影響1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類HIV整合酶鏈轉移抑制劑抗整合酶鏈轉移活性的主要因素

康家雄,李愛秀,靳玉瑞

目前，人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)感染引起的艾滋病(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)嚴重威脅人類健康。HIV整合酶(integrase, IN)是病毒復制過程中的關鍵酶，負責將病毒RNA經(jīng)反轉錄合成的雙鏈DNA整合到宿主細胞DNA中，該整合過程包括3′-加工(3′-processing,3′-P)和鏈轉移(strand transfer, ST)階段。近年來，病毒DNA與宿主DNA連接的ST階段是以IN為靶標開發(fā)抗HIV藥物的關注熱點，現(xiàn)已有5個整合酶鏈轉移抑制劑(integrase strand transfer inhibitors, INSTIs)被FDA批準用于治療AIDS患者/HIV感染者，包括第一代雷格特韋(raltegravir, RAL)、埃替格韋(elvitegravir,EVG)和第二代多替拉韋(dolutegravir, DTG)、比特拉韋(bictegravir, BIC)和卡博特韋(cabotegravir, CAB)。通過對INSTIs療效和耐藥性的研究表明，RAL和EVG因低耐藥基因屏障和強交叉耐藥性導致療效受限，DTG、BIC和CAB具有相對較好的耐藥基因屏障，對部分RAL/EVG耐藥突變毒株仍具有一定的抑制效力。HIV作為一種高變異性RNA病毒，易對包括INSTIs在內(nèi)的抗HIV藥物產(chǎn)生耐藥性，尤其是交叉耐藥性，增加了AIDS患者治療失敗、疾病進展及死亡的風險。因此，開發(fā)低毒、高效、選擇性強的新型INSTIs具有重要意義。1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺因細胞毒性低、選擇性指數(shù)高且對RAL/EVG/DTG耐藥突變毒株具有高抑制效力，近年來已成為研發(fā)INSTIs極具吸引力的結構母核。本研究采用遺傳函數(shù)逼近法(genetic function approximation, GFA)構建了10個1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs的二維定量構效關系(2d-quantitative structure-activity relationship, 2D-QSAR)模型，選出最優(yōu)模型，探討影響抑制劑抗INST活性的主要微觀結構因素。

1 材料與方法

1.1 選擇軟件 CambridgeSoft公司開發(fā)的Chem Draw 16.0軟件，IBM公司開發(fā)的SPSS Statistic 22.0軟件，Accelrys公司開發(fā)的Discovery Studio 2.5軟件，Graphpad公司開發(fā)的Prism 7.0軟件，和Tripos公司開發(fā)的SYBYL8.1軟件，Chemical Computer Group公司開發(fā)的MOE2009.10軟件。

1.2 1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs的結構與活性數(shù)據(jù) 采用文獻[14]報道的32個1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs，其化學結構與活性數(shù)據(jù)分見圖1和表1。將所有抑制劑的活性數(shù)值IC轉化成pIC(-logIC)，數(shù)值分布范圍為4.02～8.70，其中IC代表抑制劑抗INST活性的半數(shù)抑制濃度(單位為μmol/L)。

圖1 INS TIs抑制劑的化學結構

表1 INS TIs的抑制劑的實驗值、預測值及殘差

1.3 分子結構優(yōu)化 藥物構象對藥效有較大影響，因技術限制尚未解析出HIV IN全酶晶體結構，未獲取藥物與受體IN結合的活性構象，故采用分子的低能構象作為可能的藥效構象進行替代研究。采用SYBYL8.1軟件對32個化合物進行能量優(yōu)化以得到其低能構象，參數(shù)選擇Powell能量梯度法，Tripos力場，迭代次數(shù)1000，Gasteiger-Huckel電荷，能量收斂限定Gradient為0.001 kal/J。

1.4 描述符選取與數(shù)據(jù)集拆分 采用Discovery Studio 2.5軟件計算32個化合物的電拓撲狀態(tài)、空間等265個描述符，剔除為0的描述符剩117個描述符。利用SPSS Statistic 22.0軟件分析117個描述符的相關性，將相關系數(shù)>0.7的描述符任意擇其一剔除，剩31個描述符用于2D-QSAR研究(表2)。根據(jù)隨機挑選原則，以3∶1的比例拆分數(shù)據(jù)集。其中，訓練集包含24個化合物，用于構建2D-QSAR模型，測試集包含8個化合物，用于驗證2D-QSAR模型的可靠性。

表2 用于構建2D-QSAR模型的描述符

2 結 果

pIC=-2.763+5.9522JX-0.051507Dipole_mag+0.022866Jurs_PNSA_1-0.039667Strain_Energy

公式(1)

表3 最優(yōu)2D-QSAR模型的4個描述符

圖2 訓練集與測試集化合物實驗值與預測值的線性擬合示意圖

3 討 論

1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺因細胞毒性低、選擇性指數(shù)高且對RAL/EVG/DTG耐藥突變毒株具有高抑制效力，近年來已成為研發(fā)INSTIs極具吸引力的結構母核。目前，有關1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs的研究主要集中于結構骨架C-3位側鏈苯基、C-4位、C-6位及C-7位的結構修飾及抗INST、抗HIV的藥理活性測試方面，影響抑制劑抗INST活性的分子微觀結構因素尚不明確。定量構效關系(quantitative structure-activity relationship, QSAR)作為計算機輔助藥物設計的四大核心技術之一，可用于探究藥物微觀結構與生物效應之間的定量關系，現(xiàn)已被廣泛應用于藥物、農(nóng)藥等生物活性分子的合理設計中。本研究選取Zhao等報道的32個1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs為研究對象，采用GFA構建抑制劑抗INST活性與選擇的微觀結構描述符之間的2D-QSAR模型，并基于優(yōu)選的最佳模型探析影響抑制劑抗INST活性的主要微觀結構因素，以期為抑制劑的進一步合理設計與結構修飾提供理論依據(jù)。

從本實驗構建的最優(yōu)2D-QSAR模型見公式(1)可知，描述符JX、Dipole_mag、Jurs_PNSA_1和Strain_Energy是影響1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs抑酶活性的主要微觀結構因素。根據(jù)描述符系數(shù)的絕對值可以看出，JX是影響1-羥基-2-氧-1,8-萘啶-3-甲酰胺類INSTIs抗INST活性的最重要微觀結構因素，而Dipole_mag、Strain_Energy和Jurs_PNSA_1對活性的影響相對較小。Balaban的J指數(shù)是Balaban于1982年根據(jù)Randic聯(lián)通性指數(shù)X的類似形式定義的一種新的拓撲指數(shù)，其特點是簡并度較低、結構選擇性高。該指數(shù)是建立在分子圖加權后的距離矩陣基礎上而構造產(chǎn)生的，對芳香鍵與單鍵予以區(qū)分，其能較為全面地反映分子的構造結構信息。JX屬于Balaban的J指數(shù)，其與活性成正相關性，且相關系數(shù)的絕對值最大，意味著增大該參數(shù)值能顯著提高抑制劑的抗INST活性(如化合物10>化合物16)。Dipole_mag是指分子摩爾偶極距，其與活性成較小的負相關性，其顯著增大表明對活性不利(如化合物3<化合物30)。Strain_Energy即應變能又稱變形能，是指以應變和應力的形式貯存于分子內(nèi)部的勢能，其與活性成較低負相關性表明分子中增加該值對活性不利(如化合物12<化合物2)。分子局部電荷表面Jurs參數(shù)是由原子的部分電荷映射到原子的溶劑可及表面積上計算得出的，該套參數(shù)結合了分子形狀和電子信息等特征，常用于表征分子在生物體內(nèi)的傳輸特性。屬于分子局部電荷Jurs參數(shù)的Jurs_PNSA_1是指分子中部分負電荷原子的溶劑可及表面積的總和，與活性成正相關，表明增大該值可提高抑制劑的抗INST活性，但其相關系數(shù)的絕對值最小，故對抑制劑抗INST活性影響很小(如化合物22>化合物20)。