药物设计│二茂铁在药物开发中的应用

1. 前言

90年代后期茂金属的发现彻底改变了药物化学，金属被系统地结合到有机骨架中，以创造具有强大治疗潜力的分子混合物。值得注意的是，联合碳化物公司（Union Carbide）的研究人员在通过铁管裂解环戊二烯蒸气时发现了“橙色污泥”，导致形成了一种异常稳定的有机铁物质，称为“二茂铁”。Wilkinson和Fischer 后来建立了它的夹层结构 [Fe(η1-C5H5)2]。二茂铁?的独特性质，如其空气和热稳定性、超芳香性、亲电性、在有机溶剂中的溶解性和易于官能化，为其衍生化以开发新的有机金属化合物提供了环境平台。此外，二茂铁的无毒和亲脂性使其成为与生物活性药效团接枝的有吸引力的核心。它不仅会影响它们的生物活性，而且还会赋予类似药物的特性。二茂铁在药物化学中的标志性作用随着金属药物、二价铁喹和二铁硫醚的发现引起了相当大的兴趣，建立了一个称为“生物有机金属化学”的新领域。由二茂铁包含在喹啉核的侧链中产生的铁喹（Ferroquine） (SSR97193)在治疗疟疾方面很有前景。目前正在II期临床试验中对其进行研究。同样地，二茂铁取代他莫昔芬的苯环得到的亚铁昔芬，对治疗雌激素反应性 (ER+/??MCF-7) 和无反应性 (ER-/MDA-MB-231) 乳腺癌均有效，目前正在在临床前试验中。除抗疟和抗癌用途外，另一种有机铁药物二铁油酮曾在苏联用于治疗缺铁性贫血。虽然不再可用，但它是第一个上市的含二茂铁的生物有机金属药物。图1描绘了通过合理修饰生物活性有机骨架发现的含二茂铁候选药物。

2. 二茂铁并合对抗癌活性的影响

二茂铁抗增殖潜力的首次研究始于1978年。这项工作涉及合成一系列二茂铁多胺作为淋巴细胞白血病 P-388的化学免疫治疗剂。然而，观察到的化合物的活性非常低。尽管温和活跃，但这项已发表的工作在使二茂铁的抗增殖潜力成为人们关注的焦点方面具有影响力。1997年，Jaouen及其同事发表了一篇文章，证明二茂铁羟基三苯氧胺的雌二醇受体定点细胞毒性优于母体药物三苯氧胺。 这份开创性的 告为鉴定众多基于二茂铁的抗癌化合物/候选药物奠定了坚实的基础。后来，人们发现二茂铁阳离子通过切割I型DNA具有抗增殖特性。根据这些发现，下面简单介绍以下二茂铁在有机部分/天然产物中掺入/替代的抗癌作用。

2.1.具有优于母体/标准化合物的抗癌活性的有机铁化合物

2.1.1.二茂铁-他莫昔芬杂化物

他莫昔芬（Nolvadex）长期以来一直是雌激素反应性（ER+）乳腺癌患者的中流砥柱。然而，它仅对ER+乳腺癌有效。此外，它还与子宫内膜癌、肝癌和DNA 加合物形成等副作用有关。另一方面，他莫昔芬的有机金属类似物，即亚铁酸 (Fc-TAM) 和羟基亚铁酸 (Fc-OH-TAM)，可有效治疗ER+和ER-乳腺癌（图1）。 羟基亚铁酸(Hydroxyferrocifen，Fc-OH-TAM) 是 铁罗芬（ferrocifen）的一种活性羟基化代谢物，对雌激素反应性 (ER+/??MCF-7) 和无反应性 (ER-/MDA-MB-231) 的 IC50值为0.8和0.5 μM分别为乳腺癌细胞。相比之下，羟基三苯氧胺 (OH-TAM) 和三苯氧胺 (TAM) 在 MDA-MB-231 细胞上的 LC50（致死浓度为 50%）分别为29和34 μM。这项研究强调了用二茂铁取代苯环的重要性，这会增加抗癌作用。后来，Jaouen和其他研究人员对亚铁酸/亚铁酸类分子进行了广泛的结构改变，以形成深入的构效关系 (SAR)，包括 (i) 烷基链长度的改变（1）； (ii) 酚基的数量和位置（2）； (iii) 用胺取代羟基（3）； (iv)二茂铁取代侧链(Z-4)中的N,N-二乙胺； (v) 二茂铁??单元的位置 ((Z+E)-5)； (vi) 刚性的影响（二茂铁，6）（图2）。在几何异构体中，SAR 显示 Z-异构体对ERα的结合亲和力比E-异构体更强，导致细胞毒性增强。除了令人鼓舞的细胞毒性外，亚铁昔芬还表现出出色的选择性，比正常细胞高110~200 倍。

由于二铁醚含有氧化还原活性二茂铁，该分子在生物学相关的氧化电位下形成了醌甲基化物 (QM)，这是一种细胞毒性物质。此外，在某些二茂铁-他莫昔芬杂交体中，他莫昔芬作为载体将二茂铁转运到癌细胞中。这种转运然后激活芬顿化学（Fenton Chemistry），将H2O2转化为羟基自由基，诱导细胞凋亡。此外，Vessieres等人创造了术语“kronatropic 效应”来描述亚铁酸和亚铁酚诱导癌细胞死亡的机制。据此，癌细胞中的内源性活性氧 (ROS)（由芬顿化学产生）触发 Fe(II) 氧化为 Fe(III)，促进有机金属醌甲基化物8的形成（图3）。由此产生的醌甲基化物要么被生物介质中存在的不同亲核试剂（含有硫醇或硒醇的肽或蛋白质，或 DNA）捕获，要么形成最终诱导细胞死亡的生物活性物质11~15（图4）。

此外，乙基亚铁酚、羟烷基-亚铁酚、亚氨基烷基-亚铁酚和安萨亚铁酚的化学氧化；用CYP-450 和辣根过氧化物酶(HRP)/H2O2进行酶促氧化；并且各种电化学途径已被用于生成基于铁罗芬的醌甲基化物。图4描绘了其中一些化合物对MDA-MB-231 细胞的IC50值。

一般来说，二茂铁作为分子内氧化“antenna”和稳定的碳正离子“调节剂”来改变二茂铁类似物的抗癌特性。另一方面，两个关键的结构参数有助于醌甲基化物的形成：（i）二茂铁-烯-对苯酚结构和（ii）E-几何。OH或二茂铁位置的变化会降低抗增殖活性。

此外，与不含苯酚的复合物相比，含有一或两个苯酚单元的二茂铁复合物对 MDA-MB-231细胞的细胞毒性明显更高。二茂铁-苯酚复合物增加的细胞毒性是由于相对较弱的孤对相互作用稳定了QM中的E构象。然而，由于高反应性，QM 10可以与各种细胞硫醇进行1,8-迈克尔加成。此外，它还可以在生物介质中转化为茚12–14。例如，在癌细胞中，9a的氧化重排导致 QM (E)-10a，在进一步重排后形成茚12a。 12a已被鉴定为组织蛋白酶B抑制剂，对MDA-MB-231 细胞具有中等活性，IC50为17.5 μM（图4）。 QMs 10a和10b（IC50分别为2.6 和2.2 μM）均被鉴定为硫氧还蛋白还原酶 (TrxRs) 抑制剂。由于迈克尔将TrxRs 的硒代半胱氨酸残基Sec498添加到QMs，因此在这些QMs中观察到TrxRs抑制。这些发现支持二茂铁QM的参与及其在各种生物靶标中的重要性。

2.1.2.二甲基亚铁酰胺

由于其刚性结构可以充分结合受体中的活性位点，二铁烯核在生物有机金属化学中引起了极大的兴趣。Jaouen等人发表了一项研究刚性二茂铁-1-亚基 (Fpd) 19-21和柔性二茂铁基亚丙基 (Fcpd) 22-24杂交体在MCF-7和MDA-MB-231细胞上的抗乳腺癌潜力的工作。结果与有机类似物16-18进行了比较（图5）。杂种 19-24的SAR建立的主要发现包括：(i) 二茂铁??的添加提高了抗癌活性。例如，类似物21 (IC50 = 0.94 μM) 对MDA-MB-231细胞的活性是SAHA 18 (IC50 = 3.64 μM) 的4倍； (ii)灵活的Fcpd类似物22-24对MDA-MB-231细胞有选择性； (iii) 刚性Fpd衍生物19-21对MCF-7细胞系具有选择性。此外，还注意到刚性类似物19-21对MCF-7细胞的细胞毒性高于有机16-18和柔性22–24类似物。特别是，两个二茂铁系列的循环伏安图表明它们具有电化学活性和可氧化性。因此，它们可以转化为三价铁中间体，然后可以通过产生ROS发挥抗增殖作用。此外，导致其抗增殖作用的其他因素包括通过激活肿瘤抑制基因或由细胞内氧化还原现象引起的DNA损伤诱导细胞凋亡的能力。

2.1.3.抗雄激素的二茂铁衍生物即类固醇和非类固醇

Nilutamide (Nilandron) 是一种用于治疗前列腺癌的抗癌剂。帕扬等人通过将二茂铁部分掺入非甾体类抗雄激素尼鲁米特中合成了衍生物25-26，并评估了它们对激素依赖性前列腺癌细胞 (LNCaP) 和激素非依赖性 (PC-3) 细胞的抗癌潜力（图6）。引入一个羟烷基得到了RU58841，它显示出比尼鲁胺更好的细胞毒性潜力。简而言之，二茂铁的加入提高了尼鲁米特的抗癌活性，这种改善在结构上与二茂铁的芳香性而非亲脂性有关。

Top等在睾酮和DHT的C-17位置引入二茂铁，产生杂交体28-31，以改变它们对PC-3细胞的抗癌活性（图7）。据观察，睾酮和DHT对PC-3 细胞系没有影响。然而，二茂铁的添加在 28、29、30 和 31 中产生了良好的抗增殖作用，IC50 值分别为4.7、8.3、5.5和12.2 μM。增加的抗癌作用与二茂铁的芬顿型氧化还原特性有关。

雌二醇与二茂铁结合后，在激素反应性（MCF-7和HT-29）和HeLa细胞中显示出有希望的抗癌作用。它用作将二茂铁递送至雌激素受体的载体。羟醛缩合反应用于合成甾体药物的二茂铁类似物 (32-39)，即睾酮、甲基睾酮、雄酮、17-羟基孕烯醇酮、雌酮、反式雄酮、孕烯醇酮和脱氢表雄酮 (DHEA) (图8）。在 HT-29细胞上，雄酮、孕烯醇酮和 DHEA 显示出中等活性，IC50范围在65和171 μM 之间。然而，在这些类固醇中加入二茂铁核心会增加它们的抗癌特性。在 MCF-7 和 HT-29 细胞上，化合物34的 IC50 分别为 14 和 1.2 μM，优于他莫昔芬（IC50 (MCF-7) = 47 μM）和顺铂（IC50 (HT-29) = 66 μM））。最有效的化合物32对HeLa 细胞的GI50为0.223 μg/mL，与阿霉素相当。尽管尚未确定确切的作用机制，但二茂铁衍生的类固醇的活性与二茂铁离子和细胞毒性ROS的产生有关。

2.1.4.二茂铁-维甲酸杂化物

类视黄醇，包括维生素A代谢物，如视黄醇、反式-视黄酸和13-顺-视黄酸，用于治疗乳腺癌、子宫内膜癌和内皮癌。Long等人通过铃木反应制备了13-顺式-视黄酸的二茂铁类似物（40a-h），以提高视黄醇衍生物对A549（肺癌）、BEL7404（肝癌）和Tca（舌癌）细胞的生物活性（图9）。生物学结果表明，在40a-h内增加链长并用脂肪链取代芳基会降低抗癌活性。然而，二茂铁的添加增加了分子对所有测试细胞系的抗增殖作用。最有效的衍生物40a在A549、BEL5404 和 Tca 细胞中的 IC50s分别为 20.4、22.3 和 18.0 M。

2.1.5.二茂铁-糖拼合

糖与癌细胞侵袭、转移和肿瘤血管生成有关。几种通过乙缩醛、酰胺或三唑连接的基于戊糖和己糖的二茂铁杂化物在癌细胞中显示出细胞毒性。Hottin等人制备了一系列亚氨基-糖-二茂铁杂化物42-43，以精确可视化二茂铁取代芳环对其抗癌活性的影响（图10）。来自生物数据的SAR表明以下事实：(i)用二茂铁 (42a; IC50 = 1.6 μM) 替换苯环(41; IC50 = 4.5 μM) 提高了岩藻糖苷酶的抑制作用; (ii) 42a-c具有良好的抗岩藻糖苷酶活性，IC50范围为1.2至1.6 μM，表明二茂铁的添加不影响吡咯烷与岩藻糖苷酶的结合；(iii)包含二茂铁提高了对MDA-MB-231细胞的活性。例如，42c的细胞毒性是顺铂的10倍，而41和43是无活性的；(iv) 吡咯烷环的 C-2 处的构型极大地影响了抑制效力。例如，具有2R配置的43的活性比具有2S配置的42a-c低10倍。

Hottin等人扩展了初步研究并合成了二茂铁类似物45，在吡咯烷和二茂铁基序之间有一个三唑接头，以提高对 MDA-MB-231 和 SK-MEL28（人类黑色素瘤）细胞的抗岩藻糖苷酶和抗癌活性（图11）。

2.1.6.二茂铁-1,4-萘醌杂化物

Ahmad等人通过修饰46a和46b中的 N-烷基侧链和 2-吡啶基部分合成了二茂铁取代的 Lawsone Mannich碱47a-d，并在癌症（MDA-MB-231、BxPC-3 和 PC-3）细胞上进行了测试。目标化合物的抗增殖活性顺序为：47b > 47c > 47a > 47d。最有希望的化合物47b在 PC-3 细胞上超过了现有的 Lawson Mannich 碱和 46a-b，这可能归因于在富含ROS的环境中二茂铁的激活（图12）。此外，47b 对 HCT-116（结肠癌）和 KBV1/Vbl（宫颈癌）细胞等耐药人类癌细胞显示出增强的抗增殖作用。

Guettler等人研究了天然抗癌剂白花莲和胡桃的茂金属（二茂铁和钌）配合物（50-53）在一组癌症（518A2、HCT-116 和 KB-V1/Vbl）细胞上的抗癌潜力。基于茂金属的结构调制证明了以下关于SAR的有趣事实：(i)白花素的二茂铁 (50: IC50 1.1 μM) 和钌 (52a: IC50 0.9 μM) 类似物显示出比白花素更好的抗癌效果 (IC50 26.2 μM) 对抗耐药KB-V1/Vbl 细胞；(ii) 然而，只有复合物50对518A2和HCT-116 细胞表现出比52a更好的活性；(iii)将二茂铁添加到胡桃(51)导致对所有测试细胞系的抗癌活性完全丧失。最有效的杂交50对518A2、HCT-116 和 KB-V1/Vbl 细胞的 IC50分别为0.5、4.7和1.1 μM（图13）。然而，有趣的是注意到基于白花素的金属络合物50和52a的作用机制与白花素的作用机制显著不同。两种杂种都表现出从G2-M（白花甘素）到G1-S细胞周期停滞的转变。此外，金属配合物对线性DNA的亲和力比白花丹素高。这种行为差异归因于存在大的正交金属碎片，这些碎片附着在与DNA一起运行的嵌入萘醌单元上，或导致额外的ROS诱导的损伤。此外，对P-糖蛋白 (Pgp) 介导的钙黄绿素-AM外排泵（在多药耐药 KB-V1/Vbl 细胞中过度表达）的更高抑制可以解释50和52a对该细胞系的抗增殖作用增强。另一方面，Plumbagin未能抑制Pgp的药物外排泵。因此，这些结果表明，萘醌的二茂铁基修饰被证明可有效开发新型金属基抗癌剂。

2.1.7.二茂铁-类姜黄素杂交衍生物