通过体外实验、密度泛函理论（DFT）和分子对接技术解析的下一代噻唑-磺胺类杂化化合物作为抗癌药物的潜力

《Journal of Hydrology X》：Next-gen Thiazole-Sulphonamide Hybrids as Anti-Lung Cancer Agents Deciphered through In Vitro, DFT, and Docking Synergy

新型磺酰胺-噻唑杂化化合物对肺癌细胞的抗癌活性及作用机制研究，其中化合物14展现出最高活性（IC50=16.10 μg/mL）和选择性（SI=183.79），量子力学和分子对接分析揭示其通过EGFR和TP53双靶点发挥作用，ADMET预测显示良好药物成性，分子动力学证实稳定结合。

　　

阿卜杜勒拉赫曼·A·阿尔西马里（Abdulrahman A. Alsimaree）| 雷姆·I·阿尔桑塔利（Reem I. Alsantali）| 穆罕默德·瓦希德·汗（Mohd Washid Khan）| 埃萨姆·M·侯赛因（Essam M. Hussein）| 詹·穆罕默德·米尔（Jan Mohammad Mir）| 拉巴布·S·贾萨斯（Rabab S. Jassas）| 萨利赫·A·艾哈迈德（Saleh A. Ahmed）

沙特阿拉伯阿菲夫（Afif）沙克拉大学（Shaqra University）科学与人文学院基础科学系（化学专业）

摘要

1. 在我们之前的研究基础上，我们合成了新型磺胺类-噻唑杂化物，并评估了它们对NCI-H226肺癌细胞的抗癌活性，以WI-38成纤维细胞作为正常对照。在测试的化合物中，氟取代化合物14表现出最高的效力（IC₅₀ = 16.10 μg/mL）和选择性（SI = 183.79），而卤素和硝基取代的类似物（4-6）则显示出中等活性。利用DFT（B3LYP/6-311G(d,p), SMD溶剂）进行的量子力学研究解释了观察到的药效关系（SAR），强调了电子效应和空间效应在调节活性中的作用。分子对接结果显示，化合物14与EGFR的结合力（–8.2 kcal/mol）强于与TP53的结合力（–7.1 kcal/mol），这表明EGFR是其主要靶点，而与TP53的相互作用则支持凋亡信号传导。ADMET预测表明该化合物具有良好的药物特性、低毒性和非致突变性。100纳秒的分子动力学模拟证实，化合物14能与EGFR和TP53形成高度稳定的复合物，同时保持二级结构以及氢键和疏水相互作用，其MM-GBSA自由能约为–75 kcal·mol^-1。自由能景观和主成分分析显示了其构象适应性和长期稳定性。综上所述，这些结果表明化合物14是一种高效、选择性强的双重靶向抗癌剂，为进一步的临床前开发提供了坚实的机制基础。

引言

1. 癌症仍然是全球最严峻的健康挑战之一，是仅次于心血管疾病的第二大死亡原因。令人担忧的是，超过70%的癌症相关死亡发生在发展中国家和欠发达国家，这些地区的及时诊断和治疗机会有限¹。全球癌症发病率持续上升，预计到2030年死亡人数将达到约1200万²。尽管对癌症发生的生化机制有深入的了解，但有效的癌症治疗仍然是一个重大挑战³。目前的治疗方法，如化疗、放疗和靶向治疗，往往效果有限，易产生耐药性并伴有不良反应。因此，设计和开发新的抗癌药物仍然是药物发现领域的研究重点^{4, 5}。肺癌是最常见的恶性肿瘤之一，是全球癌症相关死亡的主要原因⁶。非小细胞肺癌（NSCLC）占所有肺癌病例的约85%⁷。尽管在疾病认识和治疗策略方面取得了显著进展，但肺癌的生存率仍然很低，这引发了公众的严重关切^{8, 9}。
   1. 磺胺类药物被认为是一种有前景且实用的骨架结构，能够有效针对多种与癌症相关的酶，在癌症生物学中发挥多方面的作用¹⁰。它们能够抑制在癌症中过度表达的重要蛋白质，如组蛋白去乙酰化酶（HDACs）、NADH氧化酶、碳酸酐酶（CA）、基质金属蛋白酶（MMPs）、周期蛋白依赖性激酶（CDKs）、甲硫氨酸氨基肽酶（MetAPs），以及与β-微管蛋白的结合和干扰微管组装，这突显了它们在开发潜在治疗策略中的潜力^{11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18}。
      1. 噻唑是一个由氮和硫组成的五元杂环，这种富含电子的官能团赋予了其多种生物活性，包括抗病毒、抗菌、抗炎、抗疟疾、抗HIV和抗癌作用¹⁹。噻唑核是几种FDA批准并临床使用的抗癌药物的基本组成部分，例如达沙替尼（dasatinib）、达布拉芬尼（dabrafenib）、伊沙贝隆（ixabepilone）、帕特拉米德A（patellamide A）和埃波替隆（epothilone）²⁰。目前，含噻唑的化合物正在被研究作为可能的抑制剂，用于多种生物靶点，如微管和聚合酶抑制剂。这些化合物已被证明具有高效抗癌作用和低毒性^{21, 22}。
         1. 此外，基于噻唑的磺胺类药物是具有多种生物活性的有效分子^{12, 23, 24, 25, 26}。它们已知能抑制多种癌症治疗中的靶蛋白，包括乙酰胆碱酯酶（AChE）、丁酰胆碱酯酶（BChE）、组蛋白赖氨酸甲基转移酶（SMYD3）、醛糖还原酶（ALR2）和表皮生长因子受体（EGFR）以及周期蛋白依赖性激酶（2CDK2），尤其是在癌症治疗中^{27, 28, 29, 30, 31}。这些蛋白质在许多人类肿瘤中过度表达，并通过促进肿瘤细胞增殖和转移而导致不良疾病结局。在之前研究的基础上^{32, 33, 34, 35, 36}，本研究旨在合成同时包含这两种官能团的杂化分子，并测试它们对人类非小细胞肺癌（NCI-H226）和正常肺成纤维细胞（WI-38）细胞系的疗效。

         化学部分

         1. 鉴于噻唑和磺胺类药物已知的生物活性，将这两种官能团战略性地整合到一个分子框架中为抗癌药物设计提供了合理的方法。将噻唑结构插入磺胺骨架中有望提高靶点亲和力、细胞摄取率和代谢稳定性，这些因素对于增强药理效果和减少全身毒性至关重要

         材料与方法

         1. 所有化学品和溶剂均从Merck India和Sigma Aldrich购买。所有溶剂均按原样使用，未经纯化或蒸馏。使用开放式玻璃毛细管测量合成化合物的熔点。Bruker-alpha FTIR光谱仪用于记录化合物的红外光谱¹。核磁共振（HNMR）光谱在400 MHz频率下使用CDCl₃和MeOD作为溶剂进行测量。TMS作为内标，化学位移以ppm为单位报告

         结论

         1. 总结来说，本文报道了新型磺胺类-噻唑杂化物的体外抗癌活性。所有化合物（4-14）均通过MTT实验进行了肺癌细胞系（NCI-H226）和正常肺成纤维细胞（WI-38）的筛选。MTT实验结果显示，化合物4、5、6、7和14对NCI-H226细胞系的抗癌活性显著，其IC₅₀值分别为17.10、22.65、19.15、32.65和16.10 μg/mL。其中，化合物14表现出最高的效力和选择性

         作者贡献声明

         埃萨姆·M·侯赛因（Essam M. Hussein）： 软件开发、方法论、资金获取、数据分析。 詹·穆罕默德·米尔（Jan Mohammad Mir）： 实验研究、数据分析、概念构思。 拉巴布·S·贾萨斯（Rabab S. Jassas）： 文章撰写与编辑、监督、方法论、实验研究、资金获取。 萨利赫·A·艾哈迈德（Saleh A. Ahmed）： 文章撰写与编辑、监督、项目管理、方法论、实验研究。 阿卜杜勒拉赫曼·A·阿尔西马里（Abdulrahman A. Alsimaree）： 初稿撰写、软件开发、方法论、资金获取、数据分析

      资助声明

      本研究由沙特阿拉伯乌姆阿尔-库拉大学（Umm Al-Qura University）资助，资助编号为：25UQU4320545GSSR02

      利益冲突声明

      ? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果

      致谢

      作者感谢沙特阿拉伯乌姆阿尔-库拉大学通过资助编号25UQU4320545GSSR02对本研究的支持