吡拉诺塔克林类化合物作为潜在的多靶点抗阿尔茨海默病药物

《Bioorganic & Medicinal Chemistry》：Pyranotacrines as prospective multi-target compounds against Alzheimer's disease

阿尔茨海默病多靶点治疗剂pyranotacrines合成及活性研究，化合物6c高效抑制AChE（IC50=0.06 μM）和BuChE（IC50=0.09 μM），钙通道阻滞率46%，显著抑制β-淀粉样蛋白聚合（IC50=1.09 μM），兼具抗氧化（10.36 TE）和金属螯合能力，细胞毒性低（Si=2273）。

　　近年来，阿尔茨海默病（AD）作为全球范围内影响老年人认知功能的神经退行性疾病，受到了广泛关注。AD的发病机制复杂，涉及多个病理过程，如β-淀粉样蛋白（Aβ）的积累、tau蛋白的异常聚集、神经炎症、氧化应激以及金属离子的失衡等。这些因素共同作用，导致神经元功能障碍、细胞死亡以及认知能力的逐步衰退。因此，针对AD的治疗策略需要能够同时干预多个病理过程的多靶点药物，以提高治疗效果并减少副作用。

在AD的治疗研究中，乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制剂一直占据重要地位。乙酰胆碱（ACh）是大脑中参与神经信号传递的重要神经递质，而AChE则是其降解的关键酶。通过抑制AChE的活性，可以增加突触间隙中的ACh浓度，从而改善认知功能。目前，FDA批准的AChE抑制剂包括 Tacrine、Galantamine、Rivastigmine 和 Donepezil，而 Memantine 则是唯一不直接抑制AChE的药物，其作用机制主要涉及NMDA受体的调节。然而，单一靶点药物在应对AD的多因素发病机制时存在局限性，因此多靶点药物（MTDLs）的研发成为当前研究的热点。

研究发现，AChE的两个主要结合位点——催化阴离子位点（CAS）和外围阴离子位点（PAS）——在药物作用机制中具有重要作用。其中，PAS位点在Aβ聚集过程中表现得尤为关键，其功能的增强可以有效抑制Aβ的沉积和毒性。因此，设计能够同时结合这两个位点的药物，有助于提高其对AD的治疗效果。此外，但酰胆碱酯酶（BuChE）在维持正常条件下神经元中的ACh水平方面也发挥着重要作用，尤其是在AChE活性下降时。因此，BuChE作为另一个重要靶点，也被纳入AD治疗策略的考虑范围。

Aβ的积累是AD发病的重要环节。Aβ在疾病早期以可溶性形式释放，被认为与认知功能障碍有关。随着疾病的进展，Aβ逐渐形成寡聚体、多聚体和纤维状结构，从而加剧神经退行性变化。最终，Aβ形成细胞外的斑块，这是AD大脑中可检测到的关键形态学特征之一。此外，研究还表明，体内金属离子如铜（II）、锌（II）和铁（II）能够与Aβ结合，导致神经毒性以及氧化应激的增加。因此，针对Aβ和金属离子的干预，可能成为缓解AD症状的重要手段。

在应对AD的多因素发病机制时，钙离子通道阻断剂也显示出潜在的治疗价值。钙离子在神经元功能调节中起着关键作用，影响学习、记忆和神经元的存活。然而，钙离子稳态的紊乱被认为会促进Aβ的合成，通过激活β-分泌酶（BACE-1）并依赖于细胞内钙信号传导，最终导致神经元的退化和死亡。因此，通过阻断钙离子通道，可以有效抑制Aβ诱导的神经元退化、神经毒性以及细胞损伤。这一作用机制使得钙离子通道阻断剂成为AD治疗策略的重要组成部分。

1,4-二氢吡啶（1,4-DHPs）是已知的广泛用于钙离子通道阻断的化合物，如Nimodipine和Nifedipine。这些药物不仅能够改善慢性有机脑病患者的认知和行为症状，还能通过增加脑血流和预防脑血管损伤来缓解AD相关的症状。研究表明，1,4-DHP环的中心NH结构是其钙离子拮抗活性的关键，因此通过将NH替换为O，可以生成4H-吡喃衍生物，如化合物I，其能够有效阻断钙离子激活的钾离子通道（IKCa）。

基于上述研究，科学家们设计并合成了新的系列4H-吡喃衍生的多靶点化合物，包括化合物3a-n、5a-h和6a-h。这些化合物结合了Tacrine的胆碱酯酶抑制活性和4H-吡喃的钙离子通道阻断以及Aβ聚集抑制功能，同时具备抗氧化和金属离子螯合特性。其中，化合物6c在多个靶点上表现出良好的平衡性，显示出对AD的多靶点治疗潜力。

在生物活性评估中，化合物6c对AChE的抑制活性尤为突出，其IC50值为0.06 ± 0.005 μM，是标准药物Tacrine的3倍更有效。此外，化合物6c对BuChE的抑制活性也表现出显著优势，其IC50值为0.09 ± 0.016 μM，是Rivastigmine的8倍更有效。这些结果表明，化合物6c在抑制胆碱酯酶方面具有较高的效力，能够有效维持神经元中的ACh水平，从而改善认知功能。

化合物6c还表现出对钙离子通道的阻断能力，其阻断效率达到46%。这表明，化合物6c在抑制钙离子流入神经元方面具有一定的效果，有助于防止Aβ诱导的神经元退化和细胞损伤。此外，化合物6c对Aβ聚集的抑制活性也十分显著，其IC50值为1.09 ± 0.05 μM，能够抑制71%的Aβ聚集。这一结果进一步证明，化合物6c在对抗AD的病理过程中具有多方面的功能。

在抗氧化方面，化合物6c表现出较高的抗氧化活性，其抗氧化能力相当于10.36个茶多酚（TE）单位。此外，化合物6c还显示出对金属离子的螯合能力，能够有效结合铜（II）、锌（II）和铁（II）等金属离子，从而减少其与Aβ的相互作用，降低神经毒性。这些特性使得化合物6c在对抗AD的氧化应激和金属离子失衡方面具有重要的应用价值。

在安全性评估中，化合物6c表现出对SH-SY5Y正常细胞和HepG2癌细胞的良好安全性，其安全性指数（Si）达到2273。这一结果表明，化合物6c在不影响正常细胞功能的情况下，能够有效抑制异常细胞的增殖，从而减少药物的毒副作用。此外，化合物6c还表现出良好的血脑屏障（BBB）渗透性，这使得其能够有效地进入大脑，对AD的病理过程进行干预。同时，其药代动力学特性也显示出良好的生物利用度和稳定性，为临床应用提供了理论支持。

为了进一步验证化合物6c的作用机制，研究人员还进行了分子对接研究，使用Autodock软件版本2012和Discovery Studio Visualizer 2021进行分析。结果表明，化合物6c能够同时结合AChE的两个关键结合位点——CAS和PAS，这可能是其对AChE具有高度抑制活性的原因之一。此外，分子对接研究还揭示了化合物6c与钙离子通道以及Aβ的结合模式，为理解其多靶点作用机制提供了重要的依据。

通过化学合成方法，研究人员设计并合成了新的系列4H-吡喃衍生的多靶点化合物。这些化合物的合成过程主要通过Knoevenagel缩合反应生成2-芳基亚胺基丙二腈（化合物1a-o），然后在醚溶剂中，在温和的碱性条件下使用哌啶进行Michael加成反应，生成4H-吡喃结构。这一合成策略不仅能够有效生成具有多靶点活性的化合物，还能通过引入不同的功能基团，如乙酰基、乙酯基和碳酰肼基，进一步优化其生物活性和安全性。

研究结果表明，化合物6c在多个靶点上表现出良好的平衡性，能够有效抑制AChE、BuChE、Aβ聚集以及钙离子流入，同时具备抗氧化和金属离子螯合能力。这些特性使得化合物6c在应对AD的复杂病理过程时具有重要的应用潜力。此外，化合物6c的良好安全性指数和BBB渗透性也为其临床应用提供了重要的支持。

综上所述，化合物6c作为多靶点药物，展示了对AD的全面干预能力。其在抑制AChE和BuChE方面的高效性，结合对Aβ聚集和钙离子通道的阻断能力，以及抗氧化和金属离子螯合特性，使其成为一种具有广泛应用前景的AD治疗药物。未来的研究可以进一步探讨化合物6c在临床中的应用效果，并优化其化学结构，以提高其治疗效果和安全性。