基于奥辛多啉-哌啶-磺酰基杂化物的新型α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶双重抑制剂的合成、分子对接及动力学模拟研究

《Scientific Reports》：Oxindole based sulfonyl derivatives synthesized as potent inhibitors of alpha amylase and alpha glucosidase along with their molecular docking study

本研究针对现有糖尿病药物副作用大的问题，合成了16种新型奥辛多啉-哌啶-磺酰基衍生物。结果显示化合物7和16对α-淀粉酶(IC50=1.90-2.20 μM)和α-葡萄糖苷酶(IC50=1.20-2.30 μM)表现出优于阿卡波糖的抑制活性。分子对接和200 ns分子动力学模拟证实其通过卤键和疏水作用与催化口袋稳定结合，ADMET预测显示良好的成药性，为开发新型抗糖尿病先导化合物提供了重要依据。

　　

糖尿病作为全球最严重的代谢性疾病之一，正以惊人的速度蔓延。据国际糖尿病联盟最新数据，全球糖尿病患者人数已从2000年的2.8%骤增至目前的4.4%，预计到2050年将突破13亿大关。这种慢性疾病会破坏人体对蛋白质、碳水化合物和脂质的正常代谢，导致持续高血糖状态，进而引发多种严重并发症。

目前临床上常用的α-葡萄糖苷酶抑制剂（如阿卡波糖、伏格列波糖和米格列醇）虽然能够有效控制餐后血糖，但长期使用会导致低血糖、头痛、恶心和头晕等一系列不良反应。这促使科研人员不断寻找更安全有效的新型抗糖尿病药物。在众多候选化合物中，杂环化合物因其高效、易得和副作用小等优势备受关注，其中吲哚类化合物已被证明能与糖尿病相关靶点酶产生良好相互作用。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，由Muhammad Taha领衔的国际研究团队设计合成了一系列结构新颖的奥辛多啉(oxindole)-哌啶(piperidine)-磺酰基(sulfonyl)杂化衍生物，并系统评估了它们对α-淀粉酶(alpha-amylase)和α-葡萄糖苷酶(alpha-glucosidase)的抑制活性。研究人员通过巧妙的分子设计，将具有显著生物活性的奥辛多啉骨架与能够增强水溶性和空间取向的哌啶 linker（连接基团）以及具有优异生物学特性的磺酰基团进行组合，旨在开发出具有双重抑制活性的新型抗糖尿病先导化合物。

关键技术方法包括：通过核磁共振(¹H NMR、¹³C NMR)和高分辨质谱(HREI-MS)对合成的16种衍生物进行结构表征；采用体外酶活性测定法评估化合物对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的半抑制浓度(IC₅₀)；运用AutoDock Vina进行分子对接研究结合模式；通过200纳秒分子动力学(MD)模拟验证复合物稳定性；利用MM-GBSA(Molecular Mechanics Generalized Born Surface Area)方法计算结合自由能；进行计算机ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）性质预测。

化学合成

研究人员以1-(哌啶-4-基)吲哚-2-酮为起始原料，在吡啶溶剂中与不同取代的芳基磺酰氯于55°C反应24小时，成功合成了16种目标化合物(1-16)。通过薄层色谱(TLC)监测反应进程，甲醇重结晶纯化，收率在58%-81%之间。所有化合物均通过¹H NMR、¹³C NMR和HREI-MS进行了充分表征，确认其结构为1-(1-(芳基苯磺酰基)哌啶-4-基)吲哚-2-酮衍生物。

生物活性

所有合成的类似物均显示出优异的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性，IC₅₀值分别在1.90±0.10至16.80±0.30 μM和1.20±0.01至15.40±0.30 μM范围内，显著优于标准药阿卡波糖(IC₅₀=12.80±0.10 μM for α-淀粉酶，12.90±0.10 μM for α-葡萄糖苷酶)。其中化合物16(对位甲氧基取代)对α-淀粉酶的抑制活性最强(IC₅₀=1.90±0.10 μM)，而化合物7(对位三氟甲基取代)对α-葡萄糖苷酶的抑制活性最佳(IC₅₀=1.20±0.01 μM)。

结构活性关系(SAR)

通过系统分析不同取代基对活性的影响，建立了初步的构效关系。研究发现苯环上取代基的类型和位置对抑制活性有显著影响：对位甲氧基取代的化合物16比对位硝基取代的化合物1活性提高近9倍，表明给电子基团有利于活性；三氟甲基取代的化合物中，对位取代(化合物7)的活性优于间位(化合物15)和邻位(化合物9)，这归因于对位取代基可更好地嵌入酶活性口袋而不引起空间位阻；氟原子和氯原子取代的化合物也显示出类似规律，间位和对位取代的活性均优于邻位取代。此外，甲基取代的化合物(4、11、12)活性相对较弱，表明甲基可能不直接参与酶相互作用。

分子对接研究

选择活性最好的化合物7、9和15进行分子对接研究。结果显示，结合自由能(△G)与实验测得的IC₅₀值高度一致：对α-葡萄糖苷酶，化合物7、15和9的△G值分别为-9.3、-8.6和-8.0 kcal/mol；对α-淀粉酶，相应值分别为-8.77、-8.55和-7.93 kcal/mol。与阿卡波糖主要通过氢键网络结合不同，活性化合物通过卤键、π-π堆积和疏水相互作用与关键残基(如α-葡萄糖苷酶的Arg312、Lys155、His239和Phe157；α-淀粉酶的His305、His201和Trp59)形成稳定复合物。

分子动力学模拟

对最活跃的化合物7与两种酶形成的复合物进行了200 ns分子动力学模拟。α-葡萄糖苷酶-化合物7体系的Cα RMSD（均方根偏差）稳定在1.5-2.2 ?范围内，表明复合物结构保持稳定。MM-GBSA结合自由能计算显示平均△G_bind约为-25 kcal mol^-1，其中范德华力和疏水作用为主要贡献项。α-淀粉酶-化合物7复合物也显示出类似的稳定性，平均△G_bind为-36.68 kcal mol^-1。

计算机ADMET分析

对化合物7、9和15的ADMET性质预测表明，三者均具有高胃肠道吸收性和血脑屏障透过性，log P值在2.70-2.91之间，符合Lipinski五规则（类药五法则）且无PAINS（泛筛选干扰化合物）或Brenk结构警报。其中化合物7表现出最均衡的药代动力学特征，溶解度好(log S=-3.89)，CYP（细胞色素P450）抑制倾向低，生物利用度评分为0.55。

本研究成功设计合成了一系列新型奥辛多啉-哌啶-磺酰基衍生物，并发现多个化合物具有优于标准药阿卡波糖的双重α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性。通过综合运用结构活性关系分析、分子对接、分子动力学模拟和ADMET预测，系统阐明了此类化合物的抑制机制和成药潜力。化合物7和16作为最有前景的先导化合物，其独特的卤键介导的结合模式为开发新型抗糖尿病药物提供了新思路。尽管该研究在酶活性和计算模拟方面取得了重要成果，但作者也指出其局限性，包括缺乏体内药效验证和共晶结构确认，这些将是未来研究的重点方向。这项工作不仅为糖尿病治疗提供了新的候选化合物，也为基于结构的合理药物设计提供了有价值的信息。