作为表观遗传重要的调节因子,组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylases,HDACs）和组蛋白乙酰基转移酶（Histone acetyltransferases,HATs）共同调控组蛋白的“乙酰化-去乙酰化”动态平衡,维持机体的稳态。但当细胞受到外界特定刺激或发生基因突变时,细胞内的HDACs会过表达或活性异常增高,这使得核小体的结构变得紧密,抑癌基因的表达减少,进而导致肿瘤的发生和发展。而用HDACs抑制剂人为干预肿瘤细胞内异常的HDACs功能,可以有效地抑制肿瘤细胞的生长和增殖,实现较好的抗肿瘤治疗效果。经过数十年的努力,目前 Vorinostat、Romidepsin、Belinostat、Panobinostat 和 Chidamide等5个HDACs抑制剂已获批上市用于治疗皮肤T细胞淋巴瘤、外周T细胞淋巴瘤和多发性骨髓瘤。虽然HDACs抑制剂在肿瘤治疗领域取得了巨大的成功,但临床研究数据表明,获批上市的HDACs泛抑制剂存在两个突出的问题:（1）临床毒副作用相对较大;（2）对实体瘤治疗效果相对较差。因此,目前开发新型HDACs抑制剂仍是药物化学领域研究的热点。为了解决HDACs泛抑制剂毒副作用较大的问题,我们开发了 HDAC6亚型选择性抑制剂。HDACs泛抑制剂对HDAC无关亚型不加区别的抑制是导致其毒副作用较大的主要原因,而开发高活性、高选择性的HDAC抑制剂能很好地解决现有HDACs抑制剂毒副作用较大的问题。已有文献报道,HDAC6敲除不但不会造成致畸和致死现象,而且还能有效抑制肿瘤细胞的生长和增殖。我们首先研究了 HDAC6蛋白的结构特征,用AlphaSpace软件分析了 HDAC6蛋白催化通道的外围区域,发现了非极性P1 口袋和潜在的半极性P2 口袋。本课题组前期发现的苗头化合物LT-0（HDAC6,IC50=21μM）对HDAC6表现出微弱的抑制活性,其与HDAC6蛋白的结合模式表明,LT-0的Cap基团不能很好地占据P1和P2 口袋,这可能是导致其HDAC6抑制活性较差的原因。因此,我们在LT-0的Cap基团中引入刚性、体积较大的疏水性芳香环,构建了一个疏水性的Cap基团用于占据P1和P2 口袋,得到了第一系列HDAC6亚型选择性抑制剂。但第一系列HDAC6抑制剂在40 nM浓度下对HDAC6表现出微弱的抑制活性。深入研究后我们发现,第一系列HDAC6抑制剂的Linker长度不够,导致异羟肟酸基团不能很好地与靶酶锌离子螯合,从而影响了其HDAC6抑制活性。因此,我们对第一系列化合物的Linker进行了修饰和优化,设计并合成了第二系列和第三系列HDAC6抑制剂。初步活性评价结果表明,第三系列化合物均具有纳摩尔级别的HDAC6抑制活性,其中活性化合物HSI-30抑制HDAC6的IC50值达到4.4nM。此外,HSI-30还具有较好的HDAC6亚型选择性,它抑制HDAC6的能力是其抑制HDAC1的218倍,HDAC2的63倍,HDAC3的53倍,HDAC10的37倍,HDAC4、7、8、9和1 1的20000多倍。后续的生物学活性评价结果表明,活性化合物HSI-30在细胞凋亡诱导、caspase-3活化、细胞周期阻滞、抗肿瘤细胞增殖等方面也都有较好的表现。根据已报道的HDAC6结构生物学信息,HDAC6亚型的催化通道相比HDAC1和HDAC2亚型浅且宽阔,HDAC6抑制剂适合引入体积较大、长度稍短的Linker。这也与我们获得的第二和第三系列HDAC6抑制剂的构效关系相符。另一方面,与HDAC1和HDAC2相比,HDAC6催化通道外围存在很多相互作用位点,因此可以在目标结构Cap区引入不同性质的基团或片段以增加Cap与这些作用位点的结合,从而进一步增强目标结构的HDAC6蛋白亲和力和HDAC6亚型选择性。基于上述发现,我们在新设计目标化合物的Cap区中分别引入非极性基团和极性基团,同时以体积较大、长度稍短、对位取代的N-羟基苯甲酰胺结构作为新设计化合物的Linker和ZBG,设计并合成了第四、第五、第六和第七系列HDAC6抑制剂。后续的生物活性评价表明,我们四轮的结构修饰和优化极大地提高了化合物的HDAC6抑制活性和亚型选择性,其中活性化合物HSI-70（HDAC6,IC50=2.1 nM）的 HDAC6 抑制活性分别是其 HDAC1、HDAC2和HDAC8抑制活性的5545倍、5864倍和1638倍。深入活性评价表明,HSI-70在线粒体膜电位去极化、caspase-3活化、细胞凋亡诱导、肿瘤细胞生长抑制、体外成药性评价（正常细胞毒性、血浆稳定性和肝微粒体稳定性）及体内药代动力学性质评价（口服生物利用度达52.5%）中均具有很好的表现。由于HSI-70存在一个手性中心,为了探究该化合物不同构型的对映异构体抑制靶酶活性的差别,我们尝试多种制备方法,最终获得了（R）-HSI-70和（S）-HSI-70。活性评价结果表明,（R）-HSI-70和（S）-HSI-70的HDAC6抑制活性相当。在本文的HDAC6亚型选择性抑制剂的研究中,我们经过4轮的结构优化,得到了了七个系列共计76个目标化合物。其中化合物HSI-70表现出纳摩尔级别的HDAC6抑制活性、超过1600倍的HDAC6亚型选择性、亚微摩尔级别的抗增殖活性和很好的成药性。值得一提的是,在药代动力学评价中,活性化合物HSI-70的口服生物利用度高达52.5%,超过上市药SAHA（口服生物利用度为42.5%）。鉴于化合物HSI-70在各方面优异的表现,其将来可以作为候选化合物用于开发更有效、更安全的HDAC6抑制剂类抗肿瘤药物。对实体瘤治疗效果差是已上市HDACs抑制剂存在的另一突出问题。虽然HDACs抑制剂对特定血液瘤表现出一定的疗效,但是它们单独使用时对实体瘤较差的治疗效果已严重影响HDACs抑制剂在抗肿瘤治疗中的应用。而发展HDACs抑制剂的药物联用策略或开发含HDACs抑制剂片段的多靶标药物是解决HDACs抑制剂对实体瘤治疗效果较差的有效途径。调研结果表明,HDACs抑制可以上调促凋亡蛋白Bax,因此我们推测联用HDACs抑制剂和Bax激动剂应该能增强Bax蛋白依赖的凋亡,获得更好的抗增殖活性。为了验证我们的推想,我们在HeLa细胞上研究了 HDACs抑制剂SAHA和Bax激动剂BTSA1的联用。实验结果表明,SAHA与BTSA1在抑制HeLa细胞增殖方面具有协同增效作用（CI=0.73）,这为解决HDAC抑制剂实体瘤治疗效果差的问题指出了新方向。然而联合用药在临床使用时仍存在给药方案设计复杂、患者依从性差、药代动力学性质和药效结果不可预测等实际问题,因此我们设计了能同时实现HDACs抑制和Bax激动双功能的化合物。为了提高HDAC-Bax双靶标化合物设计的合理性,也为了减少双靶标化合物中冗余的结构,我们运用药效团融合策略,将双靶标化合物中HDACs抑制剂部分的Cap基团融入到BTSA1的功能性片段中,然后再从BTSA1的溶剂暴露区引出Linker和ZBG,设计了三个系列的HDAC-B ax双靶标化合物。初步的生物活性评价结果表明,我们双靶标化合物HIBA-6的HDACs抑制活性与SAHA相当,Bax蛋白亲和力与BTSA1相当,然而HIBA-6的抗HeLa细胞增殖的活性是SAHA的3倍,是BTSA1的15倍。HIBA-6更好的抗肿瘤活性和较低的正常细胞毒性表明我们的HDAC-Bax双靶标化合物设计策略取得了成功。Bax蛋白敲减实验和后续其它生物学实验证实,我们的HDAC-Bax双靶标化合物HIBA-6能在上调Bax蛋白的基础上诱导更多的Bax蛋白发生变构激活,增加Bax蛋白依赖的细胞凋亡,进而实现更好的抗HeLa细胞增殖活性。在本文的HDAC-B ax双靶标化合物研究中,我们首次探索了 HDACs抑制剂与Bax激动剂之间的联用,在此基础上设计并合成了一系列HDAC-Bax双靶标化合物。我们的研究展示了一种通过增强Bax蛋白依赖的细胞凋亡来治疗实体瘤的新范例,为后续的抗肿瘤研究提供了新思路。总的来说,为了解决HDACs抑制剂临床毒副作用较大的问题,我们开发了 HDAC6亚型选择性抑制剂;为了解决HDACs抑制剂对实体瘤治疗效果较差的问题,我们发展了 HDAC-Bax双靶标化合物。本文从现有HDACs抑制剂存在的实际问题出发,设计并合成了 90个新型HDACs抑制剂,在HDACs抑制剂的抗肿瘤研究领域中具有重要的应用价值和借鉴意义。