抗阿尔茨海默病噻唑衍生物的设计策略及构效关系研究进展

史大华,邹靖培,张笑清,张钊源, 韩抒彤

(江苏海洋大学 药学院,江苏 连云港 222005)

阿尔茨海默病 (alzheimer’s disease,AD) 是一类极为常见且不可逆的慢性神经退行性疾病,其主要特征为胆碱能神经元的凋亡,随后乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)介导的神经传递的减弱[1].临床表现为进行性的记忆缺陷、认知下降、言语障碍、情绪不稳定以及生活自理能力的丧失[2-3],这类疾病无疑会给人们及社会带来沉重的负担[4].21世纪是人口老龄化的时代,随着老年人口比重的持续上升,AD也不可避免地成为了当今主流疾病之一.虽然近年来医疗水平大幅提升,但AD依然无法根治,目前可用的治疗方法也只能缓解症状或者控制疾病的发展,而且这些方法也寥寥可数.

AD的发病机制复杂多样,针对其可能的机制人们提出了如下几种假说:胆碱能假说[5]、β-淀粉样蛋白(Aβ)级联假说[6]、Tau蛋白假说[7]、氧化应激假说[8]、金属离子紊乱假说[9]和炎症假说[10]等.目前,对于AD的治疗,大多是通过他克林(tacrine)、盐酸多奈哌齐(donepezil hydrochloride)、酒石酸卡巴拉汀(rivastigmine tartarate)和加兰他敏(calanthamine)等几种已被FDA批准上市的药物来抑制乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AChE),进而增加大脑中的胆碱能神经的传递[11].但是,这些药物并不能阻止中枢胆碱能神经元的进行性退化死亡,随着耐药性的出现以及受到毒副作用的限制,它们的药效会逐渐降低,其中他克林因为其严重的毒副作用(如肝毒性和胃肠道拮抗作用)于2013年已退出药物市场[12].由于AD多样化的发病机制,开发具有多种效力的新型抗AD药物变得愈发重要[13-16].多靶点定向配体(multi-target-directed Ligands,MTDLs)策略现已被许多研究小组应用,一些具有抗AD潜力的MTDLs候选药物目前正在开发中,并已达到临床实验阶段[17].

噻唑(thiazole)在五元杂环化合物中占据着重要地位,它是包括抗生素在内的许多药物的关键药效团之一[18].噻唑类化合物的生物学活性极为广泛,包括抗癌[19]、抗菌[20]、抗惊厥[21]、抗病毒[22]和抗胆碱酯酶活性[23]等.研究表明,噻唑环上不同的位置引入不同的取代基团,其衍生物的活性也不同,因此,越来越多的药物化学工作者将目光投入到噻唑类化合物的研究中.现阶段,一种噻唑衍生物阿考替胺已作为一种新型的选择性AChE抑制剂,用于治疗功能性消化不良,这一进展促进了噻唑衍生物作为胆碱酯酶抑制剂的研究[24].基于这些特点,噻唑衍生物对于AD的治疗也展现出了巨大的潜力.具有抗AD功能的噻唑衍生物的设计大多是以多奈哌齐为关键模型,或者以本身具有抗AD活性的化合物为改造前体,基于以AChE为主导的单靶点或者多靶点策略结合构效关系来进行.噻唑作为药物化学中的多功能杂环,在先导化合物的鉴定和优化以及药物的生物学活性和药代动力学性质方面发挥着重要作用.噻唑的C-5位是亲电取代的主要位点,C-2位是亲核取代的主要位点,这也是噻唑环的2个主要修饰位点.现阶段,开发以噻唑骨架为核心的新型化合物是寻找治疗慢性疾病如AD药物的一个重要研究方向.本文主要从噻唑衍生物的设计策略和构效关系出发,综述了近年来具有抗AD活性噻唑衍生物的研究进展,以期为具有抗AD功能的噻唑类药物的开发提供参考.

1 基于AChE的单靶点设计策略

过去的20年,AD患者的神经递质ACh的比率显著下降[25].基于胆碱能假说抑制ACh的水解是目前治疗AD最主要的治疗策略之一[26].胆碱能假说是基于抑制AChE进而减少ACh的水解,从而使胆碱能突触中ACh的水平升高提出的假设[27].2020年,Xu等[28]基于马正月等[29]设计的具有标志性AChE抑制活性的化合物1和Sonmeza等[30]设计的具有标志性AChE抑制活性化合物2的基础上进行结构改造,其设计策略是以化合物1为修饰前体,保留了具有AChE抑制活性的关键药效团B部分,将A部分的甲基替换为不同的活性取代基,C部分则由吡咯烷基替换为和化合物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,如图1所示.胆碱酯酶活性测试结果表明:大部分化合物在体外均表现出一定的AChE抑制活性.构效关系研究表明:当E部分的取代基为吡咯烷基,F部分的取代苯基为3,4-二甲氧基苯基时,化合物3对AChE的抑制作用最强且具备选择性,半抑制浓度(IC50)为0.66 μmol/L,优于卡巴拉汀和石杉碱甲.此外,通过分子对接研究了这些化合物与AChE的潜在结合模式,结果表明化合物3与AChE的结合能力最强,构象最优,结合能为-11.27 kcal/mol.因此,化合物3可能是一个治疗AD的潜在候选化合物.

图1 氨基噻唑衍生物的设计策略[28]Fig.1 Design strategy of aminothiazole derivatives[28]

2016年,Yin等[31]以具有AChE抑制活性D-氨基葡萄糖为母核,引入同样具有AChE抑制活性的噻唑骨架,在噻唑的4号位连接不同的取代基,合成了一系列糖基噻唑衍生物,如图2所示.胆碱酯酶活性测试结果表明:大多数化合物均显示出了优于D-盐酸氨基葡萄糖的AChE抑制活性,这表明噻唑部分的引入提高了葡萄糖胺单元的AChE抑制活性.其中,含有4-硝基苯基的化合物4表现出最佳的AChE抑制活性,体外AChE抑制率为43.21%.基于以上研究,2021年,Wang等[32]以化合物4为前体进行了进一步的结构修饰,保留了具有AChE抑制活性的关键药效团糖基噻唑部分,在噻唑的4号位引入同样具有AChE抑制活性的黄酮骨架,合成了一系列氨基噻唑衍生物.构效关系研究表明,当黄酮的6号位为硝基时,化合物5的AChE抑制活性最好,体外AChE抑制率为58.88%,IC50值为19.40 μmol/L.与化合物4相比,化合物5对AChE的抑制作用有所增强,这说明黄酮骨架的引入可以在一定程度上增加化合物对AChE的抑制作用.

图2 糖基噻唑衍生物的设计策略[31]Fig.2 Design strategy of glycosyl thiazole derivatives[31]

2 基于Aβ的单靶点设计策略

近年来,金属基疗法在药物领域中展现出了巨大的潜力.以金属为中心的多功能的化学物质可以被用于许多疾病的治疗,特别是抗AD的治疗[33].金属基疗法利用β-淀粉样蛋白(Aβ)N端高亲和力的金属结合位点的存在,可有效地抑制Aβ的聚集并减少其诱导的细胞毒性[34].2020年,Huffman等[35]制备了2个系列噻唑Ru(Ⅲ)配合物6a～6c和7a～7c,如图3所示,并对其构效关系进行了分析.利用硫黄素T(thioflavin T, Th-T)荧光、动态光散射(dynamic light scattering, DLS)和透射电镜(transmission electron microscope, TEM)3种检测技术,确定了金属中心周围的对称性对配合物的活性没有显著影响,取代的噻唑配体则是产生Aβ聚集抑制活性的主导因素.构效关系研究表明,具有不同取代基的噻唑配体对Aβ聚集的抑制活性强弱顺序:2-氨基噻唑 >2-甲基噻唑>噻唑.

图3 噻唑Ru(Ⅲ)配合物结构Fig.3 Structures of thiazole-Ruthenium(Ⅲ)

3 基于AChE和Aβ的双靶点设计策略

图4 苯基噻唑衍生物的设计策略[37]Fig.4 Design strategy of phenyl thiazole derivatives[37]

2022年,Karaca等[38]基于具有潜在神经保护活性的化合物9和具有潜在Aβ抑制功能的化合物10的结构,选用了2个化合物共有的关键活性药效团苯并噻唑作为主体骨架;基于多奈哌齐能与AChE的CAS活性位点相互作用的哌啶部分,选用了与其结构相似的哌嗪为修饰基团,合成了一系列苯并噻唑衍生物,如图5所示.评价了所有化合物对胆碱酯酶、单胺氧化酶(MAO)以及Aβ聚集的抑制作用,结果表明:化合物11a～11f对AChE和MAO-B具有显著的抑制作用,并能有效地抑制Aβ的聚集.构效关系研究表明,当R1为氢,R2为二甲氨基乙基时,化合物11c显示出了最强的AChE抑制活性且具有选择性,其IC50值为0.023 μmol/L,最佳的单胺氧化酶B抑制活性,其IC50值为0.040 μmol/L,并能最大限度地抑制AD患者大脑中积累的淀粉样斑块的形成.

图5 苯并噻唑衍生物的设计策略[38]Fig.5 Design strategy of benzothiazole derivatives[38]

4 基于AChE和氧化应激的双靶点设计策略

抗氧化治疗是AD的治疗策略之一.研究表明:淀粉样斑块的一部分被证明可以产生自由基从而引起氧化应激[8].抗氧化治疗可以有效地中和自由基,因此对AD有治疗作用.2021年,Mekky等[39]基于文献报道的具有显著AChE抑制活性的化合物4,5,12和13的结构,保留了这些化合物的噻唑苯基和噻唑黄酮部分,在其左侧换用了具有良好抗氧化活性的吗啉骨架,以此制备了2个系列吗啉噻唑衍生物14a～14e和15a～15e(如图6所示).对这些化合物的AChE抑制活性研究表明,与多奈哌齐(抑制率为92.80%)相比,R基为6-氯和6-溴的化合物15b和15c的AChE抑制率最高,分别为72.30%和71.50%.通过DPPH法测定化合物15b和15c的抗氧化活性,与抗坏血酸(抑制率为89.50%)相比,化合物15b和15c对DPPH自由基的清除能力最高,抑制率分别为84.10%和83.20%.

图6 吗啉噻唑衍生物的设计策略[39]Fig.6 Design strategy of morpholinothiazole derivatives[39]

5 基于AChE、Aβ和氧化应激的三靶点设计策略

2020年,Ghotbi等[40]以多奈哌齐为关键模型设计合成了一系列吡啶-噻唑衍生物,该策略是通过双酰胺链将苯基噻唑片段连接到苯基吡啶部分,设计了一个具有2个药效团的支架,能够分别与AChE的PAS和CAS活性位点相互作用,如图7所示.对合成的化合物进行AChE和Aβ聚集抑制能力测评结果表明,大多数化合物对BuChE表现出中到低的抑制作用,表明这些化合物对AChE具有选择性地抑制作用.构效关系研究表明,具有卤素的化合物显示出了更好的AChE抑制活性,当R基为氟和溴时,化合物16a和16b的AChE抑制活性最好,IC50值分别为0.40 μmol/L和0.69 μmol/L.酶动力学和分子对接研究的结果表明化合物16a和16b是混合型AChE抑制剂,可以与AChE的PAS和CAS活性位点相互作用.此外,化合物16a和16b(抑制率分别为20.38%和42.66%)还显示出了优于多奈哌齐(抑制率为14.70%)的Aβ聚集抑制的作用.氧化损伤模型测试结果表明,化合物16b和16c是对H2O2诱导的 PC12 细胞氧化损伤有效的神经保护剂.

图7 吡啶噻唑衍生物的设计策略[40]Fig.7 Design strategy of pyridine-thiazole derivatives[40]

2022年,Kumar等[41]以具有抗氧化和AChE抑制作用的查尔酮为母核,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,如图8所示,对所合成的化合物的胆碱酯酶抑制作用、抗氧化能力、Aβ聚集抑制作用以及体外血脑屏障渗透性进行了评价.构效关系研究表明,含有3,4-二甲氧基的化合物17a显示出了最强的AChE抑制作用,IC50值为 8.69 μmol/L.通过DPPH法测定化合物的抗氧化活性,化合物17a表现出了明显的DPPH自由基的清除能力.分子对接研究表明,化合物17a可通过氢键作用力和疏水作用力与AChE活性位点氨基酸良好地相互作用.此外,化合物17a还显示出良好的Aβ聚集抑制的作用和血脑屏障通过性.因此,化合物17a可能作为进一步开发抗AD药物的先导化合物.

图8 吡唑-苯并噻唑衍生物的设计策略[41]Fig.8 Design strategy of pyrazol-benzo thiazole derivatives[41]

6 结论

基于中枢胆碱能假说设计胆碱酯酶抑制剂仍然是目前AD治疗最流行的策略之一.本文综述了近年来具有抗AD功能的噻唑衍生物的设计策略及构效关系,这对开发具有抗AD功能的新型噻唑衍生物具有重要的指导意义.随着技术的不断进步,利用计算辅助药物设计程序来筛选含有噻唑结构的活性小分子化合物也是药物设计的策略之一.在今后的研究中,结合计算机辅助药物设计技术及构效关系研究将是开发具有高活性、低毒、良好药代动力学性质的高效抗AD先导化合物及候选药物的重要方向.