基于呋喃香豆素支架的新型衍生物：靶向抗癌与微生物组安全的体外研究

《Scientific Reports》：In vitro anticancer studies of new derivatives based on the furanocoumarin scaffold

本刊推荐：为解决传统抗癌药物选择性差及易破坏肠道微生物组的问题，研究人员开展了基于呋喃香豆素支架的新型氨基酸衍生物的合成与抗癌活性研究。结果表明，化合物4和6对结直肠癌(SW620)和黑色素瘤(HTB-140)细胞显示出强效细胞毒性(IC50~11-18 μM)，并通过诱导凋亡发挥作用。分子对接提示其作用机制可能与EGFR和Bcl-2信号通路相关。尤为重要的是，该类化合物对代表性革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌无抑制活性，表明其具有“微生物组安全”特性，为开发高选择性、低毒副作用的抗癌先导化合物提供了新思路。

　　

癌症至今仍是全球主要的健康负担，据世界卫生组织预测，到2050年癌症病例数将比2022年增加77%。尽管治疗手段不断进步，但耐药性的出现和传统化疗药物对正常细胞的毒性限制了许多癌症患者的治疗效果。更为棘手的是，许多抗癌药物在杀伤肿瘤细胞的同时，也会破坏人体肠道微生物组的平衡，而这种微生物平衡对维持免疫功能和支持治疗效果至关重要。

在这一背景下，天然产物及其衍生物作为抗癌药物开发的重要来源备受关注。呋喃香豆素类化合物因其多样的生物活性而成为药物化学研究的热点。然而，如何通过合理的结构修饰增强其抗癌活性和选择性，同时避免对肠道微生物的负面影响，是当前研究面临的关键挑战。

发表在《Scientific Reports》上的这项研究，由Wioletta Olejarz、Ewa Augustynowicz-Kope?、Agnieszka G?ogowska、Mariola Napiorkowska、Tomasz Szostek、Agnieszka Filipek和Daniel Szulczyk共同完成，针对这一挑战开展了系统研究。团队设计合成了八个新型氨基酸烷基呋喃香豆素衍生物，并对其抗癌潜力进行了全面评估。

研究人员采用的关键技术方法包括：化学合成与结构表征(核磁共振谱和质谱分析)、体外细胞毒性评估(MTT法和LDH释放检测)、细胞凋亡分析(流式细胞术 Annexin V-FITC/7-AAD双染)、炎症因子检测(IL-6 ELISA)、分子对接研究(针对EGFR和Bcl-2家族蛋白)以及抗菌活性测试(微量肉汤稀释法)。所有细胞系均来源于美国典型培养物保藏中心(ATCC)。

2.结果与讨论

2.2 体外细胞毒活性

通过MTT法评估所有合成化合物对四种人癌细胞系(HTB-140、A549、HeLa、SW620)和正常人角质形成细胞(HaCaT)的细胞毒性。结果显示，整个呋喃香豆素衍生物系列均表现出显著的细胞毒活性，其中对结直肠癌SW620细胞的抑制效果最为明显。化合物4和6的活性最强，IC₅₀值分别为11.5±6.6和11.4±4.9 μM。在黑色素瘤HTB-140细胞中，化合物4和6同样表现出最优活性，IC₅₀值分别为18.2±3.6和17.5±3.4 μM。选择性指数(SI)计算表明，这些化合物对癌细胞的毒性显著高于正常细胞，显示出良好的选择性。

2.3 乳酸脱氢酶测定

LDH释放实验进一步验证了化合物的细胞毒作用。选择活性最好的化合物2、3、4和6，在25、50和100 μM三个浓度下处理癌细胞。结果显示，所有测试化合物均呈剂量依赖性地诱导LDH释放，其中在SW620和HTB-140细胞中效果最为显著。在最高浓度(100 μM)下，化合物诱导了20-70%的癌细胞毒性，而对正常HaCaT细胞的影响较小，这与MTT实验结果一致，进一步证实了化合物对癌细胞的选择性毒性。

2.4 凋亡活性

流式细胞术分析揭示，呋喃香豆素衍生物的细胞毒作用主要通过诱导凋亡实现。化合物4是最有效的凋亡诱导剂，使68.8%的HTB-140细胞和55.6%的A549细胞进入晚期凋亡或坏死。化合物2在A549细胞中也显示出显著活性，导致63.2%的细胞发生晚期凋亡或坏死。重要的是，所有测试化合物对正常HaCaT细胞的毒性极小，仅0.3-0.6%的细胞发生晚期凋亡或坏死，证实了其对癌细胞的高度选择性。

2.5 白细胞介素-6研究

ELISA检测显示，所有测试衍生物均能显著降低癌细胞中白细胞介素-6(IL-6)的水平。在HTB-140细胞中，化合物4的效果最强；在SW620细胞中，化合物4和6使IL-6分泌减少约50%；在HeLa细胞中，化合物3抑制了48%的IL-6释放；在A549细胞中，化合物2的效果最佳，使IL-6释放平均减少38%。这些结果表明，呋喃香豆素衍生物可能通过调节炎症因子发挥抗癌作用。

2.6 分子对接研究

分子对接分析探讨了化合物与EGFR和Bcl-2家族蛋白的相互作用。结果显示，化合物与EGFR ATP结合口袋具有相似的结合亲和力，其中化合物5、7、8和9的结合亲和力优于天然配体。特别是化合物7和9，其对接得分分别为-8.2|-7.3 kcal/mol和-8.0|-7.0 kcal/mol，而天然配体为-7.0 kcal/mol。相互作用分析表明，增强的结合亲和力主要归因于氢键网络、烷基相互作用和范德华接触的协同作用。

2.7 初步抗菌评价

抗菌实验显示，所有呋喃香豆素衍生物对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌、铜绿假单胞菌)均无显著抑制活性，最小抑制浓度(MIC)值均高于测试范围(>128-256 μg/mL)。这一结果表明这些化合物不太可能破坏肠道微生物组，具有"微生物组安全"特性，这对于癌症治疗期间维持免疫功能和治疗效果尤为重要。

2.8 结论

本研究成功合成了一系列新型氨基酸烷基呋喃香豆素衍生物，并系统评估了其抗癌潜力。化合物4和6表现出最强的抗癌活性，对SW620和HTB-140细胞的IC₅₀值约为11-18 μM。机制研究表明，其抗癌作用主要通过诱导凋亡实现，而非非特异性细胞毒性。分子对接提示EGFR信号通路可能是其作用机制之一，但最有效的化合物(2、3、4、6)并非对接得分最优者，表明可能存在其他作用机制。特别重要的是，所有化合物在抗菌测试中均显示阴性结果，表明它们不会破坏肠道微生物组，这一特性在癌症治疗中具有重要临床意义。

这些发现为开发选择性高、微生物组安全的抗癌药物提供了有前景的先导结构，尤其化合物4和6值得进一步临床前评价。该研究不仅展示了呋喃香豆素衍生物作为抗癌剂的潜力，也强调了在药物开发早期考虑微生物组安全性的重要性，为未来抗癌药物设计提供了新思路。