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咪唑类氮氧自由基（Imidazole nitroxyl nitroxide radicals）是一类既含有氮氧自由基（N-O·），又含有氮氧偶极(+N-O－)的新型双官能团结构。本论文设计合成了10个咪唑类氮氧自由基，研究了其在抗肿瘤、抗柯萨奇病毒和防辐射方面的生物学性质，并初步探讨作用机制，为开发此类新药奠定了理论基础和提供了实验数据。1．本论文共合成了10个咪唑类氮氧自由基，其中有5个未见文献报道的新结构，对其合成路线进行了优化，关键步骤进行了讨论，为进一步的生物学性能研究提供实验药物。具体为，设计合成了以四氢吡咯为手性骨架，手性碳原子与氮氧自由基官能团直接相连的自由基L-1，D-1；设计合成了以四氢吡咯为手性单元，手性碳原子与氮氧自由基官能团之间有苯氧键桥连的自由基L-2，D-2；L-3，D-3；设计合成了以手性1-苯基乙胺为单元的自由基R-4, S-4；设计合成了以5-F尿嘧啶为取代基的5F-1和以苯酚为取代基的Ph-1。分别用元素分析、IR、HRMS、EPR光谱手段对这些药物分子进行了结构表征，培养和解析了其中1个的单晶结构；CD光谱研究表明，氮氧自由基L-1/D-1、L-2/D-2、L-3/D-3和R-4/S-4为对映异构体。2．对所合成的咪唑类氮氧自由基进行体内外抗肿瘤实验研究（1）通过体外MTT实验考察了氮氧自由基对7种肿瘤细胞的抑制作用，筛选出了两个优势结构咪唑氮氧自由基5F-1和Ph-1，发现其对乳腺癌和胃癌细胞的作用效果尤为显著。以多烯紫杉醇（DOC）为阳性对照组，研究了自由基5F-1和Ph-1对人乳腺癌细胞MDA-MB-231的作用。分别进行了流式细胞术检测细胞周期、流式细胞分析细胞凋亡、透射电镜观察药物对细胞超微结构的影响、细胞黏附实验、细胞侵袭实验和划痕实验。上述实验结果显示，咪唑类自由基5F-1和Ph-1均对乳腺癌细胞MDA-MB-231的增长抑制效果显著，Ph-1实验组多数实验效果与多烯紫杉醇相当，部分实验效果优于多烯紫杉醇。（2）对咪唑类氮氧自由基5F-1，Ph-1进行体内抗肿瘤药效学研究。构建了人乳腺癌（MDA-MB-231）裸鼠移植瘤动物模型；考察了咪唑类自由基5F-1，Ph-1对肿瘤的抑制作用；用TUNEL法检测细胞凋亡考察了5F-1，Ph-1对诱导细胞凋亡的影响；研究了5F-1，Ph-1对荷瘤小鼠肿瘤组织微血管密度(MVD)的影响。上述实验结果显示，咪唑类自由基Ph-1实验组对裸鼠肿瘤生长的抑制作用整体上强于多烯紫杉醇对照组，5F-1实验组在中剂量时（40mg/kg）的部分实验效果与多烯紫杉醇中、低剂量组（40mg/kg，20mg/kg）无显著性差异。与空白组相比，5F-1，Ph-1实验组可显著降低荷瘤鼠肿瘤组织微血管密度(MVD)，对肿瘤新生血管的形成有显著的抑制作用（P<0.05）。3．通过柯萨奇B3病毒感染原代培养大鼠乳鼠心肌细胞的方法建立了病毒性心肌炎体内、体外实验模型；研究了氮氧自由基L-1及L-2体外和体内抑制CVB3作用；研究了氮氧自由基L-1及L-2体外清除ROS作用。上述结果显示，这两种氮氧自由基都能够有效清除心肌细胞内的活性氧物质，提高细胞的存活率，使感染CVB3后的小鼠的死亡率大大降低，有效减少感染小鼠心肌酶AST、LDH、CK的释放量，调节SOD、MDA、CAT的活性，具有明显的体内外抑制CVB3的作用，对于减轻氧自由基引起的病毒性心肌炎具有一定的治疗作用。4．对5个氮氧自由基（L-3/D-3、Ph-1和R-4/S-4），进行体外防辐射研究，筛选出含羟基的三个优势结构L-3/D-3和Ph-1，其中L-3，D-3优于Ph-1；对优势结构（L-3/D-3）进行整体动物体内防辐射研究。上述结果显示，与PBS对照组相比，L-3/D-3、Ph-1和R-4/S-4对大鼠神经胶质瘤C6细胞在低于60μg/mL浓度时均无明显的毒害作用。通过对大鼠神经胶质瘤C6细胞的辐射防护作用研究证明，自由基L-3/D-3具有较好的防辐射作用。整体动物实验结果显示，在6.5Gy γ辐射强度下，L-3和D-3防辐射效果没有显著性差别；在7.5Gy γ辐射强度下，L-3用药组小鼠存活率高于D-3用药组，且同等剂量下与WR2721相比，防辐射效果无显著性差异。L-3/D-3自由基的有效防护剂量均在毒性剂量作用之下。