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咪唑并杂环类化合物(imidazo heterocyclic moiety)是药物化学研究中一类重要的结构骨架。该类化合物常常具有较强的生物学活性，如抗肿瘤作用和抗高血压作用。目前已批准上市的Zolimidine，Zolpidem和Alpidem均属于此类。一直以来，化学家致力于寻找简便、高效的组合化学方法，以期能够获得更多咪唑并杂环类新结构。中国科学院上海药物研究所通过多组分反应合成了MT系列取代吡啶并[2’，1’：2，3]咪唑并[4，5-c]异喹啉类化合物库。该化合物库代表了一类全新咪唑并杂环类结构，其中多种化合物显示出良好的体外抗肿瘤活性[1]。
取代吡啶并[2’，1’：2，3]咪唑并[4，5-c]异喹啉类化合物具有典型的平面结构特征，因此，最初推测其抗肿瘤作用可能与嵌入DNA抑制端粒酶活性有关。然而，实验证明该类化合物不会引起DNA损伤，无端粒酶抑制作用。与此同时，显微镜观察发现该类化合物的体外抗肿瘤活性与其诱导细胞形态变化能力呈正相关，高活性化合物常常诱导肿瘤细胞变圆，并脱离培养基质表面。这正是细胞有丝分裂期的典型形态特征，提示该类化合物可能通过抑制肿瘤细胞有丝分裂过程进而发挥其体外抗肿瘤作用。
MT7(6-(4-甲氧基苄基)吡啶并[2’，1’：2，3]咪唑并[4，5-c]异喹啉-5(6H)-酮)是前期化合物库中体外抗肿瘤活性最强的化合物，被选择作为该类活性化合物的代表进行全面的抗肿瘤作用及分子机制研究。首先，在12株不同组织来源的人肿瘤细胞中证实，MT7具有明显的体外抗肿瘤活性。接着，在随机选取的6株人肿瘤细胞中发现，MT7具有广谱性、可逆性和特异性的有丝分裂阻滞作用。为了进一步明确MT7阻滞肿瘤细胞有丝分裂的分子机制，我们对MT7作用HeLa细胞不同时间的基因表达谱数据，分别进行了基因簇富集度分析(Gene SetEnrichment Analysis，GSEA)和Connectivity Map比对，不仅从基因组水平再次证实MT7的有丝分裂阻滞作用，更重要的在于提示MT7的有丝分裂阻滞作用可能与其对微管蛋白的调节有关。进一步研究发现该化合物能够抑制细胞内微管蛋白聚合，表现出与经典微管聚合抑制剂长春新碱类似的效应；然而，MT7在溶解度允许的浓度范围内，对无细胞体系微管蛋白的体外聚合过程无明显影响。通过抑制细胞内微管聚合，MT7能够促进多极纺锤体细胞比例的升高，破坏有丝分裂纺锤体的极性，并进一步激活纺锤体检查点，抑制肿瘤细胞进入有丝分裂后期。同时，MT7对其他非微管类有丝分裂调节因子，如KSP、Plk1激酶和Aurora激酶均无活性抑制作用，可见抑制微管蛋白聚合是介导MT7有丝分裂阻滞作用的主要因素。而持续性有丝分裂阻滞，将诱导肿瘤细胞凋亡的发生。上述结果表明，作为全新咪唑并杂环类化合物，MT7能够抑制肿瘤细胞微管蛋白聚合过程，阻滞有丝分裂，进而发挥其体外抗肿瘤作用。
在初步构效关系研究的基础上，以MT7为前体，对其6位和9位进行多种化学结构改造，得到了体外抗肿瘤活性和溶解性更高的MT系列化合物。我们选择该系列中活性最强化合物MT119作为新的代表化合物，旨在深入探讨MT系列化合物抑制微管蛋白聚合的分子机制。首先，在10株不同组织来源的人肿瘤细胞中证实，MT119具有明显的体外抗肿瘤活性。接着，在随机选取的4株肿瘤细胞中发现，MT119能够在多种肿瘤细胞中诱导有丝分裂阻滞。相比MT7，MT119在显著提高体外抗肿瘤活性的同时，仍然表现出有丝分裂阻滞作用的增强，可见其与MT7具有相似的作用机制，选择其作为MT系列新的代表化合物具有合理性和可行性。进一步研究证明，MT119与MT7一样能够显著抑制细胞内微管蛋白聚合，促进多极纺锤体细胞比例的升高，破坏有丝分裂纺锤体的极性。不同之处在于，MT119能够剂量依赖性抑制无细胞体系微管蛋白的体外聚合，提示其与微管蛋白可能存在直接相互作用。经表面等离子体共振实验证实，MT119与芯片表面标记的微管蛋白之间的结合常数KD为10.6μM。同时，MT119能够改变微管蛋白的疏水性、巯基反应能力和色氨酸荧光发射，引起微管蛋白分子构象的变化，这也从另一个侧面验证了该化合物与微管蛋白的直接相互作用。微管蛋白结合竞争抑制实验表明，MT119与微管蛋白β亚基的秋水仙碱位点结合，这与计算机分子对接模拟结果相符。上述研究证明，MT119通过结合于微管蛋白秋水仙碱位点而抑制其体内外聚合过程，从而影响有丝分裂纺锤体的正常形成，引起肿瘤细胞有丝分裂阻滞。在系统阐明其分子机制的同时，动物体内实验发现，MT119在大鼠及荷瘤裸小鼠模型上均具有良好的药代动力学特性，并且在人宫颈癌HeLa细胞移植瘤裸小鼠模型上表现出一定的抗肿瘤药效。
最后，本研究还在微管蛋白体外聚合抑制作用、有丝分裂纺锤体破坏作用、有丝分裂阻滞作用和肿瘤细胞体外增殖抑制作用四个层面，对MT系列化合物的生物学活性进行了全面分析。总体而言，MT110、MT119、MT120、MT123和MT126具有最强的生物学活性；MT122和MT124改造引起了生物学活性的略微降低；而MT116、MT117和MT118改造则引起生生物学活性的极大降低。可见，MT系列母核结构的多数位置修饰空间较小，而6位在保持甲氧基苯基的基础上适度延长碳链可以显著提高生物学活性。而9位作为相对冗余位点，对其进行若干旨在改变极性表面积的结构取代后，能够基本维持生物学活性，并且化合物的理化性质得到一定程度的改善。
综上所述，本研究以化合物MT7和MT119为代表，对MT系列取代吡啶并[2’，1’：2，3]咪唑并[4，5-c]异喹啉类化合物抗肿瘤作用及其分子机制进行了较系统的阐明，证实该类活性化合物主要通过结合在微管蛋白秋水仙碱位点，抑制其聚合的动态过程，破坏纺锤体完整性，引起有丝分裂阻滞，进而诱导肿瘤细胞凋亡，发挥其抗肿瘤作用。并且，通过分析该类化合物的构效关系，发现了若干可行的改造方向，为进一步化学结构优化提供了理论依据。作为拥有我国自主知识产权的MT系列化合物的合成、生物学活性及作用机制的阐明无疑丰富了人们对于咪唑并杂环类结构的认识；以其作为抗肿瘤药物先导化合物的尝试，将为有丝分裂抑制剂，特别是微管蛋白聚合抑制剂的设计合成提供了新的思路。