含Janus环己烷环基序的G-四链体配体设计及其抗布氏锥虫活性研究

《ChemBioChem》：A Role for Janus Cyclohexyl Ring Motifs in Medicinal Chemistry. Incorporation Into G-Quadruplex Ligands and Anti-Trypanosoma brucei Activity

　　

萘二酰亚胺（naphthalene diimide，NDI）环系被公认为结合G-四链体DNA（G-quadruplex DNA）的优势骨架。据此，带有连接于NDI核心外围基团的化合物正被探索作为抗寄生虫和抗肿瘤候选药物。在本研究中，研究人员合成并探索了一系列带有外围全顺式（all-cis）环氟代环己烷环的NDI衍生物，以评估其对G-四链体和双链DNA的相对稳定化潜力。该研究通过FRET熔解实验并测量熔解温度变化（ΔTm）进行探索。化合物还针对布氏锥虫（Trypanosoma brucei）进行了测定，以评估其对人非洲锥虫病（human African trypanosomiasis）或非洲昏睡病（African Sleeping Sickness）病原体的体外效力（EC50）。研究揭示了当改变环己烷环上氟取代的性质以及连接至核心芳香基序的连接链长度和性质（醚（O）或亚甲基（CH2））时，活性存在显著差异。该系列中活性最强的化合物为醚类化合物12a，其对布氏锥虫（T. brucei）显示出纳摩尔级活性（EC50 = 40 nM），尽管对寄生虫相对于（人类模型）HeLa细胞仅具有中等选择性（14倍）。该研究揭示了在药物化学背景下探索氟化Janus环己烷的良好前景。

一、研究背景与科学问题

锥虫类（Trypanosomatids）是单细胞动质体原生动物寄生虫，可引发人类严重疾病。布氏锥虫（Trypanosoma brucei）是人类非洲锥虫病（HAT）的病原体，通过采采蝇叮咬传播，最终可穿越血脑屏障发展为二期感染，若不及时治疗则致命。现有治疗药物存在诸多不足：含砷药物美拉胂醇（melarsoprol）耐药性问题日益严重；依氟鸟氨酸（eflornithine）与硝呋替莫（nifurtimox）联合疗法（NECT）需密集给药和静脉注射；口服药物非昔硝唑（fexinidazole）对慢性脑期感染无效。虽然新药acoziborole近期获欧洲药品管理局批准用于HAT流行地区，但该领域仍需开发新疗法。

二、研究内容与核心发现

本研究聚焦G-四链体DNA（G-quadruplex DNA）配体作为抗布氏锥虫的潜在疗法。生物信息学研究表明，布氏锥虫基因组中推定G-四链体形成序列（PQS）超过29,000个，频率约为每kb 0.81个，与人类基因组相当。研究人员选择萘二酰亚胺（NDI）核心作为骨架，因其具有稳定G-四链体结构的能力，并在其外围引入部分氟化的环己烷环——特别是全顺式（all-syn）氟排列的Janus环己烷基序。该基序在椅式构象中一面为氟原子、另一面为氢原子，赋予原本脂肪族的分子异常高的极性。研究人员推测，氟化环己烷环的氢原子面呈正电性，可能对G-四链体的磷酸阴离子骨架具有亲和力，从而帮助配体稳定结合于G-四链体。这一设计理念借鉴了Morales等人将葡萄糖基序置于外围位置以探索与DNA磷酸骨架极性接触的研究。

研究人员合成了目标化合物11a–b和12a–c。合成路线涉及以1,3-二溴-5,5-二甲基海因（DBH）处理二酐13生成芳基溴化物14，经微波辅助二酰亚胺形成、S_NAr反应引入炔丙胺，最终通过铜催化叠氮-炔环加成（CuAAC）“点击”反应生成目标产物。关键中间体叠氮化物23–25的制备涉及Rh-CAAN N-杂环催化剂催化的氟代芳烃氢化反应，该反应可高选择性地生成全顺式氟代环己烷结构。

三、主要研究结果

G-四链体稳定化能力评估：通过FRET熔解实验评估化合物对端粒G-四链体（hTeloG）的稳定化能力。结果显示两个明显趋势：其一，二甲氨基NDI化合物12a–c的ΔT_m2（23.5–34.0 °C）显著高于吗啉对应物11a–b（0.5–5 °C）；其二，醚连接的12a较亚甲基连接的12c稳定化能力提高9.5 °C。三氟环己烷化合物11a几乎无稳定化作用（ΔT_m2 = 0.5 ± 0.7 °C），可能因其氟原子在溶液中采取赤道取向，导致偶极矩较弱。五氟化环己烷环则始终至少有2个氟原子处于轴向取向，诱导极性。

双相熔解行为：二甲氨基化合物12a–c在低于DNA单独熔解温度处还出现第二个熔解转变（ΔT_m1），提示这些化合物可能稳定hTeloG的平行构象而同时使反平行构象亚群去稳定化。

双链DNA选择性：所有化合物（除11a外）均对hTeloG相对于双链DNA（dsDNA）显示一定选择性，其中12a表现最佳（SI = 8.6）。

抗寄生虫活性：全细胞实验显示，化合物对布氏锥虫具有不同效力。醚类化合物12a活性最强，EC₅₀ = 0.04 ± 0.01 μM（40 nM），但对HeLa细胞的选择性指数仅为14倍。吗啉类化合物11b选择性最高（SI = 24），EC₅₀ = 0.74 ± 0.1 μM。三氟环己烷11a效力最低（EC₅₀ = 5.8 ± 0.52 μM），比次活性化合物低近一个数量级。

四、结论与意义

该系列中最活性化合物12a具有纳摩尔级抗布氏锥虫活性（EC₅₀ = 40 nM），与先前Morales等人报道的葡萄糖-NDI偶联物10（EC₅₀ = 17 nM）相当。Janus环己烷与碳水化合物共享六元环的相似形状和尺寸特征，但不具备碳水化合物的氢键能力，却具有更大的分子偶极矩，可形成更好的静电相互作用。三氟化合物11a的较差表现支持了极性-静电相互作用是Janus环稳定化G-四链体关键机制的观点——该化合物倾向于采取三赤道而非三轴向的C─F键构象，极性较低、亲脂性较高。本研究揭示了氟化Janus环己烷在药物化学中的应用前景，为设计新型抗锥虫药物提供了有价值的结构导向。