喹啉酮-席夫碱/哒嗪并[4,5-c]喹啉酮类化合物的理性设计与合成及其抗肺癌和抗结核性能研究

《Scientific Reports》：Rational design, synthesis of some quinolinone-Schiff bases/ pyridazino[4,5-c]quinolinones with potent anti-lung cancer and antituberculosis performance

本研究针对肺癌和结核病这两大全球健康挑战，通过理性设计合成了基于喹啉酮的二元及稠合多环杂化分子。研究人员利用3-乙酰基-4-羟基-1-苯基喹啉-2(1H)-酮(AHQ)与不同胺类及肼衍生物反应，成功制备了席夫碱(2-6)、腙类(8,9a-c)及哒嗪并[4,5-c]喹啉酮衍生物(14-19)。活性筛选显示化合物15、16和19对A549肺癌细胞株和H37Rv结核分枝杆菌均表现出优异活性，其中15的IC50为10.38μM，MIC为6.25μM。分子对接、DFT计算及ADME预测验证了其作用机制与类药性，为开发新型双效药物提供了重要先导结构。

　　

肺癌和结核病是全球范围内最令人担忧的疾病之一，每年分别导致约100万人和1000万人死亡。非小细胞肺癌(NSCLC)是肺癌的主要亚型，占所有肺癌病例的85%，尽管放疗、免疫治疗和化疗等治疗方式不断优化，但患者生存率仍然较低。结核病(TB)则由结核分枝杆菌(Mtb)引起，是仅次于HIV的全球传染病死亡第二大原因，其中H37Rv菌株是最常见的传染性菌株。值得注意的是，研究表明结核感染可通过慢性炎症、免疫抑制和组织纤维化等机制增加肺癌发病风险，这两种疾病之间存在显著的流行病学关联。

面对耐药性问题日益严重和现有药物疗效不足的挑战，开发结构新颖、高效低毒的新型药物成为当务之急。含氮杂环化合物在化疗药物设计中扮演着重要角色，其中喹啉酮衍生物因其卓越的化学性质和广泛的生物活性而备受关注，包括抗癌、抗结核(anti-TB)、抗病毒、抗菌和抗高血压等活性。许多天然生物碱如林诺米德、山椒素、加替沙星、左氧氟沙星等均含有喹啉环结构，是开发抗癌和抗结核药物的潜在先导化合物。另一方面，哒嗪衍生物具有独特的结构特征，其富电子基团可通过多种相互作用与生物系统中的各种受体结合，表现出广泛的生物活性。哒嗪骨架具有高偶极矩，能够形成氢键相互作用，并易于形成盐类，这些特性刺激了其工业化生产。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，研究人员基于理性药物设计策略，开发了一系列新型喹啉酮衍生物，包括席夫碱、腙类和稠合哒嗪环系，这些化合物在医学领域因其优异的抗癌特性而受到持续关注。研究结合了分子对接、瑞士ADME和DFT计算等分析工具，对化合物的生物活性进行了全面评估。

研究人员采用了几种关键的技术方法：通过缩合反应合成席夫碱和腙类衍生物；利用Vilsmeier-Haack反应进行甲酰化修饰；通过Fischer吲哚合成法制备吡唑并喹啉酮衍生物；采用环化缩合反应构建哒嗪并[4,5-c]喹啉酮杂环体系；使用MTT法评估对A549肺癌细胞的体外抗癌活性；通过微孔板阿尔玛蓝测定法(MABA)评估对Mtb H37Rv菌株的体外抗结核活性；运用分子对接研究化合物与EGFR酪氨酸激酶域(1M17)和InhA蛋白(1OUZ)的相互作用模式；采用密度泛函理论(DFT)计算前沿分子轨道和化学反应性参数；利用瑞士ADME预测化合物的药代动力学性质。

合成与表征

研究以3-乙酰基-4-羟基-1-苯基喹啉-2(1H)-酮(AHQ)(1)为起始原料，与不同的胺和肼衍生物反应，合成了多种喹啉酮衍生物。与间甲氧基苯胺、邻苯二胺(OPD)和对苯二胺(PPD)反应得到了相应的席夫碱2、4和5。与色胺在pH 4.7(生理条件)下反应，出乎意料地得到了(E)-3-(1-((2-(1H-吲哚-3-基)乙基)亚氨基)乙基)-4-羟基-1-苯基喹啉-2(1H)-酮(6)，而非预期的四氢-β-咔啉系统7。

与肼 hydrate反应得到了(E)-3-(1-亚肼基乙基)-4-羟基-1-苯基喹啉-2(1H)-酮(8)，该方法通过使用CH₂Cl₂作为弱极性溶剂替代EtOH，将反应时间从24小时缩短至1小时。与苯肼、1-甲基-1-苯肼和2,4,6-三氯苯肼反应得到了腙类衍生物9a-c。腙9a与Vilsmeier-Haack试剂(DMF-POCl₃)反应，经过亚胺盐形成、环化和氯化等步骤，得到了二元吡唑并喹啉酮骨架10。

有趣的是，AHQ 1与苯肼在CH₂Cl₂中反应得到了3-甲基-1,9-二苯基吡唑并[3,4-b]喹啉二醇(11)，而非预期的席夫碱9a。DFT计算表明，使用CH₂Cl₂作为溶剂(低极性溶剂)改变了电荷分布，使NH官能团更具亲核性(-0.453)，而内酰胺羰基则具有最强的亲电性(+0.472)。与苯肼盐酸盐在冰乙酸和浓盐酸(4:1)中回流反应，则得到了3-甲基-1,5-二苯基-1,5-二氢-4H-吡唑并[4,3-c]喹啉-4-酮(12)。

与异烟肼(INH)反应得到了1,2-二氢喹啉-3-基(亚乙基)异烟酰肼(13)，但其甲酰化尝试未成功。最后，腙衍生物8与各种醛(包括胡椒醛、氯喹啉-3-甲醛、色烯-3-甲醛、二茂铁甲醛、乙二醛和对苯二甲醛)反应，通过Baldwin's规则的6-exo-trig环化，合成了哒嗪并[4,5-c]喹啉酮衍生物14-19。而与酮类化合物反应则得到了开链的双腙产物20-22，而非预期的环化产物。

生物学评价

所有目标化合物都通过MTT法针对A549肺癌细胞系进行了体外抗癌活性筛选，并通过微孔板阿尔玛蓝测定法(MABA)针对Mtb H37Rv菌株进行了体外抗结核活性测试。

体外抗癌筛选显示，化合物15表现出最显著的活性，IC₅₀值为10.38μM。化合物10、14、16、19和21也显示出卓越的活性，IC₅₀值分别为25.23、30.55、12.40、15.91和18.01μM。哒嗪并[4,5-c]喹啉酮衍生物(14-19)表现出最高的活性，IC₅₀值在10.38-30.55μM范围内。

体外抗结核测试表明，化合物15和14表现出卓越的活性，MIC值分别为6.25和8.37μM。化合物6、16、19和21也具有高活性，MIC值分别为18.58、11.34、12.25和14.72μM。

分子模拟研究

分子对接分析揭示了化合物与靶蛋白之间的相互作用模式。对于抗癌靶点EGFR酪氨酸激酶域(1M17)，化合物15显示出最高的对接分数(-9.97 kcal/mol)，其次是16、19、21、10和14。对于抗结核靶点InhA蛋白(1OUZ)，化合物15同样显示出最高的对接分数(-10.59 kcal/mol)，其次是14、16、19、21和6。

DFT计算分析了前沿分子轨道(HOMO和LUMO)和化学反应性参数。化合物14、15、16和19在两种测试中均表现出高效力，具有相近的软度值(0.48-0.54)。基于电子描述符，化合物10显示出较低的能隙(3.37 eV)和高软度值，但由于其较高的极性表面积(PSA)和较低的脂溶性，其实际活性适中。

ADME参数预测显示，所有衍生物均符合Lipinski五规则，具有适当的分子量(<500)、脂水分配系数(MLogP≤5)、氢键供体和受体数量，以及拓扑极性表面积(TPSA)。BOILED-Egg图分析表明，这些化合物具有较高的口服吸收率和良好的类药性。

结构活性关系(SAR)分析

针对A549细胞系，引入哒嗪环与喹啉骨架稠合显著增强了活性，原因是增强了π-π堆积相互作用并与CYS773和GLY772等残基形成了极性氢相互作用。苯并[d][1,3]二氧戊环、喹啉和色酮取代基进一步增强了活性，因为它们能够抑制涉及肿瘤进展和生长的信号通路，包括TNF-α信号通路。

针对Mtb H37Rv，喹啉衍生物是许多上市抗结核药物的常见子结构。连接到稠合哒嗪并[4,5-c]喹啉酮系统的二元苯并杂环取代基对活性有显著影响，活性顺序为：苯并[d][1,3]二氧戊环>喹啉>色酮。

研究结论与意义

本研究成功设计并合成了一系列新型喹啉酮基席夫碱、腙类和稠合哒嗪并喹啉酮衍生物，并对其抗肺癌和抗结核活性进行了全面评价。化合物15表现出最强的双效活性，对A549肺癌细胞的IC₅₀为10.38μM，对Mtb H37Rv的MIC为6.25μM。

分子对接研究揭示了这些化合物与EGFR和InhA靶点的相互作用模式，主要通过π-σ、π-阴离子、π-硫和π-烷基等相互作用实现。DFT计算提供了对化合物化学反应性和稳定性的深入理解，而ADME预测则证实了这些衍生物具有良好的类药性和口服生物利用度。

这项研究的重要意义在于：首先，它提供了一种高效的合成策略，用于构建结构多样的喹啉酮-哒嗪杂化分子；其次，发现了具有双重抗肺癌和抗结核活性的先导化合物，为解决这两种相互关联的全球健康问题提供了新思路；最后，全面的计算生物学研究为理解这些化合物的作用机制和优化方向提供了重要见解，为未来开发新型双效药物奠定了坚实基础。

这些发现不仅有助于推动喹啉酮和哒嗪衍生物在药物化学中的应用，也为开发针对肺癌和结核病的新型治疗剂提供了有价值的分子模板，具有重要的转化医学价值和临床应用前景。