含磺酰腙片段的新型硫代色满-4-酮衍生物：合成、生物活性、分子模拟及类药性评价

《Chemistry & Biodiversity》：Novel Thiochroman-4-One Derivatives Bearing a Sulfonyl Hydrazone Moiety: Synthesis, Bioactivity, Molecular Simulation, and Drug-Likeness Evaluation

　　

摘要专业翻译 本文通过分子杂交策略，合理设计并合成了一系列含磺酰腙片段的硫代色满-4-酮衍生物。研究人员首次将具有优异氢键相互作用能力的磺酰腙药效团引入硫代色满-4-酮母体骨架，构建双活性功能分子，旨在实现α-葡萄糖苷酶（α-glucosidase）抑制与抗氧化活性的协同抗糖尿病治疗。所有目标化合物均通过1H NMR、13C NMR及HRMS进行结构表征。生物活性结果表明，多个衍生物表现出优异的α-葡萄糖苷酶抑制活性和抗氧化能力，其中化合物5k展现出最佳综合药理性能，其对α-葡萄糖苷酶的IC50值为4.57 μg/mL，显著优于阳性对照阿卡波糖（acarbose，237.48 μg/mL）。分子对接和分子动力学（MD）模拟验证了最优化合物5k能够通过多重氢键和疏水相互作用稳定结合于α-葡萄糖苷酶的活性口袋，具有较低的结合能和较好的复合物稳定性。类药性评价表明，所有合成衍生物均符合Lipinski五规则，并具有良好的药代动力学性质。本研究为开发高效抗氧化、α-葡萄糖苷酶抑制及抗菌抑制剂提供了新型结构骨架，并展示了其作为药物及农用化学品开发先导化合物的潜力。

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一、研究背景与意义

自由基和活性氧（ROS）参与多种生理过程。在稳态条件下，内源性抗氧化系统维持氧化还原平衡以保护脂质、蛋白质和DNA免受氧化损伤。然而，衰老、慢性炎症和不健康生活方式等内源及外源应激因素可破坏这一平衡，导致ROS过量积累和氧化损伤。这种氧化应激与衰老、糖尿病、神经退行性疾病及肿瘤发生密切相关，驱动了对高效安全抗氧化剂的持续需求。

2型糖尿病（T2DM）是一种以胰岛素缺乏和胰岛素抵抗为特征的全球性代谢紊乱疾病。α-葡萄糖苷酶抑制剂（如阿卡波糖、米格列醇、伏格列波糖）是一线口服药物，通过延缓小肠内碳水化合物的水解来抑制餐后高血糖。然而，其临床应用常受腹胀、腹泻和腹部不适等胃肠道副作用限制。因此，发现疗效更强、毒性更低的新型α-葡萄糖苷酶抑制剂仍是抗糖尿病药物开发的重点。

硫代色满-4-酮作为一种经典的含硫杂环化合物，具有独特的刚性空间结构和良好的生物相容性，其衍生物在前期研究中已被证实具有抗糖尿病、抗氧化、抗菌和抗炎活性。大量研究报道，经羟基、羧基和杂环基团修饰的硫代色满-4-酮衍生物可发挥中等程度的α-葡萄糖苷酶抑制活性。然而，现有修饰结构仍存在明显不足：多数传统衍生物仅依赖单一骨架效应发挥酶抑制功能，缺乏辅助药效团进行氢键识别，导致与α-葡萄糖苷酶的结合亲和力较弱；此外，很少有研究将硫代色满-4-酮的抗氧化应激功能与抗糖尿病效应相结合，忽视了糖尿病氧化损伤并发症的协同治疗潜力。而且，现有类似物的取代基选择较为随机，缺乏系统的结构设计和构效关系（SAR）验证，导致药理机制不明确、成药性较低。

为解决上述问题，本研究基于分子杂交原理，首次将磺酰腙片段引入硫代色满-4-酮母体骨架。磺酰腙基团含有多个N─H和S═O极性官能团，能与α-葡萄糖苷酶活性口袋中的氨基酸残基形成丰富的氢键和静电相互作用，有效提高母体骨架的靶标结合能力。同时，磺酰腙片段具有固有的优良抗氧化活性，可与硫代色满-4-酮的抗糖尿病效应协同作用，缓解糖尿病患者的氧化应激损伤，实现双靶点协同治疗。这一双功能结构框架不仅优化了酶抑制活性，还弥补了传统类似物单一药理效应的不足，是本研究核心创新点。

二、研究内容与主要结论

研究人员设计并合成了11个新型含磺酰腙片段的硫代色满-4-酮衍生物（5a–5k），通过系统的体外生物活性评价、分子模拟和类药性分析，得出以下主要结论：化合物5k表现出最优的α-葡萄糖苷酶抑制活性（IC₅₀ = 4.57 μg/mL），约为阿卡波糖的51倍；化合物5j对柑橘溃疡病菌（Xac）表现出优异的抗菌活性（EC₅₀ = 15.67 μg/mL），优于商品化杀菌剂；分子模拟证实化合物5k主要通过范德华相互作用稳定结合于α-葡萄糖苷酶活性口袋；ADMET和类药性分析验证了化合物5k的成药潜力。这些发现支持硫代色满-4-酮-磺酰腙杂合体作为有前景的抗糖尿病和抗菌候选药物的进一步优化。

三、关键技术与方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：以4-取代苯硫酚为起始原料，经取代、分子内环化、氧化、酰肼化和缩合五步反应合成目标化合物（总产率60%–81%）；采用¹H NMR、¹³C NMR和HRMS进行结构表征；通过DPPH和ABTS自由基清除实验评价体外抗氧化活性；通过PNPG底物法评价α-葡萄糖苷酶抑制活性；采用AutoDock Tools 1.5.6进行分子对接（靶蛋白为人肠道α-葡萄糖苷酶，PDB ID: 3TOP）；采用GROMACS 2022.2进行100 ns分子动力学模拟，并通过MM-PBSA方法计算结合自由能；采用Deep-PK平台和SwissADME工具进行ADMET预测和类药性评价；采用浊度法评价对Xac的抗菌活性。

四、研究结果

4.1 化学合成与波谱表征

目标化合物5a–5k通过五步合成路线制备，总产率60%–81%。以化合物5k为例：¹H NMR谱中δ 9.76和6.74 ppm处的两个特征单峰分别归属为磺酰腙基团的N─H和芳香质子；¹³C NMR谱中δ 155.22和143.73 ppm的信号分别对应C═O和C═N碳；HRMS检测到[M+Na]⁺峰位于m/z 332.10326，与计算分子量一致。

4.2 抗氧化与抗α-葡萄糖苷酶活性

体外抗氧化实验表明，化合物5a–5k在40 μg/mL下DPPH自由基清除率为2.11%–18.71%，在50 μg/mL下ABTS自由基清除率为10.98%–43.13%，均低于阳性对照维生素C和trolox。α-葡萄糖苷酶抑制实验表明，化合物在50 μg/mL下抑制率为32.47%–95.57%。其中5b、5g、5i和5k表现出优异的抑制活性，IC₅₀值分别为26.76、10.26、37.81和4.57 μg/mL，均低于阳性对照阿卡波糖（237.48 μg/mL）。化合物5k活性最佳，约为阿卡波糖的51倍。

4.3 分子对接

分子对接分析表明，化合物5k与人肠道α-葡萄糖苷酶（PDB ID: 3TOP）的结合能为?6.8 kcal/mol。化合物5k主要通过范德华力与HIE1149、THR1196、VAL993、ARG1206、PRO994、ASP965、TYR967、GLY992、PRO968和TRP1148等氨基酸残基相互作用；THR1150、CYX996和PHE995形成常规氢键；HIE1449形成碳氢键；PHE995与化合物5k之间存在π–π堆积相互作用；TRP985和ALA973分别参与烷基和π–烷基相互作用。

4.4 分子动力学模拟

100 ns MD模拟结果表明：复合物的RMSD随模拟进程逐渐趋于稳定，表明复合结构逐渐达到稳定状态；配体与受体结合位点之间的距离逐渐达到稳态，表明配体稳定结合于受体结合位点；回转半径（R_g）逐渐稳定，表明复合物结构逐渐趋于紧凑稳定；RMSF平均值为0.040 nm，最大峰值为0.656 nm，表明受体与配体结合稳定；埋藏溶剂可及表面积（buried SASA）逐渐稳定，表明受体与配体接触面积趋于稳定；表面静电势分析表明结合位点表面呈现电中性、正电荷和负电荷分布，有利于静电相互作用和氢键形成；PCA分析显示配体构象分布相对集中，存在一个出现频率最高的红色簇，代表配体与受体处于相对稳定的结合状态；自由能景观（FEL）分析显示受体-配体复合物存在一个低能态，表明复合物整体结构相对稳定；模拟轨迹叠加结果显示复合物叠加程度较高，表明配体在整个模拟过程中始终与受体保持结合。

氢键分析表明，受体与配体之间的氢键数量基本在0–3之间波动。氢键频率分析显示，PHE995与配体之间存在稳定的氢键对，存在频率达50.6%，稳定性强。MM-PBSA能量分解分析表明，范德华相互作用能（ΔE_vdw = ?151.246 kJ/mol）大于静电相互作用能（ΔE_ele = ?17.847 kJ/mol），而ΔE_ele与非极性溶剂化能（ΔE_nonpol = ?18.693 kJ/mol）相当。因此，在结合能组成中范德华相互作用占主导地位，静电相互作用和疏水相互作用居次要地位。受体与配体的ΔE_MMPBSA为?55.975 kJ/mol，总结合自由能（ΔG_bind）为?49.76 kJ/mol，表明受体与配体之间具有较高的结合能和亲和力。

4.5 ADMET与类药性评价

ADMET预测表明化合物5k具有良好的吸收、分布、代谢、排泄和安全特性。类药性评价显示化合物5k完全满足Lipinski五规则的全部四项标准，支持其良好的口服生物利用度潜力。

4.6 抗菌活性

化合物5a–5k对Xac表现出良好的体外抗菌活性，在200 μg/mL下抑制率为65.22%–95.65%，在100 μg/mL下抑制率为42.29%–80.26%，均高于噻枯唑（bismerthiazol）和噻二唑铜（thiodiazole copper）。其中化合物5j抗菌活性最佳，EC₅₀值为15.67 μg/mL，显著优于两种商品化杀菌剂。

五、讨论总结与研究结论

5.1 讨论总结

在构效关系分析方面，研究人员基于11个目标衍生物的活性差异数据总结出系统的构效关系：氟取代衍生物的综合活性显著优于甲基取代类似物，这归因于氟原子的强电负性可优化分子电荷分布、增强与α-葡萄糖苷酶活性口袋的静电相互作用；磺酰腙苯环上R₁取代基的电子效应对双重活性起决定性调控作用，吸电子基团可增强磺酰腙N─H键的氢键供体活性，而供电子基团可优化自由基清除能力；多取代苯环衍生物因空间位阻过大导致综合活性下降。双药效团协同效应是目标化合物优异性能的核心来源：刚性硫代色满-4-酮骨架提供稳定的疏水锚定效应，柔性磺酰腙片段提供丰富的极性相互作用位点，疏水效应、氢键相互作用和静电力的组合构建了多维稳定结合体系。

在机制讨论方面，α-葡萄糖苷酶抑制与抗氧化活性在2型糖尿病治疗中发挥协同降糖机制。肠α-葡萄糖苷酶是碳水化合物水解的关键限速酶，其过度表达和活性增强可加速膳食淀粉和双糖分解为葡萄糖，导致餐后血糖快速升高。合成的磺酰腙修饰硫代色满-4-酮衍生物可竞争性结合α-葡萄糖苷酶活性口袋，阻断碳水化合物的催化水解途径，从根本上延缓肠道葡萄糖吸收。另一方面，长期持续高血糖可触发细胞内ROS过量积累，导致严重氧化应激。过量ROS会氧化损伤胰腺β细胞、减少胰岛素合成和分泌，同时诱导肝脏和肌肉等外周组织产生胰岛素抵抗，进一步加重糖代谢紊乱，形成"高血糖-氧化应激-胰岛素抵抗"的恶性循环。本研究合成的衍生物保留了磺酰腙片段的优良抗氧化特性，符合"抗氧化与降糖协同"的设计预期。

5.2 研究结论翻译

总之，本研究制备了共11个含磺酰腙片段的新型硫代色满-4-酮衍生物。生物测定结果表明，化合物5k表现出显著的α-葡萄糖苷酶抑制活性（IC₅₀ = 4.57 μg/mL），约为阿卡波糖的51倍。同时，化合物5j对Xac表现出优异的抗菌活性（EC₅₀ = 15.67 μg/mL），优于商品化杀菌剂。此外，分子模拟揭示化合物5k主要通过范德华相互作用稳定结合于α-葡萄糖苷酶。ADMET和类药性分析验证了化合物5k的成药潜力。这些发现支持硫代色满-4-酮-磺酰腙杂合体作为有前景的抗糖尿病和抗菌候选药物的进一步优化。