新型PI3K抑制剂的计算机虚拟筛选及其在多发性骨髓瘤治疗中的应用

摘要

多发性骨髓瘤是第二大恶性血液肿瘤疾病,大约占血液系统肿瘤的10％。由于缺乏有效药物,多发性骨髓瘤的死亡率一直高居不下,占年癌症总死亡率的2％,因此急需开发新型的分子靶标抗骨髓瘤药物。PI3K/AKT通路与多发性骨髓瘤的存活、分化、迁移、血管生成以及耐药性都密切相关,因此PI3K/AKT已经成为开发抗骨髓瘤药物的一个理想靶标。目前已经有一些抑制剂被报道,有些已经进入了临床试验。随着组合化学、肿瘤生物学、生物信息学以及生物工程的高速发展,使得大规模筛选PI3K抑制剂的方法被越来越广泛地采用。与传统的高通量筛选相比,计算机虚拟筛选具有高效、快速、低成本的优点,使它成为高通量筛选的一个重要辅助方法。在本课题中,我们结合虚拟筛选和生物学实验的方法来发现新的PI3K抑制剂,并阐明其抗多发性骨髓瘤的分子机制。
　　研究方法:
　　(1)使用逐层虚拟筛选的方法来发现新的高效的PI3K虚拟抑制剂。
　　(2)使用MTT实验法检测虚拟化合物对细胞活性水平的初筛,发现在细胞水平具有活性的化合物C98。
　　(3)酶活性实验分析C98对PI3K的抑制作用。
　　(4)Western blotting方法检测经C98处理之后细胞蛋白水平的表达,包括对PI3K通路的抑制以及对骨髓瘤细胞的促凋亡作用。
　　(5)流式细胞技术检测C98对多发性骨髓瘤细胞的促凋亡作用。
　　(6)免疫荧光实验用来检测AKT的细胞表达水平及亚细胞定位。
　　(7)建立多发性骨髓瘤异种移植小鼠模型,检测C98对骨髓瘤生长的影响。
　　(8)使用分子对接和分子动力学模拟方法在分子水平阐明C98抑制PI3K的作用机理。
　　研究结果:
　　(1)通过逐层虚拟筛选的方法对Specs和Chembridge化合物文库的80万个化合物进行筛选,经成药性检测以及聚类分析之后,得到了148个潜在的PI3K抑制剂。
　　(2)采用MTT方法将上述148个化合物处理多发性骨髓瘤OPM2细胞,最后得到了6个具有抑制OPM2细胞增殖的化合物,然后使用IGF-1刺激法初步验证了这6个化合物中C98具有较好的PI3K抑制活性。
　　(3)酶活性实验发现C98可以抑制I型PI3Ks,其中对PI3Ka和γ抑制活性最高达到纳摩尔级,但是对AKT及mTOR没有明显抑制作用。
　　(4)Western blotting方法检测到C98特异性地抑制PI3K/AKT/mTOR通路,而对其他通路的蛋白(IGF-1、MAPK、ERK、p38、c-Src、STAT3等)没有抑制作用。
　　(5)免疫荧光实验发现C98可以阻止AKT细胞质膜转移,从而抑制它的磷酸化。
　　(6)伴随着对PI3K的抑制,C98可以诱导骨髓瘤细胞的凋亡。流式细胞术分析发现 C98对骨髓瘤细胞的促凋亡作用呈浓度依赖性关系。Western blotting检测发现伴随着磷酸化AKT的抑制,C98可以引起细胞内Caspase-3和PARP的裂解激活。
　　(7)使用C98处理OPM2和JJN3肿瘤模型小鼠,发现灌胃给药C98在3周内可以显著抑制肿瘤的生长,并呈剂量效应关系。C98对肿瘤细胞的抑制与AKT的磷酸化关联。
　　(8)分子对接和分子动力学研究发现在C98与PI3K的相互作用中氢键以及范德华相互作用起了重要的作用。例如C98的氨基(-NH2)与各亚型的对应残基都形成了相应的氢键相互作用:PI3Kα的Ser854、PI3Kβ的Val848、PI3Kδ的Ser831、PI3Kγ的Ala885。而PI3Ks与C98也形成了数目不等的π-H相互作用:PI3Kα的Tyr836、Ile848、Val850、Ile932;PI3Kβ的Ile930;PI3Kδ的Tyr813、Ile930;PI3Kγ的Tyr867。这些相互作用对于稳定C98的结合同样起到了积极的作用。
　　结论：
　　本课题结合逐层虚拟筛选和生物学实验的方法发现了I型PI3K广谱抑制剂C98。它可以与PI3K的ATP口袋相结合从而抑制PI3K的活性,并特异性地抑制PI3K/AKT信号通路,从而诱导多发性骨髓瘤细胞的凋亡,延缓肿瘤细胞的生长。由于C98表现出了良好的口服活性和较低的毒性,C98可以发展成为一个高效的抗多发性骨髓瘤药物。

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第一章 绪论

1.1 PI3K研究背景

1.2 PI3K/AKT信号通路

1.3 PI3K/AKT信号通路的调控

1.4 PI3K/AKT信号通路与多发性骨髓瘤的关系

1.5用于多发性骨髓瘤治疗的PI3K抑制剂

1.6 现有PI3K抑制剂开发策略

1.7 研究意义

1.8 研究内容及章节安排

第二章 新型PI3K抑制剂的计算机虚拟筛选

2.1 引言

2.2 材料与方法

2. 3 实验结果

2.4 讨论

第三章 PI3K抑制剂的生物学验证及其对多发性骨髓瘤的实验性治疗作用

3.1 引言

3.2 实验材料

3.3 实验方法

3.4 实验结果

3.5 讨论

第四章 分子动力学模拟研究C98与PI3K的相互作用

4.1引言

4.2材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4结论

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间出版或公开发表的论著、论文

致谢