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针对肿瘤特异性靶蛋白设计合成基于新的药理机制的小分子抗肿瘤药物已成为靶向抗肿瘤治疗的热点。小分子Bcl-2蛋白抑制剂是其中一类重要的靶向抗癌药。本论文首先通过构效关系分析(SAR)阐明了3-硫吗啉基-8-氧-8H-苊并[1,2-b]吡咯-9-腈(S1)与Mcl-1/Bcl-2两个蛋白的结合模式。通过基于蛋白三维结构的计算机辅助模拟对接实验、衍生物构效关系研究、蛋白内源荧光实验和二维核磁共振实验(2D-NMR),得出了S1作为双抑制剂的分子基础：第一,α氰基酰胺片段中的羰基,模拟Bim BH3肽段中天冬氨酸(D67)残基,分别与Mcl-1蛋白中的精氨酸残基(R263)和Bcl-2蛋白中的精氨酸残基(R146)形成氢键网络；第二,硫代吗啉环片段模拟BimBH3肽段的亮氨酸(L62)残基,占据Mcl-1/Bcl-2蛋白的p2疏水口袋。在此过程中,设计合成了两个nM级的Mcl-1/Bcl-2的双抑制剂3-(4-氨基苯巯基)-8-氧-8H-苊并[1,2-b]吡咯-9-腈(B8)和3-(4-溴苯巯基)-8-氧-8H-苊并[1,2-b]吡咯-9-腈(B9)。B8对Mcl-1/Bcl-2的ICso值分别达到5 nM和302 nM。相比S1的亲和力提高了7倍。在SAR的基础上,利用fragment-based方法,研究了Mcl-1蛋白抑制剂的分子优化路径,总结了hit-to-lead的路径特征,得到了蛋白质抑制剂优化公式ΔG=ΔG0+Vx×(HAC-HACo)(ΔGo和ΔG优化前后的结合自由能；Vx蛋白优化效率；HACo和HAC优化前后的重原子数)。首次得到不论hits的效率多高,Mcl-1蛋白优化效率都应该达到0.17kcal mol-1 per additional HAC这一结论。在此指导下,最终得到一个亲和力更强、水溶性更好的新的Mcl-1蛋白抑制剂(E,E)-2-(苯甲基氨基羰基)-3-苯乙烯基丙烯腈(4g,MW:288, CLogP:3.5,Ki:5nM)。4g对Mcl-1的亲和力(Ki=5 nM)与S1相比较提高了十倍,水溶性大约提高了100倍(37℃,水中的溶解度30mg/100mL)。化合物4g不仅具有绝对依赖Bcl-2通路诱导肿瘤细胞凋亡的特征,并且表现出高效抗癌的活性,能够在皮下荷肝癌细胞的模型小鼠体内达到56%的抑瘤率。