CN107513071B - 一种多功能鬼臼毒素衍生物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能鬼臼毒素衍生物及其制备方法和应用,属于抗肿瘤活性化合物的合成技术领域。本发明的技术方案要点为:一种多功能鬼臼毒素衍生物,其结构通式为:其中n=0‑8。本发明还具体公开了该多功能鬼臼毒素衍生物的制备方法及其在制备抗肿瘤药物中的应用。本发明制得了一类不仅能抑制肿瘤细胞的拓扑异构酶还能抑制微环境中的基质金属蛋白酶的双功能抑制剂,它们具有优异的生物活性:(1)在体内外可抑制肝癌及结肠癌细胞的生长;(2)在很低浓度即可抑制血管形成,并抑制癌细胞转移;(3)能抑制DNA拓扑异构酶和基质金属蛋白酶。
Description
技术领域
本发明属于抗肿瘤活性化合物的合成技术领域,具体涉及一种多功能鬼臼毒素衍生物及其制备方法和应用。
背景技术
肿瘤是威胁人类生命的重大疾病之一[1-2]。近些年来,对于肿瘤的研究已经取得了较大的进展,但对恶性肿瘤而言,临床上缺乏有效的手段加以控制[3]。寻找有效、高选择性、低毒的抗肿瘤药物仍是当前医学研究的重要课题。随着对肿瘤不断深入的认识,以肿瘤分子机制为基础的药物研究,也取得一定进展[4]。传统上化疗药物的研发主要围绕以药物对实体肿瘤直接作用,这些药物大多从天然产物获得有效活性成分,然后进行结构修饰,以取得更好的疗效。然而随着对肿瘤深入研究,发现肿瘤微环境在肿瘤发生、发展过程中起到重要。因此在药物设计中忽视微环境对肿瘤的影响是不全面的,也会影响药物的治疗效果。
DNA拓扑异构酶(Topoisomerase,Topo)是存在于细胞核内一种重要的酶,在DNA复制时对DNA的拓扑学结构发挥重要功能。由于肿瘤细胞生长快,因此拓扑异构酶的表达比正常细胞高得多[5],所以拓扑异构酶抑制剂是临床上最重要的化疗药物。
铜、铁、锌是细胞生长的重要元素亦与肿瘤生长密切相关。铜离子作为辅酶存在于铜蓝蛋白、细胞色素C氧化酶、过氧化物歧化酶(SOD)、赖氨酸氧化酶及多巴胺β-羟化酶等。铜能活化乏氧诱导因子(hypoxia inducible factor-1a,HIF-1a),诱导血管形成并与肿瘤的扩散密切有关[6]。铁对正常细胞的生长、增殖、能量代谢有着重要作用。铁也是某些酶的辅酶,如P450氧化酶、血红蛋白、核甙还原酶等。锌作为辅酶存在于组蛋白修饰酶、碳酸酐酶、乙醇脱氢酶及羧肽酶等中,是不同转录因子的结构离子。锌也是基质金属蛋白酶辅酶,参与肿瘤转移扩散。
肿瘤微环境为肿瘤细胞的发生、发展、侵袭转移过程提供必不可少的帮助[7-8],微环境中的基质金属蛋白酶,能降解细胞外基质,使肿瘤细胞扩散至血管中,进而扩散。
临床上DNA拓扑异构酶抑制剂以鬼臼毒素为代表的有依托泊苷、替尼泊苷。由于缺乏选择性引起较强的毒副作用,如骨髓抑制。同时长期使用带来的耐药性使得它们的临床应用受到限制[9-11]。所以合成出高效、低毒、耐药性小的新型拓扑异构酶抑制剂是药物研究重要课题。
本发明依据肿瘤生长及微环境特性,设计一类不仅能抑制肿瘤细胞的拓扑异构酶还能抑制微环境中的基质金属蛋白酶的双功能抑制剂。将吡啶醛腙二硫代甲酸脂肪酸酯与鬼臼毒素依据化学拼合原理加以偶联。利用二硫代甲酸衍生物对金属离子的螯合作用使基质金属蛋白酶失活或抑制,又利用鬼臼毒素结构单元抑制肿瘤细胞的拓扑异构酶,从而遏制肿瘤的生长和扩散。虽然有不少鬼臼毒素衍生物制备出来[12-19],但本发明所制备的新型衍生物尚未报道,该药物呈现了优异抗侵袭转移、抗血管形成以及抗肝癌活性。机制上与凋亡、自噬及PIK3/AKT/mTOR、反转上皮间质转换有关。
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发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种不仅能抑制肿瘤细胞的拓扑异构酶还能抑制微环境中的基质金属蛋白酶的双功能抑制剂(新型多功能鬼臼素衍生物)及其制备方法,该方法将吡啶醛腙二硫代甲酸脂肪酸酯与鬼臼毒素依据化学拼合原理加以偶联,利用二硫代甲酸衍生物对金属离子的螯合作用使基质金属蛋白酶失活或抑制,又利用鬼臼毒素结构单元抑制肿瘤细胞的拓扑异构酶,从而遏制肿瘤的生长和扩散,因此该鬼臼毒素衍生物能够进一步用于制备抗肿瘤药物。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案,一种多功能鬼臼毒素衍生物,其特征在于其结构通式I为:
其中n=0-8。
本发明所述的多功能鬼臼毒素衍生物的制备方法,其特征在于具体步骤为:将4-去甲基表鬼臼毒素溶于干燥二氯甲烷中,加入吡啶醛腙二硫代脂肪酸和4-N,N-二甲基氨基吡啶(DMAP),在冰水浴中预冷10min之后,分批加入N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC),继续反应15min,然后于室温反应48h,TLC跟踪反应完后经硅胶柱层析分离得到所述结构通式I的化合物。
进一步优选,所述4-去甲基表鬼臼毒素、吡啶醛腙二硫代脂肪酸与4-二甲氨基吡啶的投料摩尔比为1:1:0.02:6。
本发明所述的多功能鬼臼素衍生物在制备抗肿瘤药物中的应用。
本发明所述的多功能鬼臼素衍生物在制备抑制血管形成药物中的应用。
本发明所述的多功能鬼臼素衍生物在制备抑制DNA拓扑异构酶和基质金属蛋白酶形成药物中的应用。
本发明制得了一类不仅能抑制肿瘤细胞的拓扑异构酶还能抑制微环境中的基质金属蛋白酶的双功能抑制剂,它们具有优异的生物活性:(1)在体内外可抑制肝癌及结肠癌细胞的生长;(2)在很低浓度即可抑制血管形成,并抑制癌细胞转移;(3)能抑制DNA拓扑异构酶和基质金属蛋白酶。
附图说明
图1是2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对二型DNA拓扑异构酶的抑制作用,其中1-pUC18,2-核提取液,3-核提取液+etoposide(阳性对照),4-核提取液+0.75μM药物,5-核提取液+1.5μM药物,CL=单链断裂,L=双链断裂,S=超螺旋,R=松弛的DNA;
图2是2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对基质金属蛋白酶抑制作用,92KDa和72KDa分别为不同分子量基质金属蛋白酶,药物浓度如图所示;
图3是2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对细胞迁移及侵袭能力抑制作用,(A)划痕实验评估药物对缝隙愈合的影响,(B)Transwell小室评估药物的抗侵袭能力;
图4是2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对鸡胚血管(A)及内皮细胞成环(B)能力的抑制作用。
图5是2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对肝癌移植瘤的抑制作用,(A)归一化后瘤体积的变化,(B)归一化后裸鼠体重的变化,(C)未剥离的裸鼠,(D)肿瘤的大小
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明,但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明所述的多功能鬼臼素衍生物的制备方法,其具体合成路线为:
本实施例以吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯的合成为例
1、试剂
无水乙醇(天津市德恩化学试剂有限公司),溴丙酸(萨恩化学技术(上海)有限公司),KOH(天津市德恩化学试剂有限公司),80%水合肼(天津市天力化学试剂有限公司),二硫化碳(天津市天力化学试剂有限公司),2-吡啶醛(Sigma),4-去甲基鬼臼毒素(上海抚生实业有限公司)。
2、2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯的合成
化合物III的合成参照本课题组的专利方法(专利申请号为201610650310.7),即取1mmol的KOH(56.1mg)置于圆底烧瓶,用乙醇-水混合物(5:1,V/V)溶解放置在冰水浴中,向其中加入80%的水合肼1mmol(50.1mg),在低温环境中(15min之后)向圆底烧瓶中逐滴加入1mmol(76.2mg)二硫化碳,继续反应30min,随后加入3mL溶解有2-吡啶醛1mmol的无水乙醇溶液和一滴冰乙酸,回流反应1.5h,浓缩,冷却得到红棕色的粉末,过滤即得2-吡啶醛腙二硫代甲酸钾。将所得的2-吡啶醛腙二硫代甲酸钾(0.5mmol)溶于5mL乙醇与0.5mmol溴代丙酸室温反应1h,过滤并用冷乙醇洗涤得黄色的吡啶醛腙二硫代丙酸,产率90%。
取4-去甲基鬼臼毒素0.5mmol溶于干燥二氯甲烷中,加入0.5mmol吡啶醛腙二硫代丙酸和0.01当量的DMAP,在冰水浴中预冷10min之后,分批加入3当量的DCC,继续反应15min,然后于室温反应24h,TLC跟踪反应完成后,低温(4℃)析出DCC及DCU(dicyclohexylurea)后,过滤,再经硅胶柱层析(乙酸乙酯:石油醚=4:1,V/V)分离得到2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯,收集馏分。Rf=0.66(展开剂:氯仿:甲醇=20:1)。熔点:128.2℃。分子组成:C31H29N3O9S2。NMR:1HNMR(DMSO-d6):14.95(s,1H),8.81(d,1H,J=4Hz),8.57(m,1H,J=4Hz),8.00(m,3H,J=4,8Hz),7.51(m,3H,J=4,8Hz),6.96(s,1H),6.54(s,1H),6.31(s,2H),6.01(s,2H),5.48(d,H,J=8Hz),4.75(dd,1H,J=4Hz),4.60(dd,1H,J=4Hz),4.36(d,1H,J=8Hz),4.20(dd,1H,J=8Hz),3.61(s,6H),3.30(d,H,J=4Hz),2.82(m,H,J=4Hz)。13CNMR(100MHz,DMSO-d6):174.96,169.61,162.31,151.33,147.67,147.60,147.56,147.37,146.68,139.39,137.40,135.15,133.85,133.72,130.74,127.24,125.15,120.00,110.38,110.20,109.81,107.86,101.40,67.76,64.74,56.38,43.75,40.48,38.69,36.06,31.08。HRMS(microTOF-Q III,Brucker):m/z:674.1239(M+Na,calcd:674.1243)。
实施例2
对DNA拓扑异构酶抑制作用(以2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯为例)
1、试剂及检测仪器
BSA,甘油,ATP,EDTA,SDS,TrisHCl,EB(Sigma).溴酚蓝,硼酸,琼脂糖,Tocan360胶扫描仪(上海天诚技术有限公司)。
2、方法
依据文献方法制备细胞核提取液[Fu Y,Yang Y,Zhou S,Liu Y et al.,Ciprofloxacin containing Mannich base and its copper complex induce antitumoractivity via different mechanism of action.Int J Oncol.2014;45:2092-2100.]。将0.4μg核提取液加入拓扑异构酶评估液中(10mM Tris-HCl(pH=7.5)、1mM EDTA、1mM ATP、150mM NaCl、0.1%BSA(Bovine serum albumin)和5%glycerol),然后分别加入1μL、2μL或3μL测试物(1mM in 8%DMSO),最后加入0.4μg pUC18并使总体积为20μL,37℃水浴孵育30min,加入5μL终止液(10%SDS、0.025%bromophenol blue和10%glycerol),取10μL反应液加到1%琼脂糖胶(含EB)中电泳(45V,3h)。胶扫描仪照相,从图1中可以看出2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯和etoposide(3道)一样对二型DNA拓扑异构酶的有明显的抑制作用(4,5道)。
实施例3
2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对基质金属蛋白酶抑制作用
1、试剂及检测仪器
BSA,甘油,ATP,EDTA,SDS,TrisHCl,EB(Sigma),溴酚蓝,硼酸,琼脂糖,Tocan360胶扫描仪(上海天诚技术有限公司)。
2、方法
明胶酶谱按文献方法[Pan X,Han H,Wang L,Yang L,Li R,Li Z,Liu J,Zhao Q,Qian M,Liu M,Du B.Nitidine Chloride inhibits breast cancer cells migrationand invasion by suppressing c-Src/FAK associated signaling pathway.CancerLett.2011;313:181-191.]。简单地,HCCLM3细胞在无血清培养液中培养,一份不加药物(对照),其他分别加入0.75μM和1.5μM药物,培养12h,收集上清,并离心,上清经蛋白定量获得蛋白浓度。然后将相同量蛋白(30μg)加到含有1%明胶的聚丙烯酰胺胶中电泳。胶经简单洗涤,然后在复性缓冲液(50mM TrisHCl、pH7.5、2.5%Triton X-100、200mM NaCl、10mMCaCl2和1μM ZnCl2)中复性12h(4℃),接着在37℃缓冲液(50mM Tris-base、200mM NaCl、10mM CaCl2、1μM ZnCl2和0.02%NaN3)孵育使明胶降解。最后将聚丙烯酰胺凝胶用0.25%考马斯亮蓝染色,简单漂洗后,胶扫描仪照相。显然该专利药物可以抑制基质金属蛋白酶(亮度减弱)。
实施例4
抗肿瘤活性实验(以2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯为例)
1、试剂及检测仪器:
MTT(Sigma),胰酶(北京拜尔迪生物技术有限公司),培养基(北京索莱宝生物技术有限公司),血清(浙江天杭生物科技有限公司),DMSO(天津市德恩化学试剂有限公司),酶标仪(Theromo Scientific)。
2、MTT法评估目标化合物的抗肿瘤活性
以HepG2(肝癌)、Bel-7402(肝癌)、HCCLM3(肝癌)及C26(结肠癌)细胞为测试细胞株,选用对数生长期的贴壁肿瘤细胞,经胰酶消化后,用10%胎牛血清的RPMI 1640培养基配成5×103个/mL的细胞悬液,接种到96孔培养板,每孔接种100μL,37℃,5%CO2培养24h。设立阴性对照组、阳性对照组及实验组。细胞贴壁后实验组更换新的含有不同浓度被测样品的培养基。阳性组对照给予依托泊塞得(etoposide),阴性对照组则换为含有等体积溶剂的培养基。每组设三个复孔,37℃,5%CO2培养48h。弃去上清液,每孔加入10μL新鲜配制的5mg/mL MTT的无血清培养基。37℃继续培养4h,小心弃上清,并加入100μL DMSO,在平板震荡器震荡均匀后,在酶标仪上测定每孔在570nm的吸光度(OD)值。按下列公式计算药物对肿瘤细胞生长的抑制率:抑制率(%)=(对照组的OD值-实验组的OD值)/对照组的OD值×100,并计算半数抑制浓度(IC50:50%细胞生长抑制时的浓度)。2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对不同细胞系的半数抑制浓度见表1:显然该药物的抗增殖作用强于临床使用的etoposide。
表1 2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯的抗增殖作用(IC50)
药物\细胞系 | HepG2 | Bel-7402 | HCCLM3 | CT26 |
药物 | 3.2 | 0.70 | 11.5 | 2.5 |
Etoposide | 6.1 | 6.4 | 8.1 | 11.81 |
实施例5
2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对迁移侵袭的抑制作用
1、试剂
ECM matrix gel(BD Biosciences),MTT(Sigma),胰酶(Beijing BiodeeBiotechnology Co,Ltd),培养基(北京索莱宝生物技术有限公司),血清(浙江天杭生物科技有限公司),DMSO(天津市德恩化学试剂有限公司),Transwell小室(孔径8μM)。
2、对脐静脉内皮细胞(HUVEC)细胞生长抑制
细胞培养方法如对肿瘤细胞生长抑制实验与实施例2,抗肿瘤活性实验相同,但所使用的细胞为脐静脉内皮细胞。根据MTT法,所得半数抑制浓度(IC50)为:2.5±0.3μM。
3、HUVEC细胞的抗迁移能力
实验步骤:1)将104细胞分别加到24孔板,然后加入10%胎牛血清的RPMI 1640培养基,在37℃培养至满无缝隙。再用枪头划线使受损形成空白区域,PBS洗掉悬浮细胞后,再加入10%胎牛血清的RPMI 1640培养基及不同浓度2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯。未加药物为对照。37℃,5%CO2培养10h。倒置显微镜观察。结果显示:0.75μM 2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯即可明显抑制细胞迁移(24h后缝隙的宽度大于对照组)(图3A)。
4、对HCCLM3细胞的抗侵袭能力
实验之前准备铺胶的枪头以及transwell小室和24孔板均要在冰箱预冷,用无血清RPMI 1640培养基饥饿HCCLM3细胞24h。准备transwell小室,用PBS对小室下层膜进行水化10min之后,然后在transwell小室上铺Matrigel 100μL(1:8用RPMI 1640稀释),放置超净台中室温固化。用无血清RMPI 1640培养基并含有该专利药物(浓度分别为0、0.75μM、1.5μM)重悬细胞,调整细胞密度为5×104,每上室加入100μL细胞。下室加入600μL含10%血清的RMPI-1640培养基,培养20h。培养结束后,取出transwell小室,用PBS洗2遍,预冷4%多聚甲醛固定30min,每孔加入0.1%结晶紫染色10min,PBS洗2遍,用棉签轻柔擦去上室表面的细胞,在显微镜下观察,每个小室随机选取3个视野拍照,从拍摄的照片中选取3个视野,计算出穿入基质膜的细胞个数,求取平均值。显然加药组在胶里的细胞数远小于未加药,表明该新型药物能抑制细胞侵袭转移。
实施例6
2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对血管形成抑制作用
1、试剂
ECM matrix gel(BD Biosciences),胰酶(Beijing Biodee Biotechnology Co,Ltd),RPMI-1640培养基(北京索莱宝生物技术有限公司),血清(浙江天杭生物科技有限公司),DMSO(天津市德恩化学试剂有限公司)。
2、药物对鸡胚尿囊膜血管形成的抑制作用
购买同一批受精卵,鸡蛋的大小、重量均匀。放入孵育箱中孵化,孵育条件37℃,65%湿度。种蛋钝端向上,孵育箱会自动翻蛋,孵化至第7d后,在超净台中于鸡蛋的钝端轻轻开窗,将鸡蛋的外壳和外壳膜轻轻揭去。在内壳膜上加入一滴生理盐水,湿润后轻轻将内壳膜揭去,即可看到绒毛尿囊膜。取适当大小的羧甲基纤维钠薄膜放置于两条前卵黄静脉间血管较少的鸡胚尿囊膜位置,分别在羧甲基纤维钠薄膜上加入配置好的药物不同浓度(0.75μM、1.5μM)10uL,对照组加入10uL的0.01%DMSO。用无菌封口膜封口,造成假气室。放入孵育箱中在孵箱中孵育24h,孵育条件同上,将封口膜和滤纸揭去后在尿囊膜上滴加配置好的固定液固定,固定液为甲醇:丙酮(V/V)=1:1,室温固定30min。用眼科剪以薄膜为中心将尿囊膜剪下大小约为3cm×3cm,拍照并观察血管生长情况。显然该新型药物能抑制血管的分叉和个数(图4A),具有抑制血管形成能力。
3、对血管形成(圆环)抑制作用
实验步骤:1)按公司推荐的方法,将100μL冷的10X稀释液加到900μL ECMMatrixgel混合均匀。将50μL Matrixgel胶加到96孔板,37℃固化1h;2)选用对数生长期的贴壁HUVEC细胞,经胰酶消化后,用10%胎牛血清的RPMI 1640培养基配成5×103个/mL的细胞悬液,接种到96孔培养板,每孔接种100μL。然后分别加入不同浓度药物,未加药物为对照。37℃,5%CO2培养10h。倒置显微镜观察,圆环的多少。结果显示:1.5μM 2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯即可明显抑制血管形成(图4B),说明该新型药物具有抑制血管形成的能力,有利于对肿瘤的抑制。
实施例7
2-吡啶醛腙二硫代甲酸丙酸鬼臼毒素酯对裸鼠移植瘤(HepG2)的抑制作用
取雄性BALB/c裸鼠12只,5周龄,体重18-22g。消化收集处于对数生长期的HepG2细胞,制成细胞密度为1×106/mL的细胞悬液(不含血清和抗生素的1640培养液中)。对小鼠欲注射部位的皮肤进行消毒,用微量注射器将HepG2细胞悬液直接注射入小鼠的皮下组织中,整个实验观察14天,移植瘤的成功率为80%。配制药物终浓度为0.5mg、1mg溶液。以1mg的etoposide溶液为阳性组,生理盐水加1%DMSO为对照组。在皮下移植瘤旁直接注射,每次100μL,每周一次。在此过程中,对移植瘤的体积用游标卡尺进行测量,每2天测量1次,按瘤体积=L×d2/2(L为移植瘤的长径,d为移植瘤的短径),计算出皮下移植瘤的体积。小鼠处死后,剥除实体瘤,照相。图5A显示,相对与生理盐水组,新型药物及etoposide能抑制肿瘤的生长。图5B显示,新型药物对裸鼠体重的影响与生理盐水组相同,但高于etoposide组,表明该新型药物对裸鼠体重影响好于etoposide,图5C为裸鼠未剥离的照片,图5D为活体瘤的大小该新型药物能明显抑制肿瘤生长,显然好于临床使用的etoposide。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明原理的范围下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (6)
1.一种多功能鬼臼毒素衍生物,其特征在于其结构通式I为:
其中n=0-8。
2.一种权利要求1所述的多功能鬼臼毒素衍生物的制备方法,其特征在于具体步骤为:将4-去甲基表鬼臼毒素溶于干燥二氯甲烷中,加入吡啶醛腙二硫代脂肪酸和4-N,N-二甲基氨基吡啶,在冰水浴中预冷10min之后,分批加入N,N'-二环己基碳二亚胺,继续反应15min,然后于室温反应48h,TLC跟踪反应完成后经硅胶柱层析分离得到所述结构通式I的化合物。
3.根据权利要求2所述的多功能鬼臼毒 素衍生物的制备方法,其特征在于:所述4-去甲基表鬼臼毒素、吡啶醛腙二硫代脂肪酸,4-二甲氨基吡啶与N,N'-二环己基碳二亚胺的投料摩尔比为1:1:0.02:6。
4.权利要求1所述的多功能鬼臼毒素衍生物在制备抗肿瘤药物中的应用。
5.权利要求1所述的多功能鬼臼毒素衍生物在制备抑制血管形成药物中的应用。
6.权利要求1所述的多功能鬼臼毒素衍生物在制备抑制DNA拓扑异构酶和基质金属蛋白酶形成药物中的应用。
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