靶向结核分枝杆菌CYP121A1的唑类色满-4-酮、四氢萘酮与色烯-4-酮衍生物：合成、酶抑制及抗分枝杆菌活性

《Medicinal Chemistry Research》：Azole chroman-4-one, tetralone and chromen-4-one derivatives: synthesis, Mycobacterium tuberculosis CYP121A1 enzyme inhibition and antimycobacterial activity

　　

结核病（tuberculosis，TB）仍是全球重大健康挑战，耐药结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，Mtb）株的出现及现有治疗方案的限制推动了相关研究。Mtb特有的20种CYP酶（细胞色素P450酶）是一类尚未充分开发的靶标，为选择性抑制提供了机会；其中CYP121A1（结核分枝杆菌细胞色素P450 121A1）被认为是有前景的靶标。研究人员合成了三类采用色满-4-酮、四氢萘酮或色烯-4-酮药效团的唑类衍生物，并评价其对Mtb CYP121A1的结合亲和力（K_D）以及对野生型和耐药Mtb株的活性。在这三类系列中，与4-F（6g）和4-Cl（6h）苯环相连的丙氧基四氢萘酮在结合亲和力（CYP121A1 K_D：6g 0.18 ± 0.1 μM；6h 0.22 ± 0.12 μM，对照cYY 12.3 ± 1.1 μM）和对野生型H37Rv株的抗分枝杆菌活性（MIC：6g 12.5 μM，2.7 μg/mL；6h 6 μM，2.4 μg/mL）及对mc27902三重营养缺陷型药物敏感株的活性（MIC：6g 2.6 μM，1 μg/mL；6h 2.5 μM，1 μg/mL）方面总体最具前景，与乙胺丁醇和乙硫异烟胺相当。重要的是，色满-4-酮和四氢萘酮衍生物均保留对异烟肼（INH）、利福平（RIF）及INH + RIF耐药株的抗分枝杆菌活性。四氢萘酮衍生物6h和色烯-4-酮12c显示抑分枝杆菌作用，两者在A459细胞和巨噬细胞中均显示有利的选择性指数（SI），其中四氢萘酮6h显示改善的治疗窗，SI > 10。计算研究通常支持II型直接CYP121A1结合，所有化合物均靠近血红素。总体观察到结合亲和力与抗分枝杆菌活性之间的相关性。

论文主体解读：结核病（TB）仍是全球重大健康挑战，耐药结核分枝杆菌（Mtb）株及现有治疗方案疗程长、复杂和毒性等问题促进新靶标研究。Mtb特有20种CYP酶（细胞色素P450酶）为选择性抑制提供尚未充分开发的靶标，其中CYP121A1（结核分枝杆菌细胞色素P450 121A1）被确定为有前景靶标；抑制该酶可能导致天然底物cYY（环二酪氨酸）积累而产生毒性，或影响mycocyclosin参与细胞生长或结构稳定。既往唑类抗真菌药及含吡唑、咪唑、三唑或吡啶血红素结合基团的CYP121A1抑制剂已有报道；前期3-(吡啶-3-基亚甲基)色满-4-酮和四氢萘酮衍生物研究显示，色满酮结合强而抗菌弱，四氢萘酮抗菌较好但结合可忽略，因此需要改造连接子、唑环和杂化方式，以探讨结合与抗菌分离。研究人员据此合成三类唑类衍生物，评价CYP121A1结合和抗野生型及耐药Mtb活性，并得出四氢萘酮6g、6h总体最佳、对耐药株保留活性等结论，为靶向CYP121A1的抗结核先导物提供依据。
关键技术方法：以7-羟基色满-4-酮和7-羟基四氢萘酮经烷基化及Mannich反应两步制备咪唑色满-4-酮/四氢萘酮；以2,4-二羟基苯乙酮经五步制备咪唑/三唑色烯-4-酮。用紫外-可见光谱法测定CYP121A1结合K_D；用SPOTi法和REMA法测定MIC，菌株包括Mtb H37Rv参考株及Albert Einstein College of Medicine mc2系列（mc27902三重营养缺陷型药物敏感株及RIF^R、INH^R、MDR株）；用再生长和CFU法测MBC₉₅；用MTS法在A549肺泡II型上皮细胞和RAW264.7巨噬细胞评价细胞毒性；用MOE分子对接及Desmond 200 ns分子动力学模拟。
Synthesis：通过烷基化-Mannich两步合成咪唑色满-4-酮（5）和四氢萘酮（6），Mannich第二步产率22–46%，以DMSO、80 °C及4当量咪唑优化；色烯-4-酮（12、13）经五步合成，终步收率较高。
UV-Vis spectral CYP121A1 binding：紫外-可见光谱显示咪唑色满-4-酮引起Soret带位移，结合强于cYY，K_D为0.76–5.9 μM；丙氧基一般优于乙氧基；四氢萘酮总体优于色满-4-酮，最佳包括6e（K_D 0.17 ± 0.03 μM）、6j（0.09 ± 0.0 μM）、6g（0.18 ± 0.1 μM）和6h（0.22 ± 0.12 μM）；色烯-4-酮咪唑类似物强于对应色满-4-酮，12d最紧（0.08 ± 0.06 μM），三唑仅轻微红移，13b结合较好而13a较弱。
Antimycobacterial activity：SPOTi和REMA法显示四氢萘酮乙氧基与丙氧基类似物活性相当；6c、6d对mc2药敏及耐药株最佳（MIC 2.63、2.35 μM，1 μg/mL），6g、6h、6i对耐药株保留活性（MIC 2.64、2.53、2.28 μM，1 μg/mL）；色烯-4-酮咪唑12c最佳（MIC 8.47 μM），对RIF^R和MDR株保留活性但对INH^R株活性降低；三唑13无抗分枝杆菌活性。
Structure-activity relationships：苯环卤素（F、Cl、Br）取代对结合和抗菌总体最佳，Br可能受空间限制；4-甲氧基对四氢萘酮结合有利，但对色满-4-酮和色烯-4-酮次优；丙氧基连接子对色满-4-酮和四氢萘酮抗菌最佳；卤代四氢萘酮优于相应色满-4-酮。与吡啶衍生物比较，咪唑色满-4-酮5h和色烯-4-酮12c保持抗菌活性，三唑13c失活；sp²杂化保持结合，sp³ -CHCH₂-咪唑降低结合；咪唑四氢萘酮明显优于无检测结合的吡啶四氢萘酮Pyr2。
Minimum bactericidal concentration (MBC₉₅)：6h和12c的MBC/MIC > 10，显示抑分枝杆菌而非杀菌作用，高于常用杀菌阈值（≤4）。
Cytotoxicity：6h对A549和RAW264.7的IC₅₀分别为34.79 μM和40.06 μM，12c分别为27.83 μM和30.44 μM；结合MBC₉₅，两者SI有利，6h治疗窗改善，SI > 10。
Computational：MOE对接及200 ns分子动力学显示，多数色满-4-酮和色烯-4-酮直接与血红素铁配位，Fe-N距离约2.31–2.48 ?，并存在水介导氢键和疏水作用；四氢萘酮结合较混合，咪唑不直接配位而靠近血红素，或经水介导，或与Arg386/Asn74形成氢键，末端苯基参与疏水或π相互作用；计算总体支持II型直接结合，但四氢萘酮例外。
讨论与结论总结：合成中Mannich反应为限速步骤，优化后仍为低至中等产率；结合方面，色满-4-酮咪唑/吡啶与色烯-4-酮咪唑相当，三唑Soret位移较小；四氢萘酮咪唑明显优于无结合的吡啶四氢萘酮。抗菌方面，含咪唑或吡啶的5、6、12相当，三唑无活性；sp²或sp³连接子对H37Rv和mc27902药敏株MIC无显著差异，但sp²色烯-4-酮对INH^R株活性降低；色满-4-酮和四氢萘酮中C3连接子较优。多数化合物符合Lipinski五规则，除6i有一项违反（cLogP 5.25）。四氢萘酮最有前景，但需进一步构效关系优化抗菌活性和选择性。
研究结论部分译文（据原文浓缩）：咪唑色满-4-酮（5）和四氢萘酮（6）由7-羟基色满-4-酮（1）和7-羟基四氢萘酮（2）经两步制备；咪唑/三唑色烯-4-酮（12、13）由2,4-二羟基苯乙酮（7）经五步合成。除5/6的Mannich第二步外反应均有效；该步产率22–46%，优化为DMSO、80 °C，L-脯氨酸/甲醛/底物各1当量，咪唑4当量为限速步骤最佳。色满-4-酮（5）中咪唑或吡啶血红素结合基团及色烯-4-酮（12）咪唑的结合亲和力相当，三唑（13）Soret位移较小；四氢萘酮咪唑（6）明显优于无结合的四氢萘酮吡啶Pyr2。含咪唑或吡啶的5、6、12抗菌活性相当，三唑（13）无活性；sp²或sp³连接子对H37Rv野生型和mc27902药物敏感株MIC无显著差异，但sp²色烯-4-酮（12）对INH^R株mc28245活性降低。5和6中C3连接子长度较优。计算通常支持II型直接结合，四氢萘酮（6）例外，但显示靠近血红素，或水介导，或与Arg386/Asn74直接结合并置换第六轴向水。总体上结合亲和力与抗菌活性相关，三唑（13）为例外，即结合好但抗菌可忽略，与既往研究一致。除6i有1项违反（cLogP 5.25）外，5、6、12、13均符合Lipinski五规则四项：分子量<500、LogP<5、氢键受体<10、氢键供体<5。四氢萘酮（6）最有前景，较母体四氢萘酮吡啶改善CYP121A1结合；6h和12c在A459细胞和巨噬细胞中SI有利，6h治疗窗改善（SI > 10），但仍需进一步构效关系提高抗菌活性和选择性。