抗阿爾茨海默病噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略及構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展

史大華,鄒靖培,張笑清,張釗源, 韓抒彤

(江蘇海洋大學(xué) 藥學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

阿爾茨海默病 (alzheimer’s disease,AD) 是一類極為常見且不可逆的慢性神經(jīng)退行性疾病,其主要特征為膽堿能神經(jīng)元的凋亡,隨后乙酰膽堿(acetylcholine,ACh)介導(dǎo)的神經(jīng)傳遞的減弱[1].臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性的記憶缺陷、認(rèn)知下降、言語障礙、情緒不穩(wěn)定以及生活自理能力的喪失[2-3],這類疾病無疑會(huì)給人們及社會(huì)帶來沉重的負(fù)擔(dān)[4].21世紀(jì)是人口老齡化的時(shí)代,隨著老年人口比重的持續(xù)上升,AD也不可避免地成為了當(dāng)今主流疾病之一.雖然近年來醫(yī)療水平大幅提升,但AD依然無法根治,目前可用的治療方法也只能緩解癥狀或者控制疾病的發(fā)展,而且這些方法也寥寥可數(shù).

AD的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜多樣,針對(duì)其可能的機(jī)制人們提出了如下幾種假說:膽堿能假說[5]、β-淀粉樣蛋白(Aβ)級(jí)聯(lián)假說[6]、Tau蛋白假說[7]、氧化應(yīng)激假說[8]、金屬離子紊亂假說[9]和炎癥假說[10]等.目前,對(duì)于AD的治療,大多是通過他克林(tacrine)、鹽酸多奈哌齊(donepezil hydrochloride)、酒石酸卡巴拉汀(rivastigmine tartarate)和加蘭他敏(calanthamine)等幾種已被FDA批準(zhǔn)上市的藥物來抑制乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase,AChE),進(jìn)而增加大腦中的膽堿能神經(jīng)的傳遞[11].但是,這些藥物并不能阻止中樞膽堿能神經(jīng)元的進(jìn)行性退化死亡,隨著耐藥性的出現(xiàn)以及受到毒副作用的限制,它們的藥效會(huì)逐漸降低,其中他克林因?yàn)槠鋰?yán)重的毒副作用(如肝毒性和胃腸道拮抗作用)于2013年已退出藥物市場(chǎng)[12].由于AD多樣化的發(fā)病機(jī)制,開發(fā)具有多種效力的新型抗AD藥物變得愈發(fā)重要[13-16].多靶點(diǎn)定向配體(multi-target-directed Ligands,MTDLs)策略現(xiàn)已被許多研究小組應(yīng)用,一些具有抗AD潛力的MTDLs候選藥物目前正在開發(fā)中,并已達(dá)到臨床實(shí)驗(yàn)階段[17].

噻唑(thiazole)在五元雜環(huán)化合物中占據(jù)著重要地位,它是包括抗生素在內(nèi)的許多藥物的關(guān)鍵藥效團(tuán)之一[18].噻唑類化合物的生物學(xué)活性極為廣泛,包括抗癌[19]、抗菌[20]、抗驚厥[21]、抗病毒[22]和抗膽堿酯酶活性[23]等.研究表明,噻唑環(huán)上不同的位置引入不同的取代基團(tuán),其衍生物的活性也不同,因此,越來越多的藥物化學(xué)工作者將目光投入到噻唑類化合物的研究中.現(xiàn)階段,一種噻唑衍生物阿考替胺已作為一種新型的選擇性AChE抑制劑,用于治療功能性消化不良,這一進(jìn)展促進(jìn)了噻唑衍生物作為膽堿酯酶抑制劑的研究[24].基于這些特點(diǎn),噻唑衍生物對(duì)于AD的治療也展現(xiàn)出了巨大的潛力.具有抗AD功能的噻唑衍生物的設(shè)計(jì)大多是以多奈哌齊為關(guān)鍵模型,或者以本身具有抗AD活性的化合物為改造前體,基于以AChE為主導(dǎo)的單靶點(diǎn)或者多靶點(diǎn)策略結(jié)合構(gòu)效關(guān)系來進(jìn)行.噻唑作為藥物化學(xué)中的多功能雜環(huán),在先導(dǎo)化合物的鑒定和優(yōu)化以及藥物的生物學(xué)活性和藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用.噻唑的C-5位是親電取代的主要位點(diǎn),C-2位是親核取代的主要位點(diǎn),這也是噻唑環(huán)的2個(gè)主要修飾位點(diǎn).現(xiàn)階段,開發(fā)以噻唑骨架為核心的新型化合物是尋找治療慢性疾病如AD藥物的一個(gè)重要研究方向.本文主要從噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略和構(gòu)效關(guān)系出發(fā),綜述了近年來具有抗AD活性噻唑衍生物的研究進(jìn)展,以期為具有抗AD功能的噻唑類藥物的開發(fā)提供參考.

1 基于AChE的單靶點(diǎn)設(shè)計(jì)策略

過去的20年,AD患者的神經(jīng)遞質(zhì)ACh的比率顯著下降[25].基于膽堿能假說抑制ACh的水解是目前治療AD最主要的治療策略之一[26].膽堿能假說是基于抑制AChE進(jìn)而減少ACh的水解,從而使膽堿能突觸中ACh的水平升高提出的假設(shè)[27].2020年,Xu等[28]基于馬正月等[29]設(shè)計(jì)的具有標(biāo)志性AChE抑制活性的化合物1和Sonmeza等[30]設(shè)計(jì)的具有標(biāo)志性AChE抑制活性化合物2的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,其設(shè)計(jì)策略是以化合物1為修飾前體,保留了具有AChE抑制活性的關(guān)鍵藥效團(tuán)B部分,將A部分的甲基替換為不同的活性取代基,C部分則由吡咯烷基替換為和化合物2的D部分相似的取代苯基,以此合成了一系列氨基噻唑衍生物,如圖1所示.膽堿酯酶活性測(cè)試結(jié)果表明:大部分化合物在體外均表現(xiàn)出一定的AChE抑制活性.構(gòu)效關(guān)系研究表明:當(dāng)E部分的取代基為吡咯烷基,F部分的取代苯基為3,4-二甲氧基苯基時(shí),化合物3對(duì)AChE的抑制作用最強(qiáng)且具備選擇性,半抑制濃度(IC50)為0.66 μmol/L,優(yōu)于卡巴拉汀和石杉?jí)A甲.此外,通過分子對(duì)接研究了這些化合物與AChE的潛在結(jié)合模式,結(jié)果表明化合物3與AChE的結(jié)合能力最強(qiáng),構(gòu)象最優(yōu),結(jié)合能為-11.27 kcal/mol.因此,化合物3可能是一個(gè)治療AD的潛在候選化合物.

圖1 氨基噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[28]Fig.1 Design strategy of aminothiazole derivatives[28]

2016年,Yin等[31]以具有AChE抑制活性D-氨基葡萄糖為母核,引入同樣具有AChE抑制活性的噻唑骨架,在噻唑的4號(hào)位連接不同的取代基,合成了一系列糖基噻唑衍生物,如圖2所示.膽堿酯酶活性測(cè)試結(jié)果表明:大多數(shù)化合物均顯示出了優(yōu)于D-鹽酸氨基葡萄糖的AChE抑制活性,這表明噻唑部分的引入提高了葡萄糖胺單元的AChE抑制活性.其中,含有4-硝基苯基的化合物4表現(xiàn)出最佳的AChE抑制活性,體外AChE抑制率為43.21%.基于以上研究,2021年,Wang等[32]以化合物4為前體進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾,保留了具有AChE抑制活性的關(guān)鍵藥效團(tuán)糖基噻唑部分,在噻唑的4號(hào)位引入同樣具有AChE抑制活性的黃酮骨架,合成了一系列氨基噻唑衍生物.構(gòu)效關(guān)系研究表明,當(dāng)黃酮的6號(hào)位為硝基時(shí),化合物5的AChE抑制活性最好,體外AChE抑制率為58.88%,IC50值為19.40 μmol/L.與化合物4相比,化合物5對(duì)AChE的抑制作用有所增強(qiáng),這說明黃酮骨架的引入可以在一定程度上增加化合物對(duì)AChE的抑制作用.

圖2 糖基噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[31]Fig.2 Design strategy of glycosyl thiazole derivatives[31]

2 基于Aβ的單靶點(diǎn)設(shè)計(jì)策略

近年來,金屬基療法在藥物領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的潛力.以金屬為中心的多功能的化學(xué)物質(zhì)可以被用于許多疾病的治療,特別是抗AD的治療[33].金屬基療法利用β-淀粉樣蛋白(Aβ)N端高親和力的金屬結(jié)合位點(diǎn)的存在,可有效地抑制Aβ的聚集并減少其誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性[34].2020年,Huffman等[35]制備了2個(gè)系列噻唑Ru(Ⅲ)配合物6a～6c和7a～7c,如圖3所示,并對(duì)其構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了分析.利用硫黃素T(thioflavin T, Th-T)熒光、動(dòng)態(tài)光散射(dynamic light scattering, DLS)和透射電鏡(transmission electron microscope, TEM)3種檢測(cè)技術(shù),確定了金屬中心周圍的對(duì)稱性對(duì)配合物的活性沒有顯著影響,取代的噻唑配體則是產(chǎn)生Aβ聚集抑制活性的主導(dǎo)因素.構(gòu)效關(guān)系研究表明,具有不同取代基的噻唑配體對(duì)Aβ聚集的抑制活性強(qiáng)弱順序:2-氨基噻唑 >2-甲基噻唑>噻唑.

圖3 噻唑Ru(Ⅲ)配合物結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of thiazole-Ruthenium(Ⅲ)

3 基于AChE和Aβ的雙靶點(diǎn)設(shè)計(jì)策略

圖4 苯基噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[37]Fig.4 Design strategy of phenyl thiazole derivatives[37]

2022年,Karaca等[38]基于具有潛在神經(jīng)保護(hù)活性的化合物9和具有潛在Aβ抑制功能的化合物10的結(jié)構(gòu),選用了2個(gè)化合物共有的關(guān)鍵活性藥效團(tuán)苯并噻唑作為主體骨架;基于多奈哌齊能與AChE的CAS活性位點(diǎn)相互作用的哌啶部分,選用了與其結(jié)構(gòu)相似的哌嗪為修飾基團(tuán),合成了一系列苯并噻唑衍生物,如圖5所示.評(píng)價(jià)了所有化合物對(duì)膽堿酯酶、單胺氧化酶(MAO)以及Aβ聚集的抑制作用,結(jié)果表明:化合物11a～11f對(duì)AChE和MAO-B具有顯著的抑制作用,并能有效地抑制Aβ的聚集.構(gòu)效關(guān)系研究表明,當(dāng)R1為氫,R2為二甲氨基乙基時(shí),化合物11c顯示出了最強(qiáng)的AChE抑制活性且具有選擇性,其IC50值為0.023 μmol/L,最佳的單胺氧化酶B抑制活性,其IC50值為0.040 μmol/L,并能最大限度地抑制AD患者大腦中積累的淀粉樣斑塊的形成.

圖5 苯并噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[38]Fig.5 Design strategy of benzothiazole derivatives[38]

4 基于AChE和氧化應(yīng)激的雙靶點(diǎn)設(shè)計(jì)策略

抗氧化治療是AD的治療策略之一.研究表明:淀粉樣斑塊的一部分被證明可以產(chǎn)生自由基從而引起氧化應(yīng)激[8].抗氧化治療可以有效地中和自由基,因此對(duì)AD有治療作用.2021年,Mekky等[39]基于文獻(xiàn)報(bào)道的具有顯著AChE抑制活性的化合物4,5,12和13的結(jié)構(gòu),保留了這些化合物的噻唑苯基和噻唑黃酮部分,在其左側(cè)換用了具有良好抗氧化活性的嗎啉骨架,以此制備了2個(gè)系列嗎啉噻唑衍生物14a～14e和15a～15e(如圖6所示).對(duì)這些化合物的AChE抑制活性研究表明,與多奈哌齊(抑制率為92.80%)相比,R基為6-氯和6-溴的化合物15b和15c的AChE抑制率最高,分別為72.30%和71.50%.通過DPPH法測(cè)定化合物15b和15c的抗氧化活性,與抗壞血酸(抑制率為89.50%)相比,化合物15b和15c對(duì)DPPH自由基的清除能力最高,抑制率分別為84.10%和83.20%.

圖6 嗎啉噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[39]Fig.6 Design strategy of morpholinothiazole derivatives[39]

5 基于AChE、Aβ和氧化應(yīng)激的三靶點(diǎn)設(shè)計(jì)策略

2020年,Ghotbi等[40]以多奈哌齊為關(guān)鍵模型設(shè)計(jì)合成了一系列吡啶-噻唑衍生物,該策略是通過雙酰胺鏈將苯基噻唑片段連接到苯基吡啶部分,設(shè)計(jì)了一個(gè)具有2個(gè)藥效團(tuán)的支架,能夠分別與AChE的PAS和CAS活性位點(diǎn)相互作用,如圖7所示.對(duì)合成的化合物進(jìn)行AChE和Aβ聚集抑制能力測(cè)評(píng)結(jié)果表明,大多數(shù)化合物對(duì)BuChE表現(xiàn)出中到低的抑制作用,表明這些化合物對(duì)AChE具有選擇性地抑制作用.構(gòu)效關(guān)系研究表明,具有鹵素的化合物顯示出了更好的AChE抑制活性,當(dāng)R基為氟和溴時(shí),化合物16a和16b的AChE抑制活性最好,IC50值分別為0.40 μmol/L和0.69 μmol/L.酶動(dòng)力學(xué)和分子對(duì)接研究的結(jié)果表明化合物16a和16b是混合型AChE抑制劑,可以與AChE的PAS和CAS活性位點(diǎn)相互作用.此外,化合物16a和16b(抑制率分別為20.38%和42.66%)還顯示出了優(yōu)于多奈哌齊(抑制率為14.70%)的Aβ聚集抑制的作用.氧化損傷模型測(cè)試結(jié)果表明,化合物16b和16c是對(duì)H2O2誘導(dǎo)的 PC12 細(xì)胞氧化損傷有效的神經(jīng)保護(hù)劑.

圖7 吡啶噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[40]Fig.7 Design strategy of pyridine-thiazole derivatives[40]

2022年,Kumar等[41]以具有抗氧化和AChE抑制作用的查爾酮為母核,引入了具有Aβ聚集抑制作用的苯并噻唑支架,合成了一系列吡唑-苯并噻唑衍生物,如圖8所示,對(duì)所合成的化合物的膽堿酯酶抑制作用、抗氧化能力、Aβ聚集抑制作用以及體外血腦屏障滲透性進(jìn)行了評(píng)價(jià).構(gòu)效關(guān)系研究表明,含有3,4-二甲氧基的化合物17a顯示出了最強(qiáng)的AChE抑制作用,IC50值為 8.69 μmol/L.通過DPPH法測(cè)定化合物的抗氧化活性,化合物17a表現(xiàn)出了明顯的DPPH自由基的清除能力.分子對(duì)接研究表明,化合物17a可通過氫鍵作用力和疏水作用力與AChE活性位點(diǎn)氨基酸良好地相互作用.此外,化合物17a還顯示出良好的Aβ聚集抑制的作用和血腦屏障通過性.因此,化合物17a可能作為進(jìn)一步開發(fā)抗AD藥物的先導(dǎo)化合物.

圖8 吡唑-苯并噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略[41]Fig.8 Design strategy of pyrazol-benzo thiazole derivatives[41]

6 結(jié)論

基于中樞膽堿能假說設(shè)計(jì)膽堿酯酶抑制劑仍然是目前AD治療最流行的策略之一.本文綜述了近年來具有抗AD功能的噻唑衍生物的設(shè)計(jì)策略及構(gòu)效關(guān)系,這對(duì)開發(fā)具有抗AD功能的新型噻唑衍生物具有重要的指導(dǎo)意義.隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,利用計(jì)算輔助藥物設(shè)計(jì)程序來篩選含有噻唑結(jié)構(gòu)的活性小分子化合物也是藥物設(shè)計(jì)的策略之一.在今后的研究中,結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)技術(shù)及構(gòu)效關(guān)系研究將是開發(fā)具有高活性、低毒、良好藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的高效抗AD先導(dǎo)化合物及候選藥物的重要方向.