抗阿爾茨海默病噻唑衍生物的設計策略及構效關系研究進展

史大華,鄒靖培,張笑清,張釗源, 韓抒彤

(江蘇海洋大學 藥學院,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退行性疾病,其主要特征為膽堿能神經元的凋亡,隨后乙酰膽堿(acetylcholine,ACh)介導的神經傳遞的減弱[1].臨床表現為進行性的記憶缺陷、認知下降、言語障礙、情緒不穩定以及生活自理能力的喪失[2-3],這類疾病無疑會給人們及社會帶來沉重的負擔[4].21世紀是人口老齡化的時代,隨著老年人口比重的持續上升,AD也不可避免地成為了當今主流疾病之一.雖然近年來醫療水平大幅提升,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展,而且這些方法也寥寥可數.

AD的發病機制復雜多樣,針對其可能的機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)級聯假說[6]、Tau蛋白假說[7]、氧化應激假說[8]、金屬離子紊亂假說[9]和炎癥假說[10]等.目前,對于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批準上市的藥物來抑制乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase,AChE),進而增加大腦中的膽堿能神經的傳遞[11].但是,這些藥物并不能阻止中樞膽堿能神經元的進行性退化死亡,隨著耐藥性的出現以及受到毒副作用的限制,它們的藥效會逐漸降低,其中他克林因為其嚴重的毒副作用(如肝毒性和胃腸道拮抗作用)于2013年已退出藥物市場[12].由于AD多樣化的發病機制,開發具有多種效力的新型抗AD藥物變得愈發重要[13-16].多靶點定向配體(multi-target-directed Ligands,MTDLs)策略現已被許多研究小組應用,一些具有抗AD潛力的MTDLs候選藥物目前正在開發中,并已達到臨床實驗階段[17].

噻唑(thiazole)在五元雜環化合物中占據著重要地位,它是包括抗生素在內的許多藥物的關鍵藥效團之一[18].噻唑類化合物的生物學活性極為廣泛,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,噻唑環上不同的位置引入不同的取代基團,其衍生物的活性也不同,因此,越來越多的藥物化學工作者將目光投入到噻唑類化合物的研究中.現階段,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,這一進展促進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,噻唑衍生物對于AD的治療也展現出了巨大的潛力.具有抗AD功能的噻唑衍生物的設計大多是以多奈哌齊為關鍵模型,或者以本身具有抗AD活性的化合物為改造前體,基于以AChE為主導的單靶點或者多靶點策略結合構效關系來進行.噻唑作為藥物化學中的多功能雜環,在先導化合物的鑒定和優化以及藥物的生物學活性和藥代動力學性質方面發揮著重要作用.噻唑的C-5位是親電取代的主要位點,C-2位是親核取代的主要位點,這也是噻唑環的2個主要修飾位點.現階段,開發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藥物的一個重要研究方向.本文主要從噻唑衍生物的設計策略和構效關系出發,綜述了近年來具有抗AD活性噻唑衍生物的研究進展,以期為具有抗AD功能的噻唑類藥物的開發提供參考.

1 基于AChE的單靶點設計策略

過去的20年,AD患者的神經遞質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[27].2020年,Xu等[28]基于馬正月等[29]設計的具有標志性AChE抑制活性的化合物1和Sonmeza等[30]設計的具有標志性AChE抑制活性化合物2的基礎上進行結構改造,其設計策略是以化合物1為修飾前體,保留了具有AChE抑制活性的關鍵藥效團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.膽堿酯酶活性測試結果表明:大部分化合物在體外均表現出一定的AChE抑制活性.構效關系研究表明:當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,化合物3對AChE的抑制作用最強且具備選擇性,半抑制濃度(IC50)為0.66 μmol/L,優于卡巴拉汀和石杉堿甲.此外,通過分子對接研究了這些化合物與AChE的潛在結合模式,結果表明化合物3與AChE的結合能力最強,構象最優,結合能為-11.27 kcal/mol.因此,化合物3可能是一個治療AD的潛在候選化合物.

圖1 氨基噻唑衍生物的設計策略[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.膽堿酯酶活性測試結果表明:大多數化合物均顯示出了優于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為前體進行了進一步的結構修飾,保留了具有AChE抑制活性的關鍵藥效團糖基噻唑部分,在噻唑的4號位引入同樣具有AChE抑制活性的黃酮骨架,合成了一系列氨基噻唑衍生物.構效關系研究表明,當黃酮的6號位為硝基時,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AChE的抑制作用有所增強,這說明黃酮骨架的引入可以在一定程度上增加化合物對AChE的抑制作用.

圖2 糖基噻唑衍生物的設計策略[31]Fig.2 Design strategy of glycosyl thiazole derivatives[31]

2 基于Aβ的單靶點設計策略

近年來,金屬基療法在藥物領域中展現出了巨大的潛力.以金屬為中心的多功能的化學物質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合位點的存在,可有效地抑制Aβ的聚集并減少其誘導的細胞毒性[34].2020年,Huffman等[35]制備了2個系列噻唑Ru(Ⅲ)配合物6a～6c和7a～7c,如圖3所示,并對其構效關系進行了分析.利用硫黃素T(thioflavin T, Th-T)熒光、動態光散射(dynamic light scattering, DLS)和透射電鏡(transmission electron microscope, TEM)3種檢測技術,確定了金屬中心周圍的對稱性對配合物的活性沒有顯著影響,取代的噻唑配體則是產生Aβ聚集抑制活性的主導因素.構效關系研究表明,具有不同取代基的噻唑配體對Aβ聚集的抑制活性強弱順序:2-氨基噻唑 >2-甲基噻唑>噻唑.

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

3 基于AChE和Aβ的雙靶點設計策略

圖4 苯基噻唑衍生物的設計策略[37]Fig.4 Design strategy of phenyl thiazole derivatives[37]

2022年,Karaca等[38]基于具有潛在神經保護活性的化合物9和具有潛在Aβ抑制功能的化合物10的結構,選用了2個化合物共有的關鍵活性藥效團苯并噻唑作為主體骨架;基于多奈哌齊能與AChE的CAS活性位點相互作用的哌啶部分,選用了與其結構相似的哌嗪為修飾基團,合成了一系列苯并噻唑衍生物,如圖5所示.評價了所有化合物對膽堿酯酶、單胺氧化酶(MAO)以及Aβ聚集的抑制作用,結果表明:化合物11a～11f對AChE和MAO-B具有顯著的抑制作用,并能有效地抑制Aβ的聚集.構效關系研究表明,當R1為氫,R2為二甲氨基乙基時,化合物11c顯示出了最強的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計策略[38]Fig.5 Design strategy of benzothiazole derivatives[38]

4 基于AChE和氧化應激的雙靶點設計策略

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生自由基從而引起氧化應激[8].抗氧化治療可以有效地中和自由基,因此對AD有治療作用.2021年,Mekky等[39]基于文獻報道的具有顯著AChE抑制活性的化合物4,5,12和13的結構,保留了這些化合物的噻唑苯基和噻唑黃酮部分,在其左側換用了具有良好抗氧化活性的嗎啉骨架,以此制備了2個系列嗎啉噻唑衍生物14a～14e和15a～15e(如圖6所示).對這些化合物的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計策略[39]Fig.6 Design strategy of morpholinothiazole derivatives[39]

5 基于AChE、Aβ和氧化應激的三靶點設計策略

2020年,Ghotbi等[40]以多奈哌齊為關鍵模型設計合成了一系列吡啶-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,設計了一個具有2個藥效團的支架,能夠分別與AChE的PAS和CAS活性位點相互作用,如圖7所示.對合成的化合物進行AChE和Aβ聚集抑制能力測評結果表明,大多數化合物對BuChE表現出中到低的抑制作用,表明這些化合物對AChE具有選擇性地抑制作用.構效關系研究表明,具有鹵素的化合物顯示出了更好的AChE抑制活性,當R基為氟和溴時,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.酶動力學和分子對接研究的結果表明化合物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.氧化損傷模型測試結果表明,化合物16b和16c是對H2O2誘導的 PC12 細胞氧化損傷有效的神經保護劑.

圖7 吡啶噻唑衍生物的設計策略[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行了評價.構效關系研究表明,含有3,4-二甲氧基的化合物17a顯示出了最強的AChE抑制作用,IC50值為 8.69 μmol/L.通過DPPH法測定化合物的抗氧化活性,化合物17a表現出了明顯的DPPH自由基的清除能力.分子對接研究表明,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可能作為進一步開發抗AD藥物的先導化合物.

圖8 吡唑-苯并噻唑衍生物的設計策略[41]Fig.8 Design strategy of pyrazol-benzo thiazole derivatives[41]

6 結論

基于中樞膽堿能假說設計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計策略及構效關系,這對開發具有抗AD功能的新型噻唑衍生物具有重要的指導意義.隨著技術的不斷進步,利用計算輔助藥物設計程序來篩選含有噻唑結構的活性小分子化合物也是藥物設計的策略之一.在今后的研究中,結合計算機輔助藥物設計技術及構效關系研究將是開發具有高活性、低毒、良好藥代動力學性質的高效抗AD先導化合物及候選藥物的重要方向.