苯并咪唑類PI3Kδ 抑制劑的3D－QSAR 研究

王 婷

(佳木斯市婦幼保健院，黑龍江佳木斯 154002)

PI3K 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是許多生命活動(dòng)中關(guān)鍵的信號(hào)分子，調(diào)節(jié)細(xì)胞的分裂、分化、凋亡等活動(dòng)，可誘發(fā)卵巢癌、乳腺癌［1］、惡性膠質(zhì)瘤［2］等多種癌癥。如果對(duì)PI3K 進(jìn)行抑制，去磷酸而使其降解，可以阻斷Akt 及其下游效應(yīng)分子的有效活化［3］，從而抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。因此，以PI3K為靶點(diǎn)進(jìn)行的抗腫瘤藥物研究近來(lái)備受關(guān)注。苯并咪唑類化合物尤其是ZSTK474 化合物對(duì)PI3Kδ 具有很強(qiáng)的抑制作用［4］，是新型的PI3K 競(jìng)爭(zhēng)性ATP抑制劑，在小鼠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中ZSTK474 顯示出很強(qiáng)的抗腫瘤活性，毒性程度中等，可以口服［5］。目前，雖然已合成一些苯并咪唑類化合物，但是由于不清楚其構(gòu)效關(guān)系，合成具有盲目性，實(shí)驗(yàn)量大，且抑制效果不顯著。迄今為止，達(dá)到臨床應(yīng)用階段的抑制劑還很少。通過(guò)三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D－QSAR)方法研究藥物的三維定量構(gòu)效關(guān)系，可以篩選能夠提高配體化合物生物活性的取代基及取代位點(diǎn)，有目的地尋找最佳配體化合物結(jié)構(gòu)，增加與受體結(jié)合的幾率，提高藥物研發(fā)的效率。

1 方法

1.1 模板選取與分子疊合

采用Sybyl8.1分子模擬軟件包中比較分子力場(chǎng)分析法(CoMFA)的模塊，根據(jù)文獻(xiàn)［4］選取ZSTK474 等一系列對(duì)PI3Kδ 有活性作用的化合物共22個(gè)結(jié)構(gòu)，分成兩組訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集。以化合物ZSTK474 的結(jié)構(gòu)作為模板分子，運(yùn)用Tripos 力場(chǎng)對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)采用Powell 方法優(yōu)化1000 輪，并采用Gasteiger－Hückel 法進(jìn)行電荷計(jì)算。以+1 價(jià)sp3雜化的碳原子作為探針對(duì)分子力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，步長(zhǎng)為0.2nm，其余參數(shù)均為缺省值。優(yōu)化后的分子構(gòu)象作為活性構(gòu)象，其它化合物在模板分子的基礎(chǔ)之上進(jìn)行取代基變換再優(yōu)化，并且也采用分子力學(xué)方法，選用Tripos 力場(chǎng)優(yōu)化，得到各個(gè)分子的穩(wěn)定構(gòu)象。疊合時(shí)選取苯并咪唑環(huán)結(jié)構(gòu)作為公共骨架(圖1)，將所有化合物的公共部分均與模板分子的基本骨架相重疊(圖2)。

圖1 公共骨架結(jié)構(gòu)

1.2 CoMFA 模型的建立

疊合后采用偏最小二乘法進(jìn)行分析(PLS)。將疊合好的分子結(jié)構(gòu)放置于一個(gè)三維的網(wǎng)格中，采用Tripos標(biāo)準(zhǔn)力場(chǎng)，力場(chǎng)類型為立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)。分子力場(chǎng)計(jì)算以+1 價(jià)sp3雜化的碳原子作為探針，步長(zhǎng)為0.2 nm，其余參數(shù)均為缺省值。交叉驗(yàn)證采用leave－one－out(LOO)模式，得到相應(yīng)的最佳組成分?jǐn)?shù)n和交叉驗(yàn)證系數(shù)q2。一般認(rèn)為，交叉驗(yàn)證系數(shù)q2值大于0.5時(shí)，模型具有可信的預(yù)測(cè)能力。接著通過(guò)已獲得的最優(yōu)組分?jǐn)?shù)通過(guò)非交叉驗(yàn)證進(jìn)行回歸計(jì)算，建立相應(yīng)的CoMFA 模型，并采用stdev* coeff 的方法來(lái)顯示三維等值線圖。

圖2 (a)模板分子(化合物ZSTK474)和(b)苯并咪唑類化合物分子疊合圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 CoMFA 模型

統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)如下:q2=0.702，最佳組分?jǐn)?shù)n=4。建立CoMFA 模型的結(jié)構(gòu)及活性值見(jiàn)表1。傳統(tǒng)相關(guān)系數(shù)r2=0.981，F(xiàn)=104.661，標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=0.211。立體場(chǎng)(S)和靜電場(chǎng)(E)的貢獻(xiàn)分別是0.393和0.607。

表1 ZSTK474 系列化合物分子結(jié)構(gòu)及其PI3Kδ 抑制活性值

2.2 CoMFA 模型的三維等值線圖

比較分子場(chǎng)分析(CoMFA)模型中包括立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)，主要用來(lái)分析化合物中立體空間和正負(fù)電荷對(duì)取代基團(tuán)所產(chǎn)生的影響。CoMFA 模型立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)(以化合物ZSTK474為參考分子)的三維等值線圖，如圖3。綠色和黃色彩塊代表立體場(chǎng)特征，綠色模塊表示在該區(qū)域增大取代基的體積有助于增加化合物的生物活性，而黃色模塊則說(shuō)明在該區(qū)域加入小體積的基團(tuán)將有助于提高化合物的生物活性。藍(lán)色和紅色彩塊代表化合物的靜電場(chǎng)特征，藍(lán)色模塊表明增加正電性基團(tuán)有助于提高化合物的生物活性，而紅色模塊則代表增加負(fù)電性基團(tuán)有助于化合物生物活性的提高。

圖3 (a)立體場(chǎng)的三維等值線圖(化合物ZSTK474)和(b)靜電場(chǎng)的三維等值線圖(化合物ZSTK474)

2.3 QSAR 模型的驗(yàn)證

使用訓(xùn)練集所建立的CoMFA 模型，對(duì)訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集中的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行活性預(yù)測(cè)，從而驗(yàn)證已經(jīng)建立模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力。其中，17個(gè)訓(xùn)練集化合物和5個(gè)預(yù)測(cè)集化合物的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)值及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果值均列于表2。圖4 列出了化合物活性的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)圖，所有數(shù)據(jù)都分布在直線的兩側(cè)，相關(guān)系數(shù)值是0.981，大于0.900，這說(shuō)明所構(gòu)建的模型具有較好的相關(guān)性。結(jié)果證明此模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，則設(shè)計(jì)新型藥物結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠用來(lái)預(yù)測(cè)和苯并咪唑類分子結(jié)構(gòu)相似的化合物的生物活性。

表2 CoMFA 模型中化合物活性的實(shí)驗(yàn)值、預(yù)測(cè)值及其差值

Residual=pIC50(Act.)－pIC50(pred.)

4 CoMFA 模型中活性的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比曲線

3 討論

苯并咪唑類PI3Kδ 抑制劑的3D－QSAR 研究表明，CoMFA 模型的交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)為0.702，大于0.5，模型具有較好的預(yù)測(cè)能力;非交叉驗(yàn)證回歸得到的PLS 結(jié)果，擬合的相關(guān)系數(shù)為0.981，大于0.900，模型具有較好的相關(guān)性。可將苯并咪唑母環(huán)的4 位修飾成小體積、正電性基團(tuán);在6 位由大體積、負(fù)電性的基團(tuán)進(jìn)行取代，以提高抑制劑的生物活性。以上關(guān)于結(jié)構(gòu)修飾的2個(gè)條件可單獨(dú)存在，亦可同時(shí)滿足。本文的研究結(jié)果對(duì)此類抑制劑的研制和開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

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