(jìn)入了人們的視野[5]。

腫瘤細(xì)胞線粒體與正常細(xì)胞線粒體相比，在結(jié)構(gòu)與功能方面均有顯著差異[6]。腫瘤細(xì)胞因代謝更為活躍，較正常細(xì)胞更容易受到線粒體的影響。因此，線粒體靶向藥物便成為了一種選擇性靶向腫瘤細(xì)胞的手段，可以直接或間接地誘導(dǎo)線粒體膜滲透性轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使得腫瘤相關(guān)的線粒體功能異常得到修復(fù)，并使腫瘤細(xì)胞重新開(kāi)啟細(xì)胞凋亡途徑。這類線粒體靶向抗腫瘤藥物的基本機(jī)理已經(jīng)得到了廣泛的研究[7]。

1常見(jiàn)線粒體靶向抗腫瘤藥物

1.1己糖激酶抑制劑

己糖激酶(hexokinase,HK)是一種催化葡萄糖磷酸化并轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)的酶類，G-6-P作為底物進(jìn)入代謝機(jī)制最終會(huì)參與ATP的合成反應(yīng)(底物磷酸化)。HK在腫瘤細(xì)胞中起著非常重要的作用，HK活性與腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)之間存在著直接聯(lián)系。在腫瘤細(xì)胞中，HK大量表達(dá)，HK-Ⅱ型會(huì)同時(shí)與ATP和葡萄糖結(jié)合，從而導(dǎo)致G-6-P的大量生成；HK還與位于線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependentanionicchannel,VDAC)胞質(zhì)位點(diǎn)結(jié)合[8]，雖然消耗了葡萄糖，但結(jié)合在線粒體上的HK卻限制了細(xì)胞的呼吸作用，其不斷地使葡萄糖與ATP發(fā)生磷酸化過(guò)程，從而導(dǎo)致氧化磷酸化過(guò)程中所需的磷酸鹽缺乏，進(jìn)而使細(xì)胞無(wú)法獲得最大速率的呼吸狀態(tài)。

如果HK與線粒體上的VDAC結(jié)合，則會(huì)抑制線粒體MPTP孔的開(kāi)放，進(jìn)而抑制Cytc釋放等一系列的凋亡，從而達(dá)到阻止細(xì)胞凋亡的作用。因此，HK通過(guò)與腫瘤細(xì)胞線粒體的結(jié)合，不僅穩(wěn)定了腫瘤細(xì)胞線粒體，抑制了腫瘤細(xì)胞的凋亡，而且還促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)[9]。

2-脫氧葡萄糖(2-DG)與3-溴丙酮酸(3-BP)是兩種典型的HK抑制劑。其中，2-DG的機(jī)理為抑制HK活性并發(fā)生糖酵解，從而阻止HK與VDAC的結(jié)合，促使腫瘤細(xì)胞更易受到其它治療手段的影響[10]。2-DG與另一種糖尿病藥物metformin組合使用可以促使腫瘤細(xì)胞凋亡[11]，該研究現(xiàn)已進(jìn)入臨床測(cè)試階段。3-BP是一種烷基化試劑，在腫瘤細(xì)胞中可以抑制HK活性和線粒體復(fù)合物Ⅱ。研究表明，3-BP通過(guò)與HK共價(jià)結(jié)合，促使HK與VDAC解離[12]。3-BP會(huì)促進(jìn)ATP的大量消耗，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的死亡并抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。有關(guān)3-BP的研究也已進(jìn)入臨床測(cè)試階段。

1.2Bcl-2家族蛋白靶向藥物

Bcl-2家族線粒體靶向藥物大多模擬Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域BH3。在細(xì)胞中，當(dāng)Bcl-2家族中的促凋亡蛋白大量表達(dá)時(shí)，細(xì)胞就會(huì)死亡；反之，當(dāng)Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白大量表達(dá)時(shí)，細(xì)胞就不會(huì)死亡。在腫瘤細(xì)胞中，Bcl-2家族中抗凋亡蛋白與促凋亡蛋白在它們的BH3結(jié)構(gòu)域會(huì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致線粒體外膜上的促凋亡蛋白Bak/Bax無(wú)法形成較大通路和孔道[13]。若抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-XL、Mcl-1)大量表達(dá)，便會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞逃離凋亡。因此，針對(duì)諸如BH3的類似物或能影響抗/促凋亡蛋白相互作用的小分子的研究，具有十分重要的臨床醫(yī)學(xué)意義[14]。

棉子酚(gossypol，圖1a)是一種典型的BH3類似物，它會(huì)與BH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合從而干擾抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-XL、Mcl-1與促凋亡蛋白Bak、Bax的相互作用，促凋亡蛋白Bak、Bax低聚化形成通路可激活凋亡途徑[15]。研究者以棉子酚為先導(dǎo)化合物合成了更加有效的BH3類似物ABT-737。目前，ABT-737和其口服版本ABT-263均已進(jìn)入臨床測(cè)試階段。ABT-263已成功通過(guò)淋巴癌和白血病的臨床一期測(cè)試，進(jìn)入臨床二期的設(shè)計(jì)階段[16]。ABT-263在實(shí)體腫瘤的臨床測(cè)試方面也取得了很好的結(jié)果，其在小細(xì)胞肺癌和肺部良性腫瘤患者身上均有很好效果，這也進(jìn)一步促進(jìn)了此藥的臨床二期研究。

圖1　棉子酚(a)與α-生育酚琥珀酸酯(b)的結(jié)構(gòu)式

α-生育酚琥珀酸酯(α-TOS，圖1b)是另一種促凋亡的小分子，通過(guò)與Bcl-2、Bcl-XL的BH3結(jié)合域作用，抑制Bcl-2、Bcl-XL與Bak的相互作用，從而抑制前列腺腫瘤細(xì)胞的增殖，并通過(guò)細(xì)胞凋亡進(jìn)一步誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡[17]。此外，α-TOS還與線粒體復(fù)合物Ⅱ的泛醌位點(diǎn)直接作用引發(fā)腫瘤細(xì)胞線粒體凋亡，線粒體復(fù)合物Ⅲ的Qi位點(diǎn)抑制劑抗霉素A也是一種BH3模擬物。從更廣泛的水平上講，靶標(biāo)在線粒體電子傳遞鏈泛醌位點(diǎn)的化合物，也可能是一種BH3模擬物。Bcl-2家族的BH3結(jié)合位點(diǎn)，也可能是泛醌結(jié)合位點(diǎn)[18]。

1.3巰基氧化還原抑制劑

腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞相比，有著更高濃度的活性氧物質(zhì)(ROS)。巰基氧化還原抑制劑與VDAC/ANT靶向藥物利用腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞氧化還原環(huán)境的不同，即腫瘤細(xì)胞的抗氧化能力相對(duì)較弱，因而能引起細(xì)胞內(nèi)氧化壓力升高的化合物可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞變得容易死亡[19]。例如，能夠氧化巰基及消耗線粒體內(nèi)谷胱甘肽的化合物會(huì)引起腫瘤細(xì)胞的凋亡[20]；三氧化二砷和以異硫氰酸苯乙酯(PEITC)為代表的異硫氰酸酯類化合物，均具有擾動(dòng)細(xì)胞內(nèi)氧化還原環(huán)境并最終選擇性殺死腫瘤細(xì)胞的功能[21]。據(jù)報(bào)道，PEITC對(duì)耐藥性白血病有十分顯著的療效。

1.4VDAC/ANT靶向藥物

線粒體膜滲透轉(zhuǎn)換孔復(fù)合物(PTPC)由鑲嵌于線粒體外膜的VDAC與鑲嵌于線粒體內(nèi)膜的ANT組成。PTPC連接線粒體基質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)，并調(diào)控一系列溶質(zhì)與小分子(如ADP、ATP)的運(yùn)輸[22]。VDAC/ANT的功能紊亂會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡。調(diào)控PTPC功能的藥物包括氯尼達(dá)明(lonidamine，圖2)、亞砷酸鹽類及以CD437為代表的類固醇相似物[23]。GSAO作為一種類固醇相似物通過(guò)與半胱氨酸殘基交聯(lián)來(lái)抑制ANT的功能。且GSAO只會(huì)對(duì)處于增殖狀態(tài)的血管生成內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生氧化壓力并引發(fā)凋亡，而對(duì)生長(zhǎng)抑制狀態(tài)的細(xì)胞(即正常細(xì)胞)不會(huì)造成影響[24]。表明，GSAO只會(huì)以抗血管生成的方式選擇性地殺死腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞。

圖2　氯尼達(dá)明的結(jié)構(gòu)式

1.5電子氧化還原鏈靶向藥物

電子氧化還原鏈靶向藥物由以線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物為靶向的化合物組成。最近有許多關(guān)于該類藥物的報(bào)道[25]。

線粒體能量生產(chǎn)是通過(guò)電子從NADH或FADH2(TCA循環(huán)底物產(chǎn)生)傳遞到最終受體氧分子并產(chǎn)生水的方式實(shí)現(xiàn)的。線粒體電子傳遞鏈上的5種大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物嵌在線粒體內(nèi)膜上，這些復(fù)合物在電子載體輔酶Q(UbQ)和Cyt c的幫助下，將電子從復(fù)合物Ⅰ和Ⅱ經(jīng)Ⅲ傳遞到Ⅳ，以產(chǎn)生維持線粒體內(nèi)膜兩側(cè)電化學(xué)質(zhì)子梯度的能量。然后，通過(guò)這種質(zhì)子梯度，電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅴ(即F1F0-ATP酶)以ADP和磷酸為底物合成細(xì)胞基本供能物質(zhì)ATP。電子的大量流動(dòng)，使電子傳遞鏈成為線粒體ROS的主要來(lái)源，而復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ被認(rèn)為是最主要的超氧化物產(chǎn)生位點(diǎn)，研究表明復(fù)合物Ⅱ也起了復(fù)雜作用[26]。當(dāng)ROS的產(chǎn)生被細(xì)胞氧化還原系統(tǒng)嚴(yán)格調(diào)控時(shí)，這種超氧化物副產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞是有益無(wú)害的，因?yàn)榧?xì)胞必須將ROS調(diào)控在合適的水平以維持細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程。然而，當(dāng)這種調(diào)控能力被削弱時(shí)，長(zhǎng)期高濃度的ROS最終會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞偏向癌變[27]。相比之下，ROS濃度突然地大幅上升對(duì)細(xì)胞有更強(qiáng)的即時(shí)影響，而且會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

他莫昔芬(tamoxifen，三苯氧胺)是一種通常用來(lái)治療雌激素陽(yáng)性乳腺癌細(xì)胞的藥物[28]，能夠通過(guò)線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅰ來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，這種效應(yīng)很可能是通過(guò)干擾線粒體內(nèi)FAD結(jié)合位點(diǎn)引起的。近年來(lái)，對(duì)抗腫瘤藥物的研究發(fā)現(xiàn)，維生素E類似物α-TOS能夠選擇性地殺死癌細(xì)胞。呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ和Ⅱ很可能是α-TOS的作用位點(diǎn)[29]。對(duì)哺乳動(dòng)物呼吸鏈復(fù)合物Ⅱ的晶體構(gòu)型研究表明，α-TOS能夠干擾復(fù)合物Ⅱ鄰近和末梢的輔酶Q結(jié)合位點(diǎn)Qp和Qd。

Dong等[30]仿照Murphy和Smith早期對(duì)輔酶Q的工作將α-TOS用三苯基膦(TPP+)標(biāo)記。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種線粒體靶向的維生素E丁二酸鈉(MitoVES)能夠選擇性地與線粒體結(jié)合，而且能更加有效地抑制各種癌細(xì)胞線粒體生長(zhǎng)，其抑制能力高出沒(méi)有靶向的前體1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。小鼠臨床模型研究發(fā)現(xiàn)，MitoVES對(duì)HER2惡性乳腺癌和結(jié)腸直腸癌表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗癌活性。MitoVES和復(fù)合物Ⅱ的分子機(jī)制研究表明，MitoVES抑制了復(fù)合物Ⅱ上琥珀酸脫氫酶的活性(半抑制濃度約為70 μmol·L-1)，同時(shí)抑制了琥珀酸醌還原酶(SQR)的活性(半抑制濃度約為1.5 μmol·L-1)。表明，MitoVES的分子靶標(biāo)已經(jīng)被理想放置了，這樣琥珀酸脫氫酶活性受到輕微的抑制，允許檸檬酸循環(huán)進(jìn)行，也就是將琥珀酸轉(zhuǎn)變?yōu)檠雍魉岚殡S著2個(gè)電子從琥珀酸脫氫酶B上的[Fe-S]簇輸送到復(fù)合物Ⅱ的線粒體內(nèi)膜部分。由于MitoVES干擾了輔酶Q與琥珀酸脫氫酶C和琥珀酸脫氫酶D的結(jié)合，電子不能被攔截和形成超氧化物，也就不能通過(guò)激活Mst1激酶來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，這樣反過(guò)來(lái)磷酸化了轉(zhuǎn)錄因子FoxO1，引起B(yǎng)H3域蛋白Noxa上調(diào)，然后驅(qū)使促凋亡蛋白Bak/Bax在線粒體外膜的形成。與GSAO相似，α-TOS和MitoVES能夠殺死內(nèi)皮腫瘤細(xì)胞同時(shí)對(duì)正常細(xì)胞無(wú)害。這是因?yàn)?，正常?xì)胞較低的跨膜電勢(shì)ΔΨm使得MitoVES不能有效地進(jìn)入，加入TPP+基團(tuán)后，MitoVES表現(xiàn)出陽(yáng)離子性質(zhì)，當(dāng)跨膜電勢(shì)ΔΨm更高時(shí)，能夠有效地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞線粒體[31]。線粒體氧化還原鏈靶向藥物加上TPP+基團(tuán)是一種新的癌癥治療有效途徑，TPP+標(biāo)記的藥物能夠直接送到靶點(diǎn)附近，因而相當(dāng)程度地增加了作用區(qū)域的藥物濃度。將TPP+標(biāo)記在多酚類化合物上能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[32]。

1.6靶向內(nèi)膜的親脂性陽(yáng)離子

親脂性陽(yáng)離子能夠靶向線粒體是基于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的跨膜電位(ΔΨm,i)。腫瘤細(xì)胞線粒體相比正常細(xì)胞線粒體，由于生物功能的改變而具有非常高的線粒體膜電位[33]，使得作用于線粒體內(nèi)膜的線粒體靶向抗腫瘤藥物更具選擇性。根據(jù)能斯特定律，每增加60 mV線粒體膜電位，聚集在線粒體內(nèi)膜中的親脂性陽(yáng)離子化合物濃度就會(huì)增加10倍[34]。

羅丹明-123(圖3a)是最典型的親脂性陽(yáng)離子線粒體靶向抗腫瘤藥物。研究表明，羅丹明-123能積聚在SCR轉(zhuǎn)化細(xì)胞的線粒體中，并表現(xiàn)出對(duì)腫瘤細(xì)胞的選擇性[35]。此后，一大批離域親脂性陽(yáng)離子試劑的線粒體靶向抗腫瘤作用逐步被發(fā)現(xiàn)。通過(guò)高通量篩選，一種被稱為F16(圖3b)的離域正電荷的線粒體靶向化合物被發(fā)現(xiàn)，其對(duì)HER2表達(dá)水平高的乳腺癌組織具有高效的靶向抗腫瘤作用[36]。

圖3　羅丹明-123(a)和F16(b)的結(jié)構(gòu)式

1.7三羧酸循環(huán)靶向藥物

三羧酸循環(huán)(TCA)也稱為檸檬酸循環(huán)或Kreb循環(huán)，是電子傳遞鏈及驅(qū)動(dòng)電化學(xué)質(zhì)子梯度的電子來(lái)源。檸檬酸循環(huán)的機(jī)理大致是由丙酮酸轉(zhuǎn)化的乙酰輔酶A(由丙酮酸脫氫酶催化，在線粒體基質(zhì)中形成)與草酰乙酸形成檸檬酸；檸檬酸經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變成草酰乙酸，并增加一個(gè)分子的乙酰輔酶A。在此過(guò)程中，釋放電子以驅(qū)動(dòng)質(zhì)子濃度梯度，偶聯(lián)生成ATP。檸檬酸循環(huán)中涉及到SDH(復(fù)合物Ⅱ)，HK抑制劑3-BP也是SDH的抑制劑[37]。因此，3-BP同時(shí)作用于TCA循環(huán)和電子傳遞鏈。它抑制了琥珀酸鹽轉(zhuǎn)化為延胡索酸鹽，從而減緩了TCA循環(huán)，同時(shí)也抑制了經(jīng)復(fù)合物Ⅱ供給復(fù)合物Ⅲ電子的生成。

一些化合物靶向到丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A的反應(yīng)是丙酮酸進(jìn)入線粒體和TCA循環(huán)的先決條件。催化該反應(yīng)的丙酮酸脫氫酶是通過(guò)丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)調(diào)控。PDK的抑制會(huì)導(dǎo)致丙酮酸脫氫酶和TCA循環(huán)活性的增加。堿性化合物二氯乙酸(DCA)能選擇性地通過(guò)抑制PDK活性殺死腫瘤細(xì)胞[38]。通過(guò)促進(jìn)丙酮酸脫氫酶的活性，DCA能夠選擇性地使腫瘤細(xì)胞代謝反應(yīng)從無(wú)氧糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒猓殡S著ΔΨm,i的減小、活性氧的產(chǎn)生和K+通道的打開(kāi)[38]。DCA已經(jīng)在臨床上用于治療有線粒體缺陷的患者，因此以其作為抗癌藥物的開(kāi)發(fā)過(guò)程相對(duì)較容易。

1.8線粒體DNA靶向藥物

靶向線粒體DNA(mtDNA)的藥物是一類線粒體靶向抗腫瘤藥物。線粒體是獨(dú)特的細(xì)胞器，其自身攜帶遺傳信息并編碼于一個(gè)小的圓形基因組(mtDNA)中。哺乳動(dòng)物線粒體有超過(guò)16 kb的基因，其中包括參與編碼13個(gè)線粒體的亞基，復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，24個(gè)tRNA，12S和16S rRNA，還包含一個(gè)D-loop區(qū)，此區(qū)對(duì)調(diào)控DNA的復(fù)制很重要[39]。

一些化合物能夠干擾mtDNA的功能和穩(wěn)定性，一些化合物則會(huì)影響線粒體DNA聚合酶γ的活性。如：靶向線粒體的維生素K3(甲萘醌)，通過(guò)抑制線粒體DNA聚合酶γ的活性，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[40]。同樣的效果出現(xiàn)在非阿尿苷誘導(dǎo)線粒體結(jié)構(gòu)性缺陷的過(guò)程中。通過(guò)破壞線粒體D-loop的結(jié)構(gòu)，帕金森毒素1-甲基-4-苯基吡啶可以引起mtDNA的復(fù)制數(shù)目減少[41]。

2新型多功能線粒體靶向抗腫瘤藥物分子

2.1新型pH敏感雙功能(抗氧化、抗腫瘤)分子

現(xiàn)階段很多研究都集中在開(kāi)發(fā)現(xiàn)有抗腫瘤藥物的自由基清除能力上，以期使原有的抗腫瘤藥物具有新的抗氧化能力。然而，設(shè)計(jì)出一種更加直接的抗腫瘤-抗氧化的連接物小分子，迄今為止還很少報(bào)道。本課題組設(shè)計(jì)并合成了一種pH敏感的雙功能(抗腫瘤、抗氧化)藥物維生素E-5-氟尿嘧啶連接物，此化合物可以在酸性環(huán)境中釋放并表現(xiàn)出抗腫瘤和抗氧化的雙重活性，而在中性和堿性環(huán)境中無(wú)此活性。該研究為基于抗氧化的胃部化療研究提供了一種潛在的思路[42]。

2.2具有熒光示蹤功能的線粒體靶向抗腫瘤分子

將線粒體靶向抗腫瘤活性基團(tuán)與其它小分子(如卟啉、BODIPY等)共價(jià)連接，賦予原有小分子新的線粒體靶向抗腫瘤活性，是目前靶向藥物化學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。本課題組通過(guò)柔性連接基團(tuán)將線粒體靶向抗腫瘤小分子F16與卟啉連接，但線粒體靶向效果不甚理想?；诖?，將連接基團(tuán)更換為共軛結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并合成了一種通過(guò)苯乙炔鍵連接的小分子，使其具有較明顯的線粒體靶向效果。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分子同時(shí)具有熒光示蹤、線粒體靶向、抗腫瘤等功能[43]。

3結(jié)語(yǔ)

目前，已有很多以線粒體上特異結(jié)合位點(diǎn)為靶點(diǎn)或以線粒體功能結(jié)構(gòu)區(qū)域?yàn)榘悬c(diǎn)，具有抗腫瘤活性的小分子化合物的研究報(bào)道。隨著研究工作的深入，新的靶點(diǎn)將會(huì)被發(fā)現(xiàn)，線粒體靶向抗腫瘤藥物將會(huì)被重新分類。

大部分化合物的抗腫瘤活性僅限于體外細(xì)胞水平或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上，對(duì)這些化合物進(jìn)行臨床藥效和長(zhǎng)期作用的研究是十分必要的。

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理十分復(fù)雜，影響腫瘤的因素也很多，因此，不同種類的抗腫瘤藥物的聯(lián)用及多功能藥物分子的研發(fā)，也是抗腫瘤藥物研究的發(fā)展方向之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]HENGARTNER M O.The biochemistry of apoptosis[J].Nature,2000,407(6805):770-776.

[2]MARTINOU J C,DESAGHER S,ANTONSSON B.Cytochrome c release from mitochondria:all or nothing[J].Nat Cell Biol,2000,2(3):E41-E43.

[3]HANAHAN D,WEINBERG R A.The hallmarks of cancer[J].Cell,2000,100(1):57-70.

[4]HAYDEN E C.Cancer complexity slows quest for cure[J].Nature,2008,455(7210):148.

[5]CAIMS R A,HARRIS I S,MAK T W.Regulation of cancer cell metabolism[J].Nat Rev Cancer,2011,11(2):85-95.

[6]GOGVADZE V,ORRERENIUS S,ZHIVOTOSKY B.Mitochondria in cancer cells:what is so special about them?[J].Trends C-ell Biol,2008,18(4):165-173.

[7]GOGVADZE V,ORRERENIUS S,ZHIVOTOSKY B.Mitochondria as targets for cancer chemotherapy[J].Semin Cancer Biol,2009,19(1):57-66.

[8]PEDERSEN P L.Voltage dependent anion channels (VDACs):a brief introduction with a focus on the outer mitochondrial compartment′s roles together with hexokinase-2 in the “Warburg effect” in cancer[J].J Bioenerg Biomembr,2008,40(3):123-126.

[9]MATHUPALA S P,KO Y H,PEDERSEN P L.Hexokinase Ⅱ:cancer′s double-edged sword acting as both facilitator and gatekeeper of malignancy when bound to mitochondria[J].Oncogene,2006,25(34):4777-4786.

[10]SIMONS A L,AHMAD I M,MATTSON D M,et al.2-Deoxy-D-glucose combined with cisplatin enhances cytotoxicityviametabolic oxidative stress in human head and neck cancer cells[J].Cancer Res,2007,67(7):3364-3370.

[11]BEN S I,LAURENT K,GIULIANO S,et al.Targeting cancer cell metabolism:the combination of metformin and 2-deoxyglucose induces p53-dependent apoptosis in prostate cancer cells[J].Cancer Res,2010,70(6):2465-2475.

[12]CHEN Z,ZHANG H,LU W,et al.Role of mitochondria-associated hexokinase Ⅱ in cancer cell death induced by 3-bromopyruvate[J].Biochim Biophys Acta,2009,1787(5):553-560.

[13]YOULE R J,STRASSER A.The Bcl-2 protein family:opposing activities that mediate cell death[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2008,9(9):47-59.

[14]KANG M H,REYNOLDS C P.Bcl-2 Inhibitors:targeting mitochondrial apoptotic pathways in cancer therapy[J].Clin Cancer Res,2009,15(4):1126-1132.

[15]OLIVER C L,MIRANDA M B,SHANGARY S,et al.(-)-Gossypol acts directly on the mitochondria to overcome Bcl-2- and Bcl-XL-mediated apoptosis resistance[J].Mol Cancer Ther,2005,4(1):23-31.

[16]ROBERTS A W,SEYMOUR J F,BROWN J R,et al.Substantial susceptibility of chronic lymphocytic leukemia to BCL2 inhibition:results of a phase I study of navitoclax in patients with relapsed or refractory disease[J].J Clin Oncol,2012,30(5):488-496.

[17]SHIAU C W,HUANG J W,WANG D S,et al.α-Tocopheryl succinate induces apoptosis in prostate cancer cells in part through inhibition of Bcl-XL/Bcl-2 function[J].J Biol Chem,2006,281(17):11819-11825.

[18]NEUZIL J,DONG L F,RAMANATHAPURAM L,et al.Vitamin E analogues as a novel group of mitocans:anti-cancer agents that act by targeting mitochondria[J].Mol Aspects Med,2007,28(S5/6):607-645.

[19]HUANG P,FENG L,OLDHAM E A,et al.Superoxide dismu-tase as a target for the selective killing of cancer cells[J].Nature,2000,407(6802):390-395.

[20]FULDA S,GALLUZZI L,KROEMER G.Targeting mitochondria for cancer therapy[J].Nat Rev Drug Discov,2010,9(6):447-464.

[21]TRACHOOTHAM D,ZHOU Y,ZHANG H,et al.Selective ki-lling of oncogenically transformed cells through a ROS-mediated mechanism byβ-phenylethyl isothiocyanate[J].Cancer Cell,2006,10(3):241-252.

[22]ZHIVOTOVSKY B,GALLUZZI L,KEPP O,et al.Adenine nucleotide translocase:a component of the phylogenetically conserved cell death machinery[J].Cell Death Differ,2009,16(11):1419-1425.

[23]BELZACQ A S,HAMEL E C,VIEIRA H L,et al.Adenine nucleotide translocator mediates the mitochondrial membrane permeabilization induced by lonidamine,arsenite and CD437[J].Oncogene,2001,20(52):7579-7587.

[24]DON A S,KISKER O,DILDA P,et al.A peptide trivalent arsenical inhibits tumor angiogenesis by perturbing mitochondrial function in angiogenic endothelial cells[J].Cancer Cell,2003,3(5):497-509.

[25]FULDA S,GALLUZZI L,KROEMER G.Targeting mitochondria for cancer therapy[J].Nat Rev Drug Discov,2010,9(6):447-464.

[26]RALPH S J,MORENO-SANCHER R,NEUZIL J,et al.Inhibitors of the succinate:quinine reductase/complex Ⅱ regulate production of mitochondrial reactive oxygen species and protect normal cells from ischemic damage but induce specific cancer cell death[J].Pharm Res,2011,28:2695-2730.

[27]MURPHY M P.How mitochondria produce reactive oxygen species[J].Biochem J,2009,417(1):1-13.

[28]HIGGINS M J,STEARNS V.Pharmacogenetics of endocrine th-erapy for breast cancer[J].Annu Rev Med,2011,62(1):281-293.

[29]SANTOS G A,ABREU L R S,PESTANA C R,et al.(+)α-Tocopheryl succinate inhibits the mitochondrial respiratory chain complex Ⅰ and is as effective as arsenic trioxide or ATRA against acute promyelocytic leukemiainvivo[J].Leukemia,2012,26(3):451-460.

[30]DONG L F,JAMESON V J A,TILLY D,et al.Mitochondrial targeting of vitamin E succinate enhances its pro-apoptotic and anticancer activityviamitochondrial complex Ⅱ[J].J Biol Ch-em,2011,286(5):3717-3728.

[31]ROHLENA J,DONG L F,KLUCKOVA K,et al.Mitochondrially targetedα-tocopheryl succinate is antiangiogenic:potential benefit against tumor angiogenesis but caution against wound healing[J].Antioxid Redox Signal,2011,15(12):2923-2935.

[32]SASSI N,BIASUTTO L,MATTAREI A,et al.Cytotoxicity of a mitochondriotropic quercetin derivative:mechanisms[J].Biochim Biophys Acta,2012,1817(7):1095-1106.

[33]MODICA-NAPOLITANO J S,APRILLE J R.Basis for the selective cytotoxicity of rhodamine 123[J].Cancer Res,1997,47(16):4361-4365.

[34]WANG F,OGASAWARA M A,HUANG P.Small mitochondri-atargeting molecules as anti-cancer agents[J].Mol Aspects Med,2010,31(1):75-92.

[35]LAMPIDIS T J,BEMAL S D,SUMMERHAYES I C,et al.Selective toxicity of rhodamine 123 in carcinoma cellsinvitro[J].Cancer Res,1983,43(2):716-720.

[36]FANTIN V R,BERARDI M J,SCORRANO L,et al.A novel mitochondriotoxic small molecule that selectively inhibits tumor cell growth[J].Cancer Cell,2002,2(1):29-42.

[37]SUN F,HUO X,ZHAI Y,et al.Crystal structure of mitochondrial respiratory membrane protein complex Ⅱ[J].Cell,2005,121:1043-1057.

[38]BONNET S,ARCHER S L,ALLALUNIS-TUMER J,et al.A mitochondria-K+channel axis is suppressed in cancer and its normalization promotes apoptosis and inhibits cancer growth[J].Cancer Cell,2007,11(1):37-51.

[39]ANDERSON S,BANKIER A T,BARRELL B G,et al.Sequence and organization of the human mitochondrial genome[J].Nature,1981,290(5806):457-465.

[40]SASAKI R,SUZUKI Y,YONEZAWA Y et al.DNA Polymerase gamma inhibition by vitamin K3 induces mitochondria-mediated cytotoxicity in human cancer cells[J].Cancer Sci,2008,99(5):1040-1048.

[41]UMEDA S,MUTA T,OHSATO T,et al.The D-loop structure of human mtDNA is destabilized directly by 1-methyl-4-phenylpyridinium ion (MPP+),a parkinsonism-causing toxin[J].Eur J Biochem,2000,267(1):200-206.

[42]LI D W,TIAN F F,GE Y S,et al.A novel pH-sensitive (±)-α-tocopherol-5-fluorouracil adduct with antioxidant and anticancer properties[J].Chem Commun,2011,47(38):10713-10715.

[43]HE H,LI D W,YANG L Y,et al.A novel bifunctional mitochondria-targeted anticancer agent with high selectivity for cancer cells[J].Scientific Reports,2015,5:13543.

Anti-tumour Drug Targeting to Mitochondrion and Its Classification

PAN Ling-li1,LI Dong-wei2,LEI Ke-lin3

(1.DepartmentofEmergency,HuangshiCenterHospital(AffiliatedHospitalofHubeiPolytechnicUniversity),EdongHealthcareGroup,Huangshi435002，China；2.CollegeofChemistryandMolecularSciences,WuhanUniversity,Wuhan430072，China；3.SchoolofChemicalEngineeringandFoodScience,HubeiUniversityofArtsandScience,Xiangyang441053,China)

Abstract：Mitochondrion is an important organelle in eukaryotic cells and plays a central role in cellular metabolism.The mitochondria are closely related to the occurrence,development and treatment of diseases.Design and research on anti-tumour drug molecules targeting to mitochondrion have become a hotspot in pharmacy,chemistry and life sciences,etc..In this paper,interaction mechanism and characteristics of eight species of anti-tumour drugs targeting to mitochondrion are introduced.Two species of new multifunctional anti-tumour drugs targeting to mitochondrion are also introduced.And the directions for future development of anti-tumour drugs are prospected.

Keywords：mitochondrion;targeting drug;anti-tumour;classification

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013CFC027)

收稿日期：2016-01-17

作者簡(jiǎn)介：潘凌立(1969-)，女，湖北陽(yáng)新人，副主任醫(yī)師，研究方向：內(nèi)科學(xué)、藥物化學(xué)，E-mail：pll-3@163.com；通訊作者：雷克林，教授，E-mail:kelinlei@yeah.net。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.05.002

中圖分類號(hào)：R 730

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2016)05-0006-06