近年来，金属药物在肿瘤、神经退行性疾病、糖尿病、细菌及病毒感染等疾病治疗中发展迅速，研发针对临床需求的金属药物已成为药物化学发展的重点方向。二茂铁作为重要的有机金属官能团，具有亲脂、低毒、独特夹心三明治结构、氧化还原等特性，在药物化学领域具有良好的应用价值。近日，中国海洋大学医药学院、海洋药物教育部重点实验室王勇教授课题组在二茂铁抗肿瘤药物化学领域取得系列进展，分别在在化学综合性期刊《Chemical Science》和药物化学领域顶级期刊《Journal of Medicinal Chemistry》发表两篇研究性论文。
课题组前期工作证实二茂铁能够多方位的影响二苯乙烯基二茂铁（Ferrocifen）代谢产物的形成，为了深入探索二茂铁介导代谢产物多样化的理论机制，研究人员在前期工作的基础上设计合成了不同侧链长度的羟烷基取代Ferrocifen化合物，通过化学氧化剂、电化学、细胞色素P450酶氧化等多种手段证实了其侧链末端羟基可以与二茂铁基附近的多种碳正离子（α-, β1-和β2-）发生化学选择性环化氧化，生成不同的代谢产物。生物活性测试证实这类化合物在分子和细胞水平上均能够诱导ROS产生，进而有效引发肿瘤细胞凋亡，具有良好的体内外抗肿瘤活性。课题组与上海有机所郑超研究员合作，利用密度泛函理论（DFT）计算研究了二茂铁对于碳正离子稳定性与环化反应位点选择性之间的关系，用计算化学的技术解析了二茂铁介导的代谢产物多样化问题，由此提出一个由二茂铁基介导的Ferrocifen衍生物的化学进化树，有望为二茂铁在有机金属化学领域和生物医药研发上的应用提供理论依据和指导（图1）。
图1. 羟烷基Ferrocifen类化合物的氧化代谢、生物活性机制研究及理论计算工作
铁死亡是近年来新发现的一种铁依赖的氧化损伤而诱发的调节性细胞死亡类型，研究表明铁死亡可以诱导多类肿瘤耐药细胞株死亡。铁死亡发生机制中包括三个主要部分：脂质代谢、铁稳态和抗氧化通路。细胞内铁介导的芬顿（Fenton）反应是引发铁死亡脂质过氧化物累积的主要来源之一。基于二茂铁亦能催化发生芬顿反应，课题组首先建立了“基于二茂铁的类药性有机金属化合物库”并对其进行活性筛选，但并未发现具有明显铁死亡诱导活性的化合物，这表明二茂铁与铁死亡并无直接联系。依据铁死亡信号通路中的关键蛋白谷胱甘肽过氧化物酶4（Glutathione peroxidase 4，GPX4）与其抑制剂的结合模式，研究人员通过合理药物设计，采用“一石二鸟”策略将二茂铁与铁死亡诱导剂ML162、RSL3、ML210有机结合，构建了一系列靶向GPX4的二茂铁化合物。其中化合物17活性最突出（IC50=0.007 μM），同时可以被铁死亡抑制剂Fer-1逆转，对正常细胞毒性较小，表现出良好的选择性。机制研究表明，17可以与GPX4蛋白结合抑制其活性并下调其表达，并且在分子和细胞水平证实其二茂铁可以通过Fenton反应有效诱导ROS产生，从抗氧化通路以及铁稳态两方面协同发挥铁死亡的诱导活性。体内抗肿瘤实验证实17能够显著抑制肿瘤生长，且没有观察到明显的毒副作用。该研究证实二茂铁良好的亲脂性和独特的空间结构可以提高小分子抑制剂的靶标选择性，并且二茂铁可以通过Fendon反应诱导ROS产生增强铁死亡诱导活性（图2），为研发二茂铁抗肿瘤药物提供了新的思路。
图2. 二茂铁与铁死亡：合理设计基于二茂铁的新型铁死亡诱导剂
中国海洋大学医药学院为两篇论文的第一完成单位，王勇教授、郑超研究员为第一篇论文通讯作者，中国海洋大学医药学院硕士研究生王慧，范雪静，上海有机所谢培培博士，中国海洋大学医药学院杨爽副教授为共同第一作者；王勇教授、李静教授为第二篇论文通讯作者，博士研究生李伟，于静，王菁，硕士研究生范雪静为第二篇论文共同一作。相关工作得到青岛海洋科技中心科技创新项目、山东省泰山学者青年计划、山东省自然科学基金等项目的资助。
文章链接：
1. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jmedchem.3c01709
2. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc02002b