苯氨基甲酰甲氧基硫代半卡巴唑衍生物的体外α-葡萄糖苷酶抑制作用、分子动力学及对接研究：作为潜在的抗糖尿病药物

《Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry》：In vitro α-glucosidase inhibition, molecular dynamics and docking study of phenyl carbamoyl methoxy thiosemicarbazone derivatives as potential anti-diabetic agents

本研究合成了一系列新型酚基羰基甲氧基噻嗪甲酰胺衍生物，并通过生化检测、分子对接和分子动力学模拟评估其α-葡萄糖苷酶抑制活性。结果表明，衍生物7e的抑制效果最强（IC50=23.95±0.038 μM），表现出竞争性抑制特征，且在A549和MDA-MB-453细胞系中显示低细胞毒性。分子对接显示7e与酶活性位点形成稳定氢键和疏水作用，动力学模拟证实其能影响酶的稳定性与构象。该研究为开发新型安全的糖尿病药物提供了候选化合物。

在当今医学研究领域，糖尿病（Diabetes mellitus, DM）作为一种全球性的慢性代谢疾病，正日益受到重视。该疾病的核心特征是血糖水平的异常升高，通常与胰岛素分泌功能障碍、胰岛素抵抗或两者兼有有关。随着糖尿病患病率的不断上升，开发新的治疗策略和药物成为迫切的需求。其中，α-葡萄糖苷酶抑制剂因其在控制血糖方面的显著效果，被认为是治疗糖尿病的重要手段之一。这些药物通过抑制肠道中α-葡萄糖苷酶的活性，减缓复杂碳水化合物的水解过程，从而降低葡萄糖的吸收速率，帮助维持血糖水平的稳定。然而，现有药物如阿卡波糖（acarbose）虽然有效，但也伴随着一定的副作用，如腹胀、腹泻和恶心等。因此，寻找具有更高疗效和更低毒性的新型α-葡萄糖苷酶抑制剂成为研究的重点。

在这一背景下，本研究旨在合成一系列新型的苯基氨基甲酸甲氧基硫代氨基甲酰肼（phenyl carbamoyl methoxy thiosemicarbazone）衍生物，并通过多种实验手段评估其作为α-葡萄糖苷酶抑制剂的潜力。研究方法包括生化实验、细胞毒性检测、分子对接和分子动力学模拟。通过这些手段，研究人员不仅能够评估这些化合物对α-葡萄糖苷酶的抑制效果，还可以探究其对细胞的影响，以及其与酶活性位点之间的相互作用。最终，研究发现，其中一种化合物7e表现出最强的α-葡萄糖苷酶抑制活性，且在细胞毒性测试中显示出较低的毒性，这表明它具有作为新型抗糖尿病药物的潜力。

在研究过程中，合成这些化合物的过程涉及多个化学步骤。首先，通过氯乙酰氯（chloroacetyl chloride）和乙酰胺的反应，得到了一系列的中间产物。随后，将这些中间产物与4-羟基-3-甲氧基苯甲醛（4-hydroxy-3-methoxy benzaldehyde）进行反应，生成了含有苯基结构的化合物。最后，通过与硫代氨基甲酰肼（thiosemicarbazide）的反应，得到了最终的化合物7a至7n。所有化合物的结构均通过电子轰击质谱（EI-MS）、电喷雾电离质谱（ESI-MS）、核磁共振（NMR）等方法进行了鉴定，以确保其化学结构的正确性。

为了进一步理解这些化合物与α-葡萄糖苷酶之间的相互作用，研究人员采用了分子对接技术。通过使用Swiss Model服务器进行同源建模，构建了α-葡萄糖苷酶的三维结构模型。随后，利用AutoDock 4.2软件，对这些化合物与酶的结合情况进行预测。研究发现，化合物7e在分子对接中表现出最佳的结合能力，其与酶活性位点的多个氨基酸残基形成氢键和范德华力，从而有效抑制了酶的活性。此外，7e的结合能显著低于阿卡波糖，这表明其具有更高的亲和力。

为了验证这些化合物的稳定性以及其对酶结构的影响，研究团队进行了分子动力学模拟。通过GROMACS 2022.6软件，使用Amber99SB力场，模拟了α-葡萄糖苷酶在自由状态以及与阿卡波糖和7e结合后的动态行为。模拟结果显示，这些化合物与酶的结合显著影响了酶的结构和动态特性。例如，与7e结合的酶表现出更大的构象变化和较低的稳定性，而与阿卡波糖结合的酶则表现出相对稳定的构象。此外，通过分析根均方偏差（RMSD）、根均方波动（RMSF）和回转半径（Rg）等参数，研究人员发现这些化合物的结合促进了酶的局部灵活性，但对整体结构影响较小。

在体外实验中，研究人员评估了这些化合物对α-葡萄糖苷酶的抑制活性。结果显示，所有合成的化合物均表现出不同程度的抑制效果，其中化合物7e的抑制活性最强，其IC50值为23.95 ± 0.038 μM，远低于阿卡波糖（634.21 ± 0.027 μM）。这表明7e在抑制α-葡萄糖苷酶方面具有显著的优势。为了进一步确定其抑制机制，研究人员进行了动力学实验，发现7e对α-葡萄糖苷酶的作用属于竞争性抑制，即其与底物竞争结合酶的活性位点。这一机制不仅有助于控制血糖水平，还可能减少低血糖的风险，从而提高药物的安全性。

为了评估这些化合物的细胞毒性，研究团队进行了MTT实验，测试了它们对A549（非小细胞肺癌细胞系）和MDA-MB-453（人类乳腺癌细胞系）的影响。结果显示，化合物7e在所有测试浓度下均表现出较低的细胞毒性，其对A549细胞的细胞存活率分别为95.50%、84.26%、75.16%和63.7%，对MDA-MB-453细胞的细胞存活率分别为97.39%、74.65%、66.34%和57.18%。这表明7e在抑制α-葡萄糖苷酶的同时，对正常细胞的毒性较低，具备良好的药物安全性。

研究还对化合物7e与α-葡萄糖苷酶之间的氢键形成情况进行了详细分析。结果显示，7e能够与酶活性位点的多个氨基酸残基形成稳定的氢键，这有助于其抑制酶的活性。此外，通过MM-PBSA方法计算的结合能进一步证实了7e的高效结合能力，表明其在药物设计中具有重要的应用前景。

本研究的结论表明，化合物7e作为一种新型的α-葡萄糖苷酶抑制剂，不仅在体外实验中表现出优异的抑制活性，还在细胞毒性测试中显示出较低的毒性，这使其成为抗糖尿病药物开发中的潜在候选药物。研究还指出，7e的结构特点，如苯基环上的甲基取代，对其抑制活性具有关键影响。这些取代基可能通过增强氢键和范德华力的相互作用，提高其与酶的结合能力。

综上所述，本研究通过系统的合成、结构鉴定、分子对接、分子动力学模拟和细胞毒性测试，验证了新型苯基氨基甲酸甲氧基硫代氨基甲酰肼衍生物作为α-葡萄糖苷酶抑制剂的潜力。其中，化合物7e表现出最显著的抑制活性和最低的细胞毒性，为开发新型抗糖尿病药物提供了重要的科学依据。未来的研究可以进一步优化其结构，提高其选择性和药代动力学特性，从而推动其在临床应用中的进展。