新型磺酸盐-缩氨基脲杂合分子的合成与评价：理论计算、分子模拟及丁酰胆碱酯酶抑制活性研究

《ACS Omega》：New Sulfonate-Semicarbazone Hybrid Molecules: Synthesis, Theoretical Evaluations, Molecular Simulations, and Butyrylcholinesterase Inhibition Activity

本综述系统评价了18种新型磺酸盐-缩氨基脲杂合分子作为丁酰胆碱酯酶（BChE）抑制剂的潜力。研究通过合成、理论计算（DFT）、分子对接与动力学模拟及体外活性测试，发现多个化合物（如12、17、18）的抑制活性（IC50值）优于阳性药吡斯的明，并通过酶动力学证实其为竞争性抑制剂。ADMET预测显示先导化合物具有良好的药代动力学特性，为开发阿尔茨海默病（AD）靶向BChE的多功能药物提供了有前景的候选分子。

　　

引言

阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）是一种慢性神经退行性疾病，其主要病理特征包括淀粉样蛋白-β（Aβ）斑块的积累、神经纤维缠结的形成以及神经元连接的退化。随着疾病进展，胆碱能神经元丢失导致乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh）水平显著下降。在AD中，乙酰胆碱酯酶（Acetylcholinesterase, AChE）和丁酰胆碱酯酶（Butyrylcholinesterase, BChE）共同调节ACh的水解。疾病晚期，BChE活性上升，加剧ACh的耗竭，因此，抑制BChE已成为AD治疗的重要替代策略。

结果与讨论

化学合成

本研究设计并合成了18种新型的(E)-4-[(2-氨基甲酰肼亚基)甲基]苯基取代的苯磺酸盐衍生物（1–18）。合成路线涉及对羟基苯甲醛与相应的磺酰氯衍生物在 triethylamine (TEA) 存在下反应，生成芳基磺酰氧基苯甲醛中间体（A1–A18），随后与氨基脲缩合得到目标缩氨基脲-磺酸盐杂合分子，产率优异（93–98%）。所有新化合物的结构均通过FT-IR、¹H NMR和¹³C NMR光谱确证。

理论计算（DFT）研究

对活性最优的化合物12、17和18进行了密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算，以探究其电子结构特性。前沿分子轨道（Frontier Molecular Orbitals, FMOs）分析表明，化合物18的最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）能级最高（-6.368 eV），显示出最强的电子供给能力；而化合物12的最低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）能级最低（-2.047 eV），表明其易于接受电子。全局反应性参数（Global Reactivity Parameters, GRPs）如化学势（μ）、硬度（η）和亲电性指数（ω）的计算结果显示，化合物17具有最高的亲电性指数，而较低的亲电性通常与更高的生物活性相关。分子静电势（Molecular Electrostatic Potential, MEP）图直观展示了分子表面的电荷分布，为理解其与酶活性位点的相互作用提供了依据。

体外胆碱酯酶抑制研究

体外酶抑制实验结果显示，该系列化合物对BChE表现出不同程度的抑制活性，IC₅₀值范围在61.88至346.57 μM之间。其中，化合物12（R = -OCF₃， IC₅₀= 61.88 μM）、17（R = 1-萘基， IC₅₀= 77.02 μM）和18（R = 2-萘基， IC₅₀= 93.67 μM）的活性显著优于阳性对照药吡斯的明溴化物（IC₅₀= 130.04 μM）。构效关系分析表明，具有强吸电子特性且无过大空间位阻的取代基（如-OCF₃）或能提供大芳香表面积（如萘基）的基团，有利于与BChE较大的活性空腔结合，从而增强抑制活性。

酶动力学研究

对最具潜力的抑制剂12、17和18进行了酶动力学研究。Lineweaver-Burk双倒数作图分析显示，随着抑制剂浓度增加，Km值增大而Vmax保持不变，这是竞争性抑制的典型特征。抑制常数（Ki）计算表明，化合物18的Ki值最低（5.49 ± 0.33 μM），表明其与BChE活性位点的结合亲和力最强。这些结果证实了这些化合物作为可逆竞争性BChE抑制剂的作用机制。

分子对接

分子对接研究揭示了化合物与BChE（PDB: 4DBS）活性位点的相互作用模式。化合物18获得了最高的MolDock结合得分（-138.27），其主要相互作用包括与Gln67、Asn68、Asn83、Gly121和Trp82的氢键，以及与Trp82的π-π堆积、与His438的π-硫相互作用和与Asp70的π-阴离子相互作用。化合物12和17也展示了多样的相互作用，如氢键、卤键（化合物12与Leu286）和疏水相互作用，这些相互作用共同稳定了配体-酶复合物。

分子动力学（MD）模拟

为了评估结合稳定性，对BChE与化合物12、17、18及阳性对照他克林（Tacrine）的复合物进行了100 ns的分子动力学模拟。蛋白质骨架的均方根偏差（Root-Mean-Square Deviation, RMSD）分析表明，所有复合物在约20 ns后达到平衡，他克林和化合物18的复合物显示出最低的RMSD值，表明其结构最为稳定。配体RMSD轨迹显示化合物12和17在结合口袋内构象波动较小。均方根涨落（Root-Mean-Square Fluctuation, RMSF）分析表明，关键活性位点残基（120-180区域）在所有体系中均保持低波动性。氢键分析显示化合物18形成的平均氢键数量最多（1.93），而化合物17与关键残基Thr120和Tyr440形成了高占据率（分别为29%和38%）的稳定氢键。MMGBSA结合自由能计算进一步证实，化合物17具有最有利的平均结合能（-54.74 kJ/mol），优于他克林（-47.57 kJ/mol）。

ADMET性质预测

采用SwissADME、ProTox-II和PKCSM等在线工具对先导化合物12、17和18进行了计算机ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）性质预测。所有化合物均符合Lipinski五规则，具有较好的口服生物利用度潜力。它们表现出高的人体肠道吸收率（81.26%至89.34%），但均不能穿透血脑屏障（BBB）。毒性预测显示，所有化合物的预测LD₅₀值均较高（10750 mg/kg），属于6级毒性类别（低毒）。值得注意的是，化合物12被预测无致突变性（AMES阴性）和无致癌性，而化合物17和18则显示AMES阳性和潜在致癌性。

实验部分

详细描述了化合物的合成方法、光谱表征数据、体外酶抑制实验（采用改良的Ellman法）、酶动力学测定、分子对接（使用Molegro Virtual Docker软件）、分子动力学模拟（使用GROMACS软件包）以及计算机ADMET预测所采用的具体实验步骤和计算参数。

结论

本研究成功合成并评价了一系列新型磺酸盐-缩氨基脲杂合分子作为BChE抑制剂的潜力。综合体外活性、酶动力学、分子对接、分子动力学模拟和ADMET预测结果表明，化合物12、17和18是极具前景的BChE竞争性抑制剂候选物。特别是化合物17，在分子动力学模拟中表现出优异的结合稳定性和最低的结合自由能。这些发现为基于缩氨基脲和磺酸盐杂合骨架开发用于治疗阿尔茨海默病的新型BChE抑制剂提供了坚实的实验和理论基础。