喜树碱类抗癌药物的研究进展

南 京 师 范 大 学

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院 系 研究生姓名 课 程 名 称 授 课 时 间 2011学年度 1 学期 化学与材料科学学院 王坤 专 业 学 号 材料化学 周学时 2 学分 2 分析化学 111102026 简 要 评 语 考 核 论 题 总评成绩 （含平时成绩） 备注

喜树碱类抗癌药物的研究进展 任课教师签名：

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喜树碱类抗癌药物的研究进展

王坤

（111102026 分析化学 化学与材料科学学院）

摘 要：喜树碱类药物是用于临床的拓扑异构酶Ⅰ抑制剂，是继紫杉醇后又一个很有发展前途的抗癌药，已成为目前抗癌药物中研究的热点。20-(S)-喜树碱(CPT) 是一种具有广谱抗癌活性的生物碱，其抗癌活性主要体现在CPT的内酯环能够与DNA拓扑异构酶?结合并异化DNA拓扑结构，进而诱导肿瘤细胞的凋亡。然而，喜树碱内酯环在生理环境下极易水解开环形成羧酸盐，导致药物失活；同时喜树碱本身所存在的水溶性差、对正常机体组织毒副作用大等缺点也极大限制了 CPT的临床应用。因此，针对提高CPT稳定性、水溶性及靶向性的改性研究对推广CPT的临床应用具有重要意义。本文主要介绍了最近几年关于喜树碱改性方面的一些工作，包括针对CPT的A、B和内酯E环上活泼氢改性得到的小分子衍生物及前体药物，以及利用共价或非共价键合作用设计合成的聚合物或天然大分子以及胶束等可担载喜树碱的给药系统等 关键词：抗肿瘤药物；喜树碱；作用机理；改性

?? ?? 喜树为山茱萸目珙桐科乔木植物，是我国特有的一种高大落叶乔木，广泛分布于长江流域及西南各省区。1966年美国的Monroe E. Wall首次从喜树茎的提取物中分离出喜树碱(camptothecin,CPT)，随后人们研究发现喜树碱对胃肠道肿瘤、膀胱癌、肝癌和白血病等恶性肿瘤[9]均有一定疗效。但它也产生了一定的副作用包括骨髓抑制、呕吐、腹泻和严重的出血性膀胱炎等，在随后的十多年间相关研究大大减少，临床应用几乎陷入停顿。直到1985年发现喜树碱能阻断拓扑异构酶Ⅰ(TopoⅠ)的合成，TopoⅠ是一种与细胞分裂密切相关的一种酶，阻断这种酶的产生即可阻止癌细胞的生长，说明喜树碱的作用靶标是TopoⅠ而不是拓扑异构酶Ⅱ( TopoⅡ)，这正是喜树碱独特的抗癌机制，从而使喜树碱的研究进入了一个全新的阶段。喜树碱衍生物类化合物已成为继紫杉醇[16]之后另一种天然植物来源的最重要的抗癌药，目前美国、日本、法国、德国、韩国和意大利的喜树碱及其衍生物研究在世界上处于领先地位。本文主要从喜树碱小分子改性衍生物以及大分子共价或非共价键修饰的载药体系两个方面出发，综述了喜树碱功

能化改性的研究进展及发展趋势望。 1 喜树碱的理化性质 1.1喜树碱的分子结构

喜树碱的分子式为C2OH16N2O4，分子量348.34，由4个六元环和1个五元环构成，且在E环有1个不对称中心(20S构型) (图1)。化学名为(S)-4, 9-二羟基-4-乙基1H-吡喃-(3',4',6,7)氮茚(1,2b)-喹啉-3,14-(4H,12H)-二酮，属于喹啉类生物碱[5]。

图1 ?? 喜树碱的环结构和碳序号

1.2 CPT的理化性质??

喜树碱为淡黄色针状晶体，熔点高达264~267℃；喜树碱类生物碱不溶于水，难溶于一般溶剂，可溶于氯仿、乙醇、乙酸、乙酸乙酯。喜树碱的化学性质也不同于普通的生物碱,其没有明显的碱性，属于中性的喜树碱[1]。与一般生物碱试剂无反应，如常用的检测试剂：得拉盖道夫(Dragendorft用碘化铋钾试验生物碱形成特性及加成化合物的结晶)和苯酚(FeCl3)试剂，呈阴性；吲哚分析，负反应；与各种酸不形成结晶盐；也不能用重氮甲烷或二甲基硫酸酯进行甲基化；其内酯环可被氢氧化钠在室温下打开生成盐，酸化后又重新生成喜树碱，溶于硫酸显黄绿色，紫外线下显黄绿色荧光。喜树碱易转化成乙酯或氯代乙酯，氯代乙酯与碘化钠-丙酮反应形成碘代乙酯[7]。 2 喜树碱抗癌作用机理

虽然喜树碱存在着诸多不利于临床推广使用的缺点，然而20世纪80年代，

喜树碱独特的抗癌机理：与DNA 的拓扑异构酶Ⅰ作用，影响DNA的复制和RNA 的转录过程的发现使其再度被认为是一类具有良好应用前景的抗癌药物而得到广泛研究。

DNA拓扑异构酶存在于细胞核中，可与DNA主链上的磷酸二酯基团共价结合形成可瞬间断裂的二元复合物，连接键的断裂将超螺旋DNA结构中的扭力释放出来，进而形成具有正常拓扑结构的DNA链。根据拓扑异构酶是与单链还是双链DNA作用将其分为topⅠ型和topⅡ型。目前发现的抗癌药物主要都是与Ⅱ型DNA拓扑异构酶作用，而喜树碱则是唯一一种得到广泛研究的Ⅰ型DNA拓扑异构酶抑制剂[2-4]。

在DNA的复制和RNA的转录过程中，型拓扑异构酶的酪氨酸羟基与单链DNA上的3'-磷酸盐反应，进而形成可分裂的二元复合物。正常情况下，该连接键会瞬间断裂，从而完成DNA的复制或RNA的转录。但是，当喜树碱等topⅠ抑制剂存在时，会与DNA-topⅠ二元复合物非共价结合，形成CPT-topⅠ-DNA三元复合物，长时间作用会使细胞复制过程出现致命的此类三元复合物，结果导致细胞凋亡。由于CPT抗癌机理的独特性以及作用过程中不需要能量辅助因子ATP或NAD等，其应用前景被广泛看好。然而，早期的CPT衍生物，如10-羟基-喜树碱，在体外实验中表现出良好的活性，临床效果却较差。后期改性的衍生物如托普替康等对结肠癌等表现出较好的体内抑制活性但对脑癌等效果也较差CPT与拓扑异构酶Ⅰ的作用过程如图2所示[13,14]。

图2 喜树碱抗癌作用机理示意图

3 喜树碱改性

喜树碱改性过程中，必须保持内酯E环的完整性和CPT的(S)-型手性构型。

其中，喜树碱小分子衍生物和大分子给药体系是两种既能保持CPT抗癌活性又能增加水溶性、稳定性，降低毒副作用的改性方法。 3.1 喜树碱小分子衍生物 3.1.1喜树碱A、B、E环的改性

20世纪80年代，随着喜树碱的独特抗癌机理被发现，研究主要集中在对喜树碱活性位点的化学改性上。研究发现，喜树碱A环上的9~12号位氢以及B环上的7号位氢相对较为活泼，在有效催化剂作用下，通过硝化、氧化、取代、酯化反应等可合成较为活泼的喜树碱衍生物。特殊基团的引入不仅可有效改变CPT 的溶解性，增加稳定性，还可以在此基础上进行更多的改性除此之外，桥接键、扩环反应等也常用于喜树碱改性中[6]。与A 、B环相比，喜树碱的CD环较稳定，因而相关改性研究尚未见报道E环的完整性和稳定性是喜树碱发挥抗癌活性的关键因素，但对E环氢的改性较难协调好内酯环稳定性和抗癌活性之间的关系。随后发现20位羟基的酯化反应不仅能提高喜树碱的溶解性和抗癌活性，同时内酯环稳定性也得到极大改善9号位被三级胺取代的托普替康(topotecan)以及7号位和10号位分别被乙基及二哌啶氨基甲酸酯取代的依立替康( irinotecan)是喜树碱小分子衍生物中的成功代表。表1总结了喜树碱A、B、E环小分子衍生物的结构特点及优缺点和应用[8]。近几年关于喜树碱小分子改性方面的研究热情与20多年前相比已有所减少，目前更多的研究集中在对已有的小分子衍生物的临床疗效的测评和治疗方式的优化上。

表1 喜树碱A/B/E环活泼氢改性衍生物的优缺点及其应用

10-OH-CPT 托普替康 结构特点 十号位氢被羟基取代 九号位氢被三级胺取代 依立替康 7号位氢被乙基优点 系统毒性特别是肠胃毒性低 溶解性好，给药方式可多样，毒副作用较低 前药释药机理， 酶催化转化效率高低不均，类胆碱痢疾频发，易生成SN-38G(糖苷化)，毒性大， 易使细胞产生抗药性 9-AC 9号位氢被氨基取代 细胞内外抗癌活性高 毒副作用大 放疗敏化剂 缺点 溶解性不足 水解严重 晚期卵巢癌、小细胞型肺癌 肺癌、脾癌、胰腺癌等消 化系统癌症 应用 取代，10号位氢毒性低，抗癌活被二哌啶氨基性高 甲酸酯取代

9-NC Lurtotecan 9号位氢被硝基取代 7号位氢被甲基哌嗪取代，二亚甲基氧桥接10/11号位 抗癌活性较好 水溶性好 毒副作用小 肠胃毒性低 溶解性低，稳定性低， 放疗敏化剂 毒副作用大 抗癌活性低 10,11- methylenedioxy camptothecin Morpholino camptothecin Exatecan 亚甲二氧基桥接10,11号位 9,10号位被吗 啉环桥接 7,9号位被含氨基的六元环桥接，10、11号位 被甲基和F取代 半衰期降低、AUC降低 酯化后前药体系抗癌效 果好 保持TOPⅠ毒 性的同时，溶解性增大 内酯环稳定性高，水溶性高 I、II期临床实验数 据不理想 非小细胞肺癌/卵巢癌/子宫内膜癌/肝癌/胸腺癌/小细胞膀胱癌 Belotecan 7号位被N-异丙水溶性好，抗癌氨基乙基取代 活性高，毒副作用较小 7号位被有机硅烷取代 六元内酯环变为七元β内酯环 可穿越血脑屏障，口服给药 内酯环稳定性好

小细胞肺癌，卵巢癌，胃癌 Silatecan Diflomotecan 半衰期较短 病人反应参差不齐 3.1.2 喜树碱的前体药物

小分子前药(prodrug)是一类不同于大分子载药体系的药物改性方式，它一般需要利用人体自身对该前药的某些特殊官能团的刺激响应机制，使小分子前药体系在达到靶向部位之后才将药物释放而小分子则被机体吸收降解。与未改性药物相比，小分子前药不仅降低了药物对正常细胞的毒副作用。增加药物的稳定性和水溶性，同时机体自身代谢使药物释放行为更理想。前药体系的刺激响应机制多种多样，如酶催化型、氧化还原敏感型、pH敏感型等。

已经获得临床应用的依立替康即是一种喜树碱小分子衍生前药体系的成功例子，它利用肿瘤细胞的羧酸酯酶2(hCE-2)含量高于正常细胞这一特点，使前药在hCE-2和肝微粒体(human hepatic microsomes)作用下代谢为7-乙基-10-羟基-喜树碱而发挥药效。肽酶对肽键的敏感释放也是一种常见的前药设计机制。如Henne等设计的叶酸介导的靶向及S~S还原敏感型可控释放的喜树碱前药体系，

也是利用肿瘤细胞内叶酸和谷胱甘肽的过度表达，达到靶向和可控释放的双重功效。

然而由于病人之间的个体差异，使人体内的酶含量也不尽相同，导致病人对酶敏感型前药的反应也参差不齐，对此Ohwada等研究了一种水溶性的pH敏感型前药体系，可获得较为单一的生物学数据，目前正在进行I期临床试验Endo等也设计了一种pH敏感的的前药体系，有望实现临床应用[10]。 3.2 喜树碱的控制释放体系

随着纳米科技的蓬勃发展，纳米材料的小尺寸效应使其穿越人体天然屏障而进入细胞成为可能通过共价或非共价键作用将CPT与这些纳米尺寸的功能性大分子相连，形成纳米载药体系是喜树碱改性的另一重要途径。纳米载药体系一方面可以提高药物稳定性和溶解性及生物利用率，另一方面还可以利用肿瘤细胞对大分子良好的通透效应和对某些修饰基团的靶向选择性，使复合体系进入细胞膜杀死癌细胞。常用到的大分子载药体系主要包括聚合物纳米颗粒、聚合物胶束、水凝胶、微乳液等。 3.2.1喜树碱的纳米微球制剂

用于运载喜树碱的大分子纳米颗粒主要是聚合物，因为聚合物纳米颗粒尺寸可控，结构可自行设计，同时链段上活性位点较多，可进行多样化改性，被广泛用于制备CPT载药系统，比如，线性聚乙二醇(PEG)、聚羟丙甲基丙烯酰胺(PHPMA)、聚丙交酯-聚乙交酯(PLGA)、聚酰胺-胺(PAMAM)、聚乙二醇-聚赖氨酸(PEG/PLL)等[15]。

制备喜树碱-聚合物纳米微球制剂的一般步骤为：先对聚合物和喜树碱分别进行活化，然后各自的活性基团反应形成含可降解的酯键或肽键的纳米微球制剂 载药体系进入人体后发生多肽酶解或水解，而聚合物链段要么被机体降解，要么被肾脏排出体外。选择不同的键合可调控药物的释放速率。

IT-101是第一个进入临床治疗的喜树碱的聚合物类药物载体，它是一种以 PEG和环糊精(CD)为骨架的聚合物载体，以寡聚肽链与CPT键合，形成10nm左右的聚合物-喜树碱纳米链，纳米链自组装成直径为50nm左右的纳米微球。载药微球进入细胞后，酯键被降解而将药物缓慢释放，聚合物则分散为单条链段， 通过肾脏排出体外。

除此之外，具有高稳定性、水溶性、靶向性以及缓控释性的多功能聚合物纳米微球制剂也被设计出来。比如，Minko等对PEG进行纤维素酰化(PEG-biotin) 改性，使肿瘤细胞对生物素酰化的PEG-CPT载药体系的通透性增大，因而对癌细胞杀伤力也更大。为了进一步提高载药量，树枝状聚合物因具有可精确控制其尺寸、形状、密度、极性、溶解性而且功能性基团多、载药量高等特点，也被广泛用于CPT载药体系的制备。

Cheng等用树枝状聚酰胺-胺型(PAMAM)的活泼羧基与胺化的CPT反应制备了高载药量的喜树碱纳米聚合物制剂。由于PAMAM中存在大量的氨基、羧基和羟基，载体极大地改善了CPT的水溶性，提高了内酯环稳定性。为了解决树枝状大分子毒性较大、体内排出困难这一问题，Fox等采用了PEG化的聚赖氨酸(PLL)树枝状大分子纳米微球为载体，具有良好生物相容性的PLL的使用，不仅延长了药物的血液循环时间，还增加了癌细胞对复合载药体系的摄取量，对结肠癌的治疗效果甚至超过了依立替康[17]。 3.2.2 喜树碱的胶束制剂

胶束是由两亲性物质通过亲疏水作用自组装形成的，被认为是一种新型的载药体系(图3)。胶束的核壳结构使疏水药物包裹在疏水核中，增加了药物的溶解性和稳定性。直径小于100nm的胶束还显示出良好的细胞通透效应(EPR)，即可通过渗透作用进入脉管，从而使细胞对药物的摄取效率大大增加。

图3 喜树碱的胶束类载药体系的释药过程示意图

含有两亲性链段的嵌段共聚物胶束是一类研究较为深入的载药胶束，具有良好生物相容性的PEG聚氨基酸等常作为亲水链段，聚戊内酯、聚乙丙交酯、改性壳聚糖等作为疏水链段。通过在聚合物链段上加入一些靶向基团和刺激响应型链段，可以实现载药胶束的靶向性和优良的可控释放，比如，Min等设计了一种基于肿瘤部位pH敏感可控释放的可降解胶束。使用甲氧基化的聚乙二醇(MPEG) 作为亲水基团，可降解的聚-β-氨基酸酯作为可降解疏水基团，该体系只对肿瘤细胞的酸性环境敏感，因而具有肿瘤靶向功能。与单纯的CPT或PEG-PLLA载CPT胶束相比，该体系对荷乳腺癌细胞的小鼠的疗效更好而毒副作用小。

然而，随着CPT含量的增加，胶束溶解性急剧下降、直径迅速增大、稳定性变差，因此提高胶束的稳定性和载药量是胶束类载药的研究热点。为此，Fan等设计了一种以CPT自身作为疏水链段的载药胶束，以提高胶束的载药量。他们通过酯键将疏水药物CPT与亲水链段连接，形成胶束后，再对CPT进行载药， 以提高载药量。除此之外，混合胶束也是一种提高胶束载药量和稳定性的较好选择，与单一胶束相比，由两种或以上的胶束混合形成的混合胶束具有稳定性高、载药量大的特点。Gao等利用维生素E聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS，一种维生素E 的聚乙二醇衍生物)与聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷( PEO-PPO-PEO)形成混合胶束，用于包裹CPT，发现当PEO-PPO-PEO与TPGS的摩尔比大于3∶7时，体系稳定性和载药量明显提高，载药体系对MCF-7肿瘤细胞的体外杀伤作用强，这是因为TPGS中的芳香环使药物与胶束核之间的疏水作用力加大，从而增大了胶束担载，提高了稳定性。

Sawant等做了大量关于将混合胶束用作疏水药物载体的相关工作，他们设计了一种具有免疫特性的混合胶束用于包载CPT(图4)：首先合成两亲性聚合物聚乙二醇-磷脂酰乙醇胺(PEG-PE)，:然后与维生素E血清抗核单克隆抗体和CPT 混合制备载药胶束，胶束表面的抗体能使药物准确定位于癌细胞，因此，抗癌药效比普通胶束载体体系甚至比单独的CPT更强[11]。

图4 混合胶束载药体系

3.2.3 喜树碱的水凝胶类制剂

水凝胶也是一类常用的药物载体，因为它含水量高，具有固有的亲水性，同时与人体组织结构极其相似，因而生物相容性好。载药体系通过植入或原位注射的方式进入体内，当凝胶结构发生变化时，体系担载的药物实现可控释放。为了提高水凝胶载药体系对喜树碱的吸附力和载药量，一般是先将CPT与合适的表面活性剂或胶束混合，或在凝胶聚合物链段上引入疏水基团，增加CPT的附着力，然后再与水凝胶复合。

在众多聚合物水凝胶中，聚多糖如琼脂、角叉胶、改性纤维素、壳聚糖等天然高分子因其无毒生物相容性良好、可降解等诸多优点，常被用于喜树碱水凝胶制剂的研究。原位注射型水凝胶因为操作方便、无手术创伤等优点逐渐被越来越多的人关注，其中最常用的是嵌段共聚物水凝胶。Ozeki等制备的可注射型温敏性凝胶聚合物溶液(TGP)，用于包载喜树碱的PLGA纳米微球，并用于小鼠恶性神经胶质瘤的治疗，该凝胶载药体系能够使药物长效释放，并能增加CPT的抗癌活性[17]。

然而，对增溶改性后的CPT衍生物如托普替康等制备水凝胶载药制剂时， 水凝胶内含有的大量的水和大孔结构会使药物快速释放。为此，Lalloo[18]等设计了一种两相的可注射型水凝胶载药体系，用于亲水的喜树碱小分子衍生物托普替康的载运。他们首先利用胆固醇和硫酸胺制备出纳米尺度的脂质体，装载上托普替

康后，与含PEG的聚合物溶液混合，加入交联剂即可实现托普替康在水凝胶内的持续可控释放。

3.2.4 CPT-脂质体类大分子载药体系

脂质体也是一类常用的疏水药物载体 早期的喜树碱的脂质体载体大多是心磷脂、鞘磷脂、卵磷脂、胆固醇等天然脂质体，在增加CPT及其衍生物的溶解性内酯环稳定性等方面取得了较好的效果。随后，一些全合成的脂质体也逐渐发展起来。按照用于喜树碱及其小分子衍生物的脂质体形态特点又可以将其分为固体脂质纳米粒、纳米脂质载体、脂质乳剂等Huang等比较了这3类脂质体作为喜树碱载体的优缺点，发现由甘油棕榈酸硬脂酸酯(PrecirolATO5)与水溶性乳化剂Myverol制备得到的固体脂质纳米粒因具有良好的持续释药、高效的细胞杀伤性能、较低的溶血性和高载药量而可作为CPT的脂质体类载药体系。

最近，Shen等提出了一种多功能、类脂质体胶囊载药体系。该体系以CPT作为疏水链，以寡聚PEG为亲水头，以减少载药体系中不必要的惰性成分，该体系不仅可以作为CPT的前药发挥抗癌活性，同时作为纳米胶囊，对喜树碱的载药率高达58%，并能用于如盐酸阿霉素(DOX HCl)等亲水药物的包裹[12]。 3. 3 其他的喜树碱功能化改性研究

在制备喜树碱大分子给药系统时，环糊精、壳聚糖等天然高分子材料因良好的生物相容性也常被用于喜树碱改性研究。除此之外，一些新颖的方式和概念也被用以指导CPT的功能化改性，如Tan等制备了金纳米粒子做为CPT的载体；Li等为了利用不同药物对癌细胞的协同作用，采用联合用药的方式以提高喜树碱疗效。 4 结语

喜树碱因其具有特殊的抗癌作用机理和良好的广谱抗癌活性而得到了广泛的研究：一方面通过对CPT 活性位点改性，制备了大量的CPT小分子衍生物；另一方面通过共价键或非共价键作用将CPT固定在药物载体上，形成多功能载药体系CPT改性后不仅提高了药物的溶解性和稳定性，同时减少了药物对机体的毒副作用，增加了药物的血液循环时间，有的甚至具备靶向性和可控释放的功能。

然而，除了少数CPT衍生物及其大分子载药体系以外，只有少数的CPT衍

生物和载药体系已经进入到了临床实验阶段，其中的大多数的细胞实验和动物实验效果不太理想，体内分布和药效发挥机理也不甚清楚。因此，在CPT及其衍生物和复合物广泛用于临床之前，仍需要大量的细致的研究工作。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8ih5.html