抗癌药物与DNA相互作用的共振拉曼光谱研究
作者：李 蔚1 陈五高1 梁永茂2
单位：
关键词：
中国激光医学杂志/980210 用激光辐射样品时，会发生散射。在散射光谱中，有些光的频率与入射光频率不同，强度要弱得多，这些光谱中就有拉曼光谱。共振拉曼效应(Resonance Raman effect)即当激发激光波长落入分子电子吸收峰附近时，分子振动的拉曼信号强度得到极大的增强，约是普通拉曼光强度的104～106倍，因共振增强了这些带有物质结构信息的光强度，所以大大降低了所需要的样品浓度，提高了检测灵敏度，能够得到更准确的物质结构信息[1]。
一、利用共振拉曼光谱研究抗癌药物与DNA相互作用的优越性
, 百拇医药
DNA是许多抗癌药物作用的靶分子，药物经过体内代谢，与DNA相互作用，直到损伤DNA。研究抗癌药物与DNA相互作用特性并阐明其作用机制，将有助于设计临床上高效、低毒的抗癌药物。
许多物理化学方法用于这方面的研究，如X射线晶体衍射[2]、核磁共振[3]、红外光谱[4]、电子吸收光谱[5]以及紫外共振拉曼光谱[6]。X射线晶体衍射能够提供宝贵的直接结构信息，但它需要提供抗癌药物与DNA相互作用的复合物晶体，这是很困难的。另外，还存在晶体状态下的分子构型与其生理环境下的液相构型是否一致的问题。核磁共振虽然能够提供液态生理条件下样品较为详细的结构信息，但所需样品浓度较高，且大分子体系的核磁共振谱图的分析与研究其归属，是十分复杂而困难的。红外光谱由于水的强烈吸收而限制了对生物组织水溶物质的研究。电子吸收光谱反映的结构信息量太少。
激光共振拉曼光谱具有灵敏度高、所需样品浓度低(10-3mol/L～10-5mol/L)、反映结构信息量大等特点，还可以针对复杂分子的不同色团选择性地共振激发，而相互间不受影响，尤其适用于生理水溶液状态，因此受到广泛关注。由于核酸和蛋白质的电子吸收带在260 nm～280 nm，因而，谱线在这附近的紫外共振拉曼光谱更为人们所重视。人们可以选择性地通过共振激发核酸色团来研究药物与核酸作用的精确位置；以及通过共振激发蛋白色团来研究蛋白的二级结构以及蛋白质与物质的相互作用[7,8]，为生物技术领域的基础研究和应用开辟广阔的前景。
, 百拇医药
二、抗癌药物与DNA相互作用的共振拉曼光谱研究及进展
过去几十年里，人们已从分子水平上证实：药物分子是通过插入(Intercalation)[9]、沟槽键联(Groove binding)[10]或共价键联(Covalent bonding)[11]三种基本方式与DNA结合在一起，并经常凭借氢键(Hydrogen binding)和库仑力(Coulombic force)使相互作用加强。大多数抗癌药物通过插入或沟槽键联与DNA相互作用；与DNA共价键联的抗癌药物较少，如顺铂和Anthramycin。Actinomycin D是插入作用到DNA双螺旋的CG序列中，并受到氢键的加强；而Distamycin和Netropsin与DNA仅以沟槽联接发生作用。在决定药物分子与DNA作用方式的因素中，整个药物分子的形状、大小和柔性比其本身所具有的官能团显得更为重要。
药物与DNA的共价结合比较容易从振动光谱加以区别。因为共价结合能够引起药物振动光谱的明显变化，如新谱带的出现、较大的谱带移动和较大谱带强度的变化。Perno等[7]采用紫外共振拉曼光谱方法研究顺铂与DNA的相互作用。即顺铂中铂原子与单、双核苷酸中的鸟嘌呤的碱基之间的相互作用，通过对DNA共振拉曼光谱的分析，说明了顺铂与DNA的键联机制。
, http://www.100md.com
药物与DNA的插入作用可以引起其紫外共振拉曼光谱的缺色性，即拉曼光谱谱峰强度的变化。而与DNA沟槽键联的药物，不仅能引起拉曼光谱的缺色性，而且其光谱还会产生频移。由于共价键联的药物的共振拉曼光谱没有缺色性，因此可以把共振拉曼光谱的缺色性作为区分插入作用和共价键联作用以及沟槽联接作用的依据[12]。
从药物和DNA相互作用的共振拉曼光谱的解析中，能够得出相互作用的键联位置和键联方式等重要信息，为药物的定向合成提供理论依据，使合成以预定方式作用于DNA的特定位置的抗癌药物成为可能，减少抗癌药物的毒、副作用。
三、抗癌药物与DNA相互作用共振拉曼光谱研究的发展趋势
目前国际上用共振拉曼光谱方法研究抗癌药物与DNA相互作用的工作十分活跃，特别是Nakamoto[1]、Spiro[9]、Turpin[8]等，国内亦在进行[13～15]。其主要研究目的以及发展趋势在于：(1)进一步证实共振拉曼光谱的缺色性是否是插入和沟槽联接的好的判断根据；(2)利用脉冲激光共振拉曼光谱研究激发态药物与DNA的复合物的结构和谱带特征；(3)药物与DNA相互间的弱相互作用，如氢键、库仑力等；(4)通过紫外共振拉曼光谱技术来精确确定药物与DNA相互作用的准确位置；(5)如何使共振拉曼光谱技术实用化等。
, 百拇医药
不难看出，随着新的激光技术如高效率激光倍频技术、紫外可调谐激光技术等的发展，将有力地推动共振拉曼光谱技术在抗癌药物与DNA的相互作用和其他生物大分子结构及其与物质相互作用等研究工作的应用。
参考文献
1.中本一男.无机和配位化合物的红外和拉曼光谱.第4版.北京：化学工业出版社，1991.1～398.
2.Quigley GJ, Wang AH-J, Ughetto G, et al. Molecular structure of an anticancer drug-DNA complex: daunomycin plus d(CpGpTpApCpGp). Proc Natl Acad Sci (USA), 1980, 77：7204.
3.Marzilli LG, Banville DL, Zon G, et al. Pronounced 1H and 31P NMR spectral changes on meso-tetrakis(N-methylpyridinium-4-yl) porphyrin binding to poly[d(G-C)]*poly[d(G-C)] and to three tetradecaoligodeoxyribonucleotides: evidence of symmetric, selective binding to 5’CG3’ sequence. J Am Chem Soc, 1986, 108：4188.
, 百拇医药
4.Taillandier E, Liquier J, Ghomi M. Conformational transitions of nucleic acids studied by IR and Raman spectroscopies. J Mol Struct, 1985, 214：185.
5.Pasternack RF, Garrity P, Ehrlich B, et al. The influence of ionic strength on the binding of a water soluble porphyrin to nucleic acids. Nucleic Acids Res, 1986, 14：5919.
6.Manfaint M, Bernard L, Theophanides T. Resonance and pre-resonance Raman spectra of the anti-tumor drugs Adriamycin and Daunomycin. J Raman Spectrosc, 1981, 11：68.
, http://www.100md.com
7.Perno JR, Park YD, Reedijk J, et al. UV resonance Raman study of platinum binding to guanine in mono-and di-nucleotides. J Raman Spectrosc, 1988, 19：203
8.Turpin PY, Chinsky L, Laigle A, et al. DNA structure studies by resonance Raman spectroscopy. J Mol Struct, 1988, 214：43.
9.Spiro TG, Grygon CA. Applications of ultraviolet resonance Raman spectroscopy to protein. J Mol Struct, 1988, 173：79.
, http://www.100md.com 10.Waring MJ. DNA modification and cancer. Ann Rev Biochem, 1981, 50：159.
11.Lippard SJ. New chemistry of an old molecule: cis-〔Pt(NH3)2Cl2〕. Science, 1981, 218：1075.
12.Wilson WD. Intercalation Chemistry. Academic Press, 1982.445-501.
13.Lu DS, Nonaka Y, Tsuboi M, et al. Molecular distortion of Distamycin on binding to DNA as revealed by Raman spectroscopy. J Raman Spectros, 1990, 21：321.
14.丁道远，胡皆汉.紫外光谱法研究药物与DNA作用方式——药物对DNA碱变性的影响.光谱学与光谱分析.1991.11(6)：7.
15.陈五高.激光治癌.武汉：华中师范大学出版社，1993.1～300., http://www.100md.com(李 蔚1 陈五高1 梁永茂2)
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关键词：
中国激光医学杂志/980210 用激光辐射样品时，会发生散射。在散射光谱中，有些光的频率与入射光频率不同，强度要弱得多，这些光谱中就有拉曼光谱。共振拉曼效应(Resonance Raman effect)即当激发激光波长落入分子电子吸收峰附近时，分子振动的拉曼信号强度得到极大的增强，约是普通拉曼光强度的104～106倍，因共振增强了这些带有物质结构信息的光强度，所以大大降低了所需要的样品浓度，提高了检测灵敏度，能够得到更准确的物质结构信息[1]。
一、利用共振拉曼光谱研究抗癌药物与DNA相互作用的优越性
, 百拇医药
DNA是许多抗癌药物作用的靶分子，药物经过体内代谢，与DNA相互作用，直到损伤DNA。研究抗癌药物与DNA相互作用特性并阐明其作用机制，将有助于设计临床上高效、低毒的抗癌药物。
许多物理化学方法用于这方面的研究，如X射线晶体衍射[2]、核磁共振[3]、红外光谱[4]、电子吸收光谱[5]以及紫外共振拉曼光谱[6]。X射线晶体衍射能够提供宝贵的直接结构信息，但它需要提供抗癌药物与DNA相互作用的复合物晶体，这是很困难的。另外，还存在晶体状态下的分子构型与其生理环境下的液相构型是否一致的问题。核磁共振虽然能够提供液态生理条件下样品较为详细的结构信息，但所需样品浓度较高，且大分子体系的核磁共振谱图的分析与研究其归属，是十分复杂而困难的。红外光谱由于水的强烈吸收而限制了对生物组织水溶物质的研究。电子吸收光谱反映的结构信息量太少。
激光共振拉曼光谱具有灵敏度高、所需样品浓度低(10-3mol/L～10-5mol/L)、反映结构信息量大等特点，还可以针对复杂分子的不同色团选择性地共振激发，而相互间不受影响，尤其适用于生理水溶液状态，因此受到广泛关注。由于核酸和蛋白质的电子吸收带在260 nm～280 nm，因而，谱线在这附近的紫外共振拉曼光谱更为人们所重视。人们可以选择性地通过共振激发核酸色团来研究药物与核酸作用的精确位置；以及通过共振激发蛋白色团来研究蛋白的二级结构以及蛋白质与物质的相互作用[7,8]，为生物技术领域的基础研究和应用开辟广阔的前景。
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二、抗癌药物与DNA相互作用的共振拉曼光谱研究及进展
过去几十年里，人们已从分子水平上证实：药物分子是通过插入(Intercalation)[9]、沟槽键联(Groove binding)[10]或共价键联(Covalent bonding)[11]三种基本方式与DNA结合在一起，并经常凭借氢键(Hydrogen binding)和库仑力(Coulombic force)使相互作用加强。大多数抗癌药物通过插入或沟槽键联与DNA相互作用；与DNA共价键联的抗癌药物较少，如顺铂和Anthramycin。Actinomycin D是插入作用到DNA双螺旋的CG序列中，并受到氢键的加强；而Distamycin和Netropsin与DNA仅以沟槽联接发生作用。在决定药物分子与DNA作用方式的因素中，整个药物分子的形状、大小和柔性比其本身所具有的官能团显得更为重要。
药物与DNA的共价结合比较容易从振动光谱加以区别。因为共价结合能够引起药物振动光谱的明显变化，如新谱带的出现、较大的谱带移动和较大谱带强度的变化。Perno等[7]采用紫外共振拉曼光谱方法研究顺铂与DNA的相互作用。即顺铂中铂原子与单、双核苷酸中的鸟嘌呤的碱基之间的相互作用，通过对DNA共振拉曼光谱的分析，说明了顺铂与DNA的键联机制。
, http://www.100md.com
药物与DNA的插入作用可以引起其紫外共振拉曼光谱的缺色性，即拉曼光谱谱峰强度的变化。而与DNA沟槽键联的药物，不仅能引起拉曼光谱的缺色性，而且其光谱还会产生频移。由于共价键联的药物的共振拉曼光谱没有缺色性，因此可以把共振拉曼光谱的缺色性作为区分插入作用和共价键联作用以及沟槽联接作用的依据[12]。
从药物和DNA相互作用的共振拉曼光谱的解析中，能够得出相互作用的键联位置和键联方式等重要信息，为药物的定向合成提供理论依据，使合成以预定方式作用于DNA的特定位置的抗癌药物成为可能，减少抗癌药物的毒、副作用。
三、抗癌药物与DNA相互作用共振拉曼光谱研究的发展趋势
目前国际上用共振拉曼光谱方法研究抗癌药物与DNA相互作用的工作十分活跃，特别是Nakamoto[1]、Spiro[9]、Turpin[8]等，国内亦在进行[13～15]。其主要研究目的以及发展趋势在于：(1)进一步证实共振拉曼光谱的缺色性是否是插入和沟槽联接的好的判断根据；(2)利用脉冲激光共振拉曼光谱研究激发态药物与DNA的复合物的结构和谱带特征；(3)药物与DNA相互间的弱相互作用，如氢键、库仑力等；(4)通过紫外共振拉曼光谱技术来精确确定药物与DNA相互作用的准确位置；(5)如何使共振拉曼光谱技术实用化等。
, 百拇医药
不难看出，随着新的激光技术如高效率激光倍频技术、紫外可调谐激光技术等的发展，将有力地推动共振拉曼光谱技术在抗癌药物与DNA的相互作用和其他生物大分子结构及其与物质相互作用等研究工作的应用。
参考文献
1.中本一男.无机和配位化合物的红外和拉曼光谱.第4版.北京：化学工业出版社，1991.1～398.
2.Quigley GJ, Wang AH-J, Ughetto G, et al. Molecular structure of an anticancer drug-DNA complex: daunomycin plus d(CpGpTpApCpGp). Proc Natl Acad Sci (USA), 1980, 77：7204.
3.Marzilli LG, Banville DL, Zon G, et al. Pronounced 1H and 31P NMR spectral changes on meso-tetrakis(N-methylpyridinium-4-yl) porphyrin binding to poly[d(G-C)]*poly[d(G-C)] and to three tetradecaoligodeoxyribonucleotides: evidence of symmetric, selective binding to 5’CG3’ sequence. J Am Chem Soc, 1986, 108：4188.
, 百拇医药
4.Taillandier E, Liquier J, Ghomi M. Conformational transitions of nucleic acids studied by IR and Raman spectroscopies. J Mol Struct, 1985, 214：185.
5.Pasternack RF, Garrity P, Ehrlich B, et al. The influence of ionic strength on the binding of a water soluble porphyrin to nucleic acids. Nucleic Acids Res, 1986, 14：5919.
6.Manfaint M, Bernard L, Theophanides T. Resonance and pre-resonance Raman spectra of the anti-tumor drugs Adriamycin and Daunomycin. J Raman Spectrosc, 1981, 11：68.
, http://www.100md.com
7.Perno JR, Park YD, Reedijk J, et al. UV resonance Raman study of platinum binding to guanine in mono-and di-nucleotides. J Raman Spectrosc, 1988, 19：203
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9.Spiro TG, Grygon CA. Applications of ultraviolet resonance Raman spectroscopy to protein. J Mol Struct, 1988, 173：79.
, http://www.100md.com 10.Waring MJ. DNA modification and cancer. Ann Rev Biochem, 1981, 50：159.
11.Lippard SJ. New chemistry of an old molecule: cis-〔Pt(NH3)2Cl2〕. Science, 1981, 218：1075.
12.Wilson WD. Intercalation Chemistry. Academic Press, 1982.445-501.
13.Lu DS, Nonaka Y, Tsuboi M, et al. Molecular distortion of Distamycin on binding to DNA as revealed by Raman spectroscopy. J Raman Spectros, 1990, 21：321.
14.丁道远，胡皆汉.紫外光谱法研究药物与DNA作用方式——药物对DNA碱变性的影响.光谱学与光谱分析.1991.11(6)：7.
15.陈五高.激光治癌.武汉：华中师范大学出版社，1993.1～300., http://www.100md.com(李 蔚1 陈五高1 梁永茂2)