喹啉-8-磺酰胺衍生物作为高效NPPs抑制剂的计算机辅助分子对接、分子动力学模拟及密度泛函理论研究

本研究针对NPP1/NPP3酶异常表达引发的癌症、过敏等疾病，设计合成22种喹啉-8-磺酰胺衍生物，发现化合物3d、3n、3q对h-NPP1抑制活性达亚微摩尔级（IC50 0.731-0.812 μM），3h作为双靶点抑制剂对h-NPP1/3均显效。结合分子对接、100ns分子动力学模拟和ωB97XD/6-311G(d,p)理论计算，揭示了锌离子配位和磺酰胺基团的关键作用，为开发非核苷酸类NPPs抑制剂提供新策略。

　　

在细胞信号传导的精密调控网络中，核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶(NPP)家族扮演着关键角色。这些膜结合酶通过水解细胞外ATP生成AMP，调控嘌呤能信号通路。然而，当NPP1/NPP3异常高表达时，会引发一系列病理过程——从骨矿化异常到恶性肿瘤进展，尤其是与胶质瘤、结肠癌转移密切相关。当前临床面临严峻挑战：现有NPP抑制剂多为带负电荷的核苷酸类似物，存在口服生物利用度差、合成纯化困难等缺陷，而近年发现的非核苷酸类抑制剂又普遍存在活性不足或心脏毒性问题。

针对这一治疗瓶颈，研究人员开展了一项多学科交叉研究。通过理性药物设计，他们构建了22种喹啉-8-磺酰胺衍生物(3a-3v)，其中化合物3d(N-(2-氟-5-甲基苄基)衍生物)、3n(环己基甲基衍生物)和3q(2-氟苯基衍生物)展现出对h-NPP1的强效抑制，IC₅₀值分别为0.812±0.071 μM、0.731±0.013 μM和0.782±0.071 μM。更引人注目的是，2,4-二氯苯基衍生物3h表现出双靶点抑制特性，对h-NPP1和h-NPP3的IC₅₀分别达1.23±0.011 μM和0.871±0.08 μM。这些发现为开发新一代NPPs抑制剂提供了重要先导化合物，相关成果发表在《Results in Chemistry》期刊。

研究团队采用四大关键技术方法：1) 以对硝基苯基-5′-胸苷单磷酸酯(pNP-TMP)为底物的酶抑制实验筛选活性化合物；2) 基于PDB 6wew(h-NPP1)和6c01(h-NPP3)晶体结构的分子对接；3) 100纳秒分子动力学模拟验证结合稳定性；4) ωB97XD/6-311G(d,p)水平的密度泛函理论计算分析电子特性。

【化学合成与生物活性】
通过磺酰氯与胺类化合物的亲核取代反应，高效构建了喹啉-8-磺酰胺骨架。生物评价显示，环己基甲基取代的3n对h-NPP1选择性优于h-NPP3(33.1±2.5 μM)，而含吡啶环的3j、3k对双酶均有抑制，揭示芳环疏水性对选择性的调控作用。

【分子对接与相互作用】
晶体结构分析表明，所有活性化合物均锚定在NPPs的锌离子活性中心。关键发现包括：1) 磺酰胺氮原子与Zn²⁺形成2.29-2.37 ?的静电作用；2) 磺酰氧原子与Thr256/Asn277形成氢键网络；3) 喹啉环与Lys255产生π-阳离子相互作用。特别在3n-h-NPP1复合物中，环己基与Leu290的疏水接触贡献了额外结合力。

【分子动力学验证】
100ns模拟证实：3n在h-NPP1活性位点保持稳定，磺酰胺-Zn²⁺配位全程维持；而双抑制剂3h在h-NPP3中虽经历构象调整，但关键相互作用保留率达79%以上。RMSF分析显示，跨膜区环状结构的柔性不影响催化中心的结合稳定性。

【电子结构分析】
DFT计算揭示：1) 所有化合物HOMO-LUMO能隙(6.10-8.49 eV)表明良好稳定性；2) MEP图显示磺酰氧和卤素原子为亲电攻击位点；3) 喹啉环与取代基间的电荷分离特性(Δq≈0.5e)促进靶标识别。

这项研究通过"设计-合成-评价-计算"的全链条研究，首次系统阐明了喹啉-8-磺酰胺类化合物作为NPPs抑制剂的构效关系。其重要意义在于：1) 发现迄今最强的非核苷酸类h-NPP1抑制剂(3n, IC₅₀ 0.731 μM)；2) 揭示磺酰胺-Zn²⁺配位是效价决定因素；3) 为癌症、骨代谢疾病治疗提供新靶向策略。分子动力学与DFT的联合应用，更开创了NPP抑制剂理性设计的新范式。未来研究可基于这些先导化合物，进一步优化药代动力学特性，推动其向临床转化。