《Bioorganic Chemistry》：Reconnecting new tetrahydrobenzothieno-4-pyrimidine amides as potent PIM-1 kinase inhibitors
via an integrated ligand and structure based scaffold hopping:
In vitro anti-tumor investigations
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本研究通过药效团虚拟筛选设计四氢苯并噻吩-4-吡啶酰胺类化合物，发现新型PIM-1激酶抑制剂7k，其IC50为2.05 μM，显著抑制HT-29、PC3、A549癌细胞增殖并诱导凋亡，分子动力学模拟显示其与激酶活性位点的稳定结合（抑制率74.15%±2.90%），药效团模型预测吸收百分比为91.15%。
Vinayak Walhekar | Amol Muthal | Mahesh Ghaisas | Nagarjuna Rao Mamidipalli | Raghavendra Kulkarni | Ravindra Kulkarni
BVDU的Poona药学院，Erandawane，Pune 411038，马哈拉施特拉邦，印度
摘要
PIM1因其参与细胞增殖的激活和抗凋亡过程，被认为是发现新型抗癌药物的重要分子靶点之一。迄今为止，市场上还没有针对PIM-1激酶的药物，因此这种激酶成为开发新型抑制剂的关键靶点。本研究采用基于药效团的虚拟筛选技术，筛选出含有四氢苯并噻吩-4-嘧啶酰胺骨架的化合物。合成了一系列含有该骨架的分子，并对其进行了表征和测试，评估了它们对多种细胞系、PIM1激酶的抑制活性及抗凋亡作用。最终发现化合物7k 是一种有效的PIM-1激酶抑制剂，能够显著抑制HT-29、PC3和A549癌细胞的增殖。7k 在HT-29细胞系中诱导了显著的凋亡效应，其抑制PIM-1激酶的活性为74.15 ± 2.90%。7k 与Asp128形成了稳定的氢键，并在分子动力学模拟中表现出较高的稳定性。7k 在体外药代动力学（ADME）评估中表现出优异的特性，预测吸收百分比为91.15%。这些结果表明7k 是开发新型PIM激酶抑制剂作为抗癌药物的有希望的候选分子。
引言
癌症的发展和进展与酪氨酸激酶和丝氨酸/苏氨酸激酶的功能失调密切相关[1,2]。PIM激酶（Moloney鼠白血病病毒的插入位点）属于CAMK（钙调蛋白依赖性蛋白激酶）家族中的丝氨酸/苏氨酸激酶成员，包括PIM-1、PIM-2和PIM-3三种异构体[3]。这些异构体之间具有较高的同源性，其中PIM-2与PIM-1的序列相似度为53%[4]。DNA微阵列分析表明PIM激酶在人类前列腺癌的发生中起重要作用，其表达水平与临床结果一致[5]。PIM激酶在癌症中扮演多种角色，包括代谢、细胞存活、转移以及对现有治疗的耐药性[6,7]。PIM激酶的信号传导主要通过JAK/STAT信号通路调节，即生长因子与受体结合激活JAK，进而使STAT结合到PIM-1基因上的ISFR/GAS序列，从而合成PIM蛋白。PIM激酶还能磷酸化多种细胞蛋白（如CDC25A/C、MYC、CXCR4），这些蛋白参与细胞存活和增殖。激酶功能的失调（如过度磷酸化）会导致癌症[8,9]。
PIM激酶的晶体结构与其他激酶不同，其铰链区域含有额外的Pro123残基，由于缺乏羰基官能团，该残基无法与ATP形成稳定的氢键。这一特性对于设计新型分子至关重要。由于目前市场上尚无针对PIM激酶的药物，PIM激酶成为开发新型抗肿瘤抑制剂的研究焦点[10]。尽管几十年来已有多种PIM激酶抑制剂被报道，但由于毒性问题，没有一种能够通过临床试验[11,12]。
本研究采用骨架跳跃策略，基于先前报道的四氢苯并噻吩-4-嘧啶酮骨架设计并开发了新的类似物，这些类似物显示出一定的PIM激酶抑制活性，但未能进入临床试验阶段。本研究通过药效团建模、机器学习建模、分子对接和分子动力学模拟等方法，系统地设计了四氢苯并噻吩-4-嘧啶酰胺类化合物。确定了目标化合物并设计了其类似物，通过与PIM-1激酶的对接来评估它们的结合能力。同时进行了分子动力学模拟，以评估配体在活性位点的结合稳定性。合成的化合物将用于测试其对PC3、A549和HT29癌细胞系的抗增殖作用，并通过PIM激酶酶抑制实验来筛选出有潜力的候选抑制剂。
部分内容摘录
药效团假设、数据库筛选和机器学习（ML）
药效团假设的提出基于共晶体抑制剂ETP46546与PIM-1激酶（PDB ID:
4A7C ）的结合分析。这一分析有助于识别关键特征，如芳香环结构、两个疏水基团以及一个氢键受体。这些特征构成了后续构建全面药效团模型的基础。
分子杂交
为应对癌症这一严峻问题，亟需开发新的抗癌候选分子。多年来虽然开发出了多种PIM激酶抑制剂，但其中只有SGI-1776和AZD-1208具有临床潜力，然而SGI-1776在I期临床试验中因心脏毒性问题而未能成功。噻吩嘧啶酰胺类化合物的设计基于骨架跳跃策略。
结论
本研究通过药效团建模和基于结构的骨架跳跃方法，成功设计并发现了一种新型PIM-1激酶抑制剂7k ，该抑制剂能够有效抑制肿瘤细胞的生长。7k 对结肠癌细胞系的抑制作用显著，IC50 值为2.05 μM。由于其抗增殖作用，7k 还能诱导HT-29细胞的凋亡，从而增强其治疗潜力。
CRediT作者贡献声明
Vinayak Walhekar： 撰写原始草案、方法论设计、实验研究。Amol Muthal： 数据验证、数据管理。Mahesh Ghaisas： 资金获取、数据分析。Nagarjuna Rao Mamidipalli： 撰写原始草案、数据管理。Raghavendra Kulkarni： 资源协调、项目管理。Ravindra Kulkarni： 文本修订与编辑、软件应用、项目管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
Vinayak Walhekar感谢Pune Poona药学院的校长提供的持续支持；Ravindra Kulkarni感谢BLDEA大学管理团队在细胞系研究方面提供的帮助。
