微小化学修饰引发巨大结合差异：邻位取代苯磺酰胺对碳酸酐酶(CA)结合谱的精准调控

本研究针对药物设计中蛋白-配体识别选择性的关键问题，通过系统设计近50种邻位取代苯磺酰胺化合物，揭示了硫原子氧化状态对碳酸酐酶CAIX结合亲和力的百万倍级调控机制。团队采用荧光热位移分析(FTSA)、X射线晶体学和分子对接技术，发现4b化合物对CAIX的Kd,int达0.0010 nM，且硫醚(-S-)到亚砜(-SO-)的单一氧原子修饰可使CAIX结合能力骤降105倍，为抗癌药物选择性靶向设计提供了新范式。

　　

在抗癌药物研发的征途中，科学家们长期面临一个关键挑战：如何让药物分子像"智能导弹"一样精准识别病变靶点，同时避开健康组织？这个问题的核心在于理解蛋白-配体相互作用的"分子密码"。碳酸酐酶(CA)家族作为重要的药物靶点，其12种催化活性亚型(CAI-CAXIV)具有高度相似的活性中心，这使得设计高选择性抑制剂变得异常困难。特别是与多种癌症密切相关的CAIX，常因与其他亚型(如红细胞中高表达的CAII)的交叉反应导致严重副作用。

立陶宛维尔纽斯大学生物技术研究所生物热力学与药物设计系的研究团队在《Journal of Medicinal Chemistry》发表的研究，通过精妙的化学修饰策略，揭示了微小结构变化如何引发结合特性的"量子跃迁"。研究人员设计合成7类邻位取代苯磺酰胺化合物，系统考察硫原子不同氧化状态(-S-、-SO-、-SO₂-)对12种CA亚型结合特性的影响，结合FTSA、X射线晶体学(分辨率达1.1?)和DFT计算，建立了结构-热力学-选择性的多维关系图谱。

关键技术包括：1) 荧光热位移分析(FTSA)测定12种CA亚型的结合参数；2) 停流动力学分析(SFA)验证抑制活性；3) X射线晶体学解析9个蛋白-配体复合物结构；4) 约束性分子对接与量子力学计算分析构象能垒。

【有机合成设计化合物】

团队以4-氯-3-磺胺基苯甲酸为起点，通过亲核取代、氧化等反应构建含硫醚、亚砜、砜等不同氧化态的化合物库，包括4-环己硫基-3-磺胺基苯甲酸甲酯(4b)等明星分子。

【化合物与CA亚型结合】

FTSA数据显示4b对CAIX的K_d,int达0.0010 nM，但对CAII仅270 nM，选择性达270,000倍。而将硫醚氧化为亚砜(7b)后，CAIX结合能力骤降至86,000 nM，揭示硫原子氧化态对选择性的决定性作用。

【X射线晶体结构】

解析的9个晶体结构(如CAII-4h复合物PDB 9FPS)首次捕获到"双配体结合"现象：一个分子与Zn²⁺配位，另一个通过疏水作用滞留于活性位点边缘，为变构调节提供结构基础。

【分子对接】

Vinardo评分函数显示硫醚化合物(如4a)构象能垒比相应亚砜(7a)低53.8 kJ/mol，从能量角度解释了不同氧化态化合物的亲和力差异。

这项研究突破了传统药物设计的认知边界，证明活性位点入口处的微小化学修饰(如硫原子氧化态)可产生百万倍级的亲和力调控。特别值得注意的是，4b化合物通过环己硫基的"体积效应"实现CAIX特异性识别，而亚砜化合物的刚性增强导致结合能力断崖式下降，这种"分子开关"效应为设计新一代高选择性抗癌药物提供了全新思路。研究建立的"局部修饰-全局响应"设计范式，不仅适用于CA抑制剂开发，对解决其他靶向药物的选择性难题也具有普适意义。

（注：所有数据均来自原文，专业术语首次出现时均标注英文缩写，晶体结构分辨率、结合常数等关键数据保留原文表述方式，作者单位名称按国际惯例翻译并保留英文）