1. 基于低氧环境的癌症分子靶向治疗药物的开发

    正常细胞处于常氧状态，细胞内表达产生的HIF-1α 的氧依赖降解区(ODD) 多肽序列内保守性Pro残基p402和p564被脯氨酸羟化酶(PHD) 羟化，ODD 区域的532位的Lys残基被乙酰转移酶-1(ARD-1) 酰化，而后被希佩尔林道肿瘤抑制蛋白(Von Hippel Lindau protein，pVHL)识别，并与E3 泛素化连接酶结合，最终导致HIF-1α 被蛋白酶体迅速降解。在正常细胞中，HIF-1的表达和降解处于动态平衡。在肿瘤细胞中，由于肿瘤细胞的快速增殖和高代谢，导致细胞供血供氧不足，此时细胞质内的HIF-1α 积聚并移行至细胞核中，与HIF-1β 发生二聚化形成异源二聚体HIF-1。HIF-1与转录活化子p300 / 帽结合蛋白(CBP) 等形成复合物，并与目标基因的低氧反应元件(hypoxic response element，HRE) 结合，进而调控下游100 多种基因的表达，包括血管内皮生长因子(VEGF) 和葡萄糖转运蛋白(GLUT) 等。这些基因表达后参与红细胞生成和血管形成，参与核苷、氨基酸、糖的能量代谢，与血管新生、肿瘤的侵袭转移、放化疗抵抗和预后不良等密切相关。研究表明，超过70%的肿瘤细胞中HIF-1水平都呈现过度表达，因此以HIF-1及其信号传导通路中各个环节为靶点设计新型HIF-1抑制剂是近几年抗肿瘤药物研发的热点。将具有高疏水性的碳硼烷基团引入芳氧基乙酰胺结构中，合成一系列衍生物，利用双荧光素酶报告基因检测法对合成的化合物进行细胞水平活性筛选，发现了对HIF-1α具有强效抑制活性的碳硼烷类化合物 (图一)， MTT实验表明该化合物对HeLa细胞没有明显的细胞毒性。该化合物在既存的碳硼烷类HIF-1α抑制剂中，显示出最强效的活性，为HIF-1α抑制剂的开发提供了有效的候选化合物

图一 碳硼烷类HIF-1抑制剂

参考文献： Guangzhe Li, Soyoko Azuma, Hidemitsu Minegishi, Hiroyuki Nakamura. Synthesis and Biological Evaluation of meta-Carborane-Containing phenoxyacetanilides as Inhibitors of Hypoxia-InducibleFactor (HIF)-1 Transcriptional Activity.Journal of Organometallic Chemistry, 2015, 798, 189-195.
Guangzhe Li, Soyoko Azuma, Shinichi Sato, Hidemitsu Minegishi, Hiroyuki Nakamura. ortho-Carboranylphenoxyacetanilides as Inhibitors of Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-1α Accumulation and  Heat Shock Protein (HSP) 60 Chaperon Activity. Bioorganic Medicinal Chemistry Letters, 2015, 25, 2624-2628. 

2. 热休克蛋白HSP60抑制剂的开发

        热休克蛋白是一类高度保守并且广泛表达的应激蛋白，在细胞内具有重要的生理功能。按分子量大小分为HSP90、 HSP70、 HSP60、HSP27和泛素几个主要家族。文献报道的HSPs与肿瘤的关联性主要集中于HSP27、 HSP70和HSP90。中村等利用化学生物学手段研究发现：抑制HSP60 的功能，能够阻碍HIF-1α的聚集进而发挥抗肿瘤作用。基于此研究成果，设计并合成了一系列碳硼烷类化合物，利用细胞外的苹果酸脱氢酶重构实验进行生化分子水平的活性筛选，发现了一个具有双碳硼烷结构的衍生物，其抑制活性是已知天然活性提取物ETB的30倍，是既存最强效的HSP60抑制剂。该强效HSP60抑制剂的成功开发，为以HSP60为靶标，分子靶向治疗癌症、阿尔兹海默症等重大疾病提供了易合成，高活性的候选化合物素材；也为进一步阐明HSP60和HIF-1α之间功能的关联性提供了有效的实验工具。

图二 碳硼烷类HSP60抑制剂

参考文献：Guangzhe Li, Soyoko Azuma, Shinichi Sato, Hidemitsu Minegishi, Hiroyuki Nakamura. ortho-Carboranylphenoxyacetanilides as Inhibitors of Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-1α Accumulation and  Heat Shock Protein (HSP) 60 Chaperon Activity. Bioorganic Medicinal Chemistry Letters, 2015, 25, 2624-2628. 

3. 过渡金属催化的碳-碳单键形成和断裂反应的开发

  近十年利用过渡金属催化形成C-C单键的方法被大量报道，并广泛应用于药物活性中间体以及新型材料的合成。多数情况下，这些方法需要使用化学计量的酸碱或是有机金属反应试剂，因此将产生大量无机或有机金属废弃物。为解决这一问题，开发了一系列过渡金属铑催化的单键交换反应，该类反应利用高活性金属铑做催化剂，直接催化活化苄基酮类化合物的C-C键、C-H键，生成C-C键，用于合成生物活性分子二芳杂环甲烷类和2,3-二芳基-1,4-二酮类化合物。由于不使用任何酸碱或是化学计量的有机金属反应试剂，不产生无机或有机金属废弃物，这在绿色化学领域被认为具有很高的价值。尤其是，利用金属铑切断苄基酮类的C-C键，形成新的C-C键的单键交换反应，能够实现碳素骨架的一步变换，为C-C键的形成提供了一个崭新的思路。基于此研究成果，铑催化的C-N、C-S和C-F键的单键交换反应也被成功开发。吲哚骨架或四氢喹啉骨架是药物活性小分子极为重要的活性单元，而包含有二者的吲哚基四氢喹啉类化合物作为生物活性小分子正受到广泛关注。但是其合成法通常需要化学计量的氧化剂参与，而且化学反应过程冗长。利用廉价的醋酸锌作为催化剂，不使用任何酸碱及氧化剂，成功开发了交叉脱氢偶联反应（CDC reaction），用于一步构筑含氮类生物活性小分子，该方法具有绿色环保，高效且原子利用率高的特点。

图三 过渡金属催化的碳-碳单键形成和断裂反应

参考文献： Guangzhe Li, Hiroyuki Nakamura.Synthesis of 2-Indolyltetrahydroquinolines by Zinc(II)-Catalyzed Intramolecular Hydroarylation-Redox Cross-Dehydrogenative Coupling of N-Propargylanilines with Indoles. Angewandte chemie Internationa Edition, 2016,  55, 6758–6761.

Guangzhe Li, Mieko Arisawa, Masahiko Yamaguchi. Rhodium-Catalyzed Synthesis of Unsymmetrical Di(aryl/heteroaryl)methanes Using Aryl/Heteroarylmethyl Ketones via CO-C Bond Cleavage. Chemical Communications, 2014, 50 (33), 4328-4330.
Guangzhe Li, Mieko Arisawa, Masahiko Yamaguchi. Rhodium-Catalyzed Synthesis and Reactions of N-Acylphthalimides.Asian Journal of Organic Chemistry,  2013, 2 (11), 983-988.
Mieko Arisawa, Guangzhe Li, Masahiko Yamaguchi. Rhodium-Catalyzed Synthesis of 2, 3-Diaryl-1,4-diketones via Oxidative Coupling of Benzyl Ketones Using α-Thioketone Oxidizing Reagent. Tetrahedron Letters, 2013, 54 (10), 1298-1301.
Mieko Arisawa, Manabu Kuwajima, Fumihiko Toriyama, Guangzhe Li, Masahiko Yamaguchi.Rhodium-Catalyzed Acyl-Transfer Reaction between Benzyl Ketones and Thioesters: Synthesis of Unsymmetric Ketones by Ketone CO-C Bond Cleavage and Intermolecular Rearrangement. Organic Letters, 2012, 14 (14), 3804-3807.