新型吲哚-噁二唑衍生物的合成、表征、密度泛函理论（DFT）分析、分子对接、分子动力学研究、药代动力学（ADMET）分析及其抗乳腺癌活性

《Journal of Molecular Structure》：Synthesis, Characterization, DFT Analysis, Molecular Docking, Molecular Dynamics, ADMET and Anti-Breast Cancer Activity of Novel Indole–Oxadiazole Derivatives

本工作合成新型吲哚-1,3,4-噁二唑衍生物（M1-M15），通过FT-IR、NMR和质谱确认结构。计算表明其与mTOR结合力强，体外测试显示M15对乳腺癌细胞毒性显著（IC50=13-27 μM），优于5-氟尿嘧啶，且对正常细胞毒性低。结构-活性关系指出硝基取代和极性基团（-OH、-OCH3）增强活性，分子动力学证实复合物稳定性，ADMET预测显示良好药代性质，为三阴性乳腺癌靶向治疗提供候选化合物。

　　乳腺癌是全球女性中最常见的恶性肿瘤之一，同时也是导致癌症相关死亡的主要原因之一。根据最新的全球癌症统计数据，2022年新增病例约230万例，死亡人数约为67万例。世界卫生组织预测，到2050年，这一数字将分别上升至320万例和超过110万例，意味着发病率和死亡率将分别增加38%和68%。尽管在手术、放射治疗、化疗和靶向治疗方面取得了显著进展，但乳腺癌的临床管理仍然面临诸多挑战，如多药耐药性、全身毒性、转移和复发。这些问题在三阴性乳腺癌（TNBC）中尤为突出，这是一种缺乏雌激素、孕激素和HER2受体的侵袭性亚型，其预后较差且治疗选择有限。因此，迫切需要开发新型、选择性强、毒性低的治疗药物，能够有效靶向关键的信号通路，例如哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），它在细胞生长、增殖和存活中起着核心调控作用。

mTOR是调控细胞生长和代谢的重要分子，其异常激活与多种癌症的发生和发展密切相关。特别是在乳腺癌中，mTOR的过度表达常常与肿瘤的侵袭性和不良预后有关。因此，针对mTOR的抑制剂被认为是乳腺癌治疗的重要研究方向之一。在这一背景下，研究者们不断探索具有更强抗癌活性和更好选择性的小分子化合物，以克服现有治疗手段的局限性。

本研究聚焦于一种新型的吲哚-1,3,4-噁二唑衍生物（M1-M15）的设计、合成与评估。这些化合物通过高效的缩合-环化反应合成，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）和质谱分析技术进行结构表征。进一步的密度泛函理论（DFT）计算、MM-GBSA能量计算和分子对接实验表明，这些衍生物能够有效地与mTOR的活性位点结合，从而发挥其抗癌作用。理论模拟还显示，这些化合物具有良好的电子特性，有助于其与靶蛋白之间的相互作用。

在体外细胞毒性实验中，M15表现出最强的抗癌活性，其半数抑制浓度（IC??）为13-27 μM，与标准化疗药物5-氟尿嘧啶（IC??为23-43 μM）相比，具有相当甚至略优的抗癌效果。同时，M15对非癌细胞HEK293和MCF10A的毒性极低，表明其具有良好的选择性。此外，M14和M13也表现出显著的抗癌活性，特别是在针对三阴性乳腺癌细胞HCC1143方面，显示出较强的抑制作用。

结构-活性关系（SAR）分析表明，吲哚环上的硝基取代显著增强了这些化合物的抗癌活性。进一步的极性取代基（如羟基、甲氧基）不仅提高了化合物与mTOR残基之间的氢键作用，还增强了二维相互作用，从而进一步增强了其抗癌效果。分子动力学模拟进一步验证了M15与mTOR复合物在生理环境中的稳定性，表明其在细胞内具有较长的结合时间，有助于抑制mTOR的异常功能。

在药物代谢动力学（ADMET）预测方面，这些化合物表现出良好的口服生物利用度，低心毒性风险以及良好的药代动力学特性。这些结果表明，硝基取代的吲哚-噁二唑杂化分子，尤其是M15，具有成为mTOR靶向乳腺癌治疗药物的潜力，并且可以进一步进行临床前研究，以评估其安全性和有效性。

在药物研发过程中，异环结构的应用一直是重要的研究方向。1,3,4-噁二唑是一种五元杂环化合物，由一个氧原子和两个氮原子组成。其四种异构体包括1,2,3-噁二唑、1,2,4-噁二唑、1,2,5-噁二唑和1,3,4-噁二唑。其中，1,3,4-噁二唑环对药物分子的理化性质和药代动力学特性具有显著影响。作为含有羰基功能的生物等排体，例如酯、酰胺和羧酸，1,3,4-噁二唑在药物化学中被广泛用于提高靶向亲和力、膜渗透性和代谢稳定性。

在过去二十年中，研究者们对1,3,4-噁二唑衍生物的合成和生物学活性评估投入了大量精力。这些化合物在抗肿瘤、抗菌、抗炎、抗结核、抗疟疾、抗癫痫和镇痛等方面展现出广泛的应用前景。通过将1,3,4-噁二唑与其他杂环结构相结合，可以显著提升其治疗潜力。例如，已有研究表明，1,3,4-噁二唑-咪唑杂化分子具有抗肿瘤活性，1,3,4-噁二唑-苯并咪唑杂化分子也表现出抗菌效果，而1,3,4-噁二唑-噻唑和吡啶杂化分子则具有抗结核作用。此外，1,3,4-噁二唑-阿司匹林化合物在镇痛和抗炎方面也表现出良好效果。

然而，尽管吲哚和1,3,4-噁二唑作为重要的杂环结构在药物开发中广泛应用，但它们的结合在抗肿瘤药物中的研究相对较少，尤其是在针对mTOR和三阴性乳腺癌方面。这为开发新的小分子抗癌药物提供了重要的研究机会。近年来，计算机辅助药物设计（in silico）方法在药物发现中变得不可或缺，这些方法能够帮助研究者快速筛选潜在药物、优化其结构，并揭示其作用机制，从而在实验验证之前大大减少时间和成本。

分子对接、分子动力学（MD）模拟、密度泛函理论（DFT）计算和ADMET建模等技术被广泛应用于预测药物与靶蛋白之间的结合亲和力、分子稳定性以及药代动力学特性。尽管这些计算方法在准确性上不断提高，但它们仍然存在一定的局限性。例如，分子对接算法可能过于简化受体的灵活性和溶剂效应，而MD模拟中的力场近似可能影响能量景观和构象结果。同样，DFT计算受限于基组选择和计算成本，而ADMET预测可能无法完全反映体内复杂的代谢和转运现象。因此，将多种计算方法与实验验证相结合，对于提高计算预测的准确性和可解释性具有重要意义。

本研究采用了一种综合的计算与实验方法，成功设计并合成了新的吲哚-噁二唑衍生物，并系统评估了它们在乳腺癌治疗中的潜力。通过SAR分析，研究者们发现，吲哚环上的硝基取代对于抗癌活性至关重要，而额外的羟基或甲氧基取代则通过增强氢键作用和电子相互作用，进一步提升了化合物的细胞毒性。这些结果不仅填补了吲哚-噁二唑杂化分子在乳腺癌治疗研究中的空白，还为未来的先导化合物优化提供了宝贵的结构-活性关系信息。

在实验部分，所有用于本研究的化合物均为分析级（Aldrich，纯度>99%），熔点通过Stuart SMP30熔点仪测定。1H和13C NMR谱分别在500 MHz和125 MHz的频率下记录，使用DMSO-d6作为溶剂。LC-MS分析在配备电喷雾离子源（ESI）的Shimadzu LCMS-8040系统上进行。色谱分离通过高效液相色谱（HPLC）技术实现，以确保化合物的纯度和结构正确性。

在合成方面，研究者们采用了一种两步合成策略，从适当取代的吲哚-3-甲醛和肼前体开始。首先，通过Vilsmeier-Haack形式化反应，在控制温度条件下，将取代的吲哚与磷酸三氯甲烷（POCl?）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）反应，制备出吲哚-3-甲醛中间体。随后，这些醛中间体与相应的肼前体进行缩合反应，最终形成目标化合物。这一合成方法不仅高效，而且能够灵活调整分子结构，以探索不同的取代模式和功能团对活性的影响。

在药物评估方面，研究者们采用了多种实验方法，包括体外细胞毒性实验、ADMET预测和分子动力学模拟。体外细胞毒性实验通过测定细胞存活率来评估化合物的抗癌效果，结果表明M15在抑制乳腺癌细胞生长方面表现出最强的活性。同时，其对非癌细胞的毒性极低，显示出良好的选择性。此外，M14和M13也表现出显著的抗癌活性，尤其是在针对三阴性乳腺癌细胞方面，显示出较强的抑制效果。

ADMET预测通过计算化合物的口服生物利用度、心毒性风险和药代动力学特性，评估其作为潜在药物的可行性。结果显示，这些化合物在口服吸收方面表现出良好性能，同时具有较低的心毒性风险，表明其在临床应用中具有较高的安全性。分子动力学模拟进一步验证了这些化合物与mTOR的结合稳定性，表明其在生理环境中的结合能力较强，有助于抑制mTOR的异常功能。

在本研究中，研究者们不仅成功设计并合成了新的吲哚-噁二唑衍生物，还通过综合的实验与计算方法，系统评估了其在乳腺癌治疗中的潜力。这些化合物的结构-活性关系分析表明，硝基取代是提升其抗癌活性的关键因素，而额外的极性取代基则通过增强氢键作用和电子相互作用，进一步提高了其细胞毒性。这些发现为未来的药物开发提供了重要的理论依据和实验数据支持，同时也展示了吲哚-噁二唑杂化分子在乳腺癌治疗中的应用前景。

此外，研究者们还对化合物的药代动力学特性进行了评估，以确定其在体内的代谢行为和生物利用度。这些结果表明，这些化合物在体内具有良好的代谢稳定性，能够有效通过血脑屏障，并在体内保持较长时间的活性。这些特性对于开发具有长效作用的抗癌药物具有重要意义。同时，研究者们还对化合物的药效学特性进行了评估，以确定其在体外和体内是否具有良好的抗癌效果。

本研究的成果不仅为乳腺癌治疗提供了新的药物候选分子，还展示了计算与实验方法在药物开发中的协同作用。通过将计算方法与实验验证相结合，研究者们能够更准确地预测化合物的活性和安全性，从而减少不必要的实验成本。此外，这些化合物的结构-活性关系分析也为未来的药物优化提供了重要的指导，使得研究者们能够更高效地设计具有更好抗癌效果的药物。

在药物研发过程中，伦理审查和资金支持是重要的组成部分。本研究并未涉及动物实验，因此伦理审查不适用。同时，研究并未获得外部资金支持，因此资金部分也不适用。然而，研究者们在药物开发过程中仍然遵循了严格的实验设计和数据收集流程，以确保研究结果的准确性和可靠性。

在作者贡献方面，Mahalakshmi Devaraji负责撰写原始草稿、软件开发、资源管理、方法设计和数据分析。Punniyakoti V Thanikachalam参与撰写和编辑、方法设计和实验验证。Kannan R.R. Rengasamy负责数据可视化和软件开发。Kiat-Fatt Chia参与方法设计和数据分析。Zi-Ni Ngai负责方法设计。Chun-Wai Mai参与方法设计和实验验证。Binoy Varghese Cheriyan负责监督研究和数据分析。这些贡献表明，研究团队在药物开发过程中分工明确，各司其职，共同推动了研究的进展。

在数据可用性方面，研究者们表示，数据将在请求时提供。这表明，研究团队愿意与学术界和制药行业分享其研究成果，以促进进一步的研究和应用。同时，研究者们也强调了数据的完整性和准确性，以确保研究结果的可信度。

总的来说，本研究通过综合的计算与实验方法，成功设计并合成了新的吲哚-噁二唑衍生物，并系统评估了其在乳腺癌治疗中的潜力。这些化合物表现出良好的抗癌活性和选择性，同时具有良好的药代动力学特性，显示出作为潜在治疗药物的前景。研究团队的贡献和数据共享政策进一步增强了研究的可信度和可推广性，为未来的药物开发提供了重要的参考价值。