靶向Mcl-1的新型indenonaphthodiazepine[5.3.3]propellane：一锅多组分合成、DFT计算、分子对接与200 ns分子动力学研究

《Nanoscale Advances》：Integrated experimental and computational study of a novel indenonaphthodiazepine[5.3.3]propellane as a potential inhibitor of Mcl-1Open Access

　　

骨髓细胞白血病-1（Mcl-1, myeloid cell leukemia-1）是驱动化疗耐药的关键抗凋亡蛋白，因而成为肿瘤学的重要靶点。在本研究中，研究人员通过一锅多组分反应合成了一种新的indenonaphthodiazepine[5.3.3]propellane，并通过FT-IR、¹H-NMR、¹³C-NMR和质谱对其结构进行了表征。在B3LYP/6-31G(d)水平开展密度泛函理论（DFT, density functional theory）计算，以研究其电子特征和反应中心。在针对Mcl-1的分子对接中，该propellane衍生物的结合评分为?5.678 kcal mol^?1，优于参考抑制剂AMG-176（?3.428 kcal mol^?1）。随后200 ns分子动力学（MD, molecular dynamics）模拟证实，该配体稳定保留在结合口袋中，并通过关键疏水、π–烷基和π–硫接触维持低于AMG-176的均方根偏差（RMSD, root-mean-square deviation）和均方根波动（RMSF, root mean square fluctuation）值。此外，计算机吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADMET, absorption, distribution, metabolism, excretion, and toxicity）评价表明其完全符合Lipinski和Veber标准，人肠道吸收高（>95%），且未预测到人醚a-go-go相关基因（hERG, human ether-à-go-go-related gene）或肝毒性。关键的是，AMG-176被预测抑制细胞色素P450 3A4（CYP3A4, cytochrome P450 3A4），而该propellane未显示CYP3A4抑制，提示药物–药物相互作用潜力较低。这些数据表明，该propellane骨架可作为Mcl-1靶向药物发现的有前景起点。

研究背景、问题与研究意义：凋亡是程序性细胞死亡的重要机制，其执行缺陷可使恶性细胞逃避细胞毒刺激并在基因组不稳定背景下持续增殖。B细胞淋巴瘤2（Bcl-2, B-cell lymphoma 2）家族调控线粒体外膜通透化（MOMP, mitochondrial outer membrane permeabilization），进而协调细胞色素c释放和下游caspase级联。Mcl-1是该家族中频繁在人类恶性肿瘤中过表达的关键促生存调节因子，其失调与急性髓系白血病（AML）、MYC驱动肿瘤、BCR-ABL依赖性淋巴瘤以及伴MCL-1扩增的乳腺癌和非小细胞肺癌等疾病维持相关。尽管venetoclax验证了靶向抗凋亡Bcl-2的临床可行性，并推动选择性Mcl-1抑制剂研发，但迄今尚无小分子Mcl-1抑制剂获得最终监管批准；细胞膜通透性受限、人血清白蛋白结合过强和代谢清除过快等药代动力学缺陷仍是常见淘汰原因。已有Mcl-1抑制剂如A-1210477、marinopyrrole A、MIM1、UMI-77、S63845、AZD5991、AMG-176和VU661013等提供了靶点验证，但仍需兼具高靶点互补性和平衡类药性质的新化学骨架。二氮杂?（diazepine）骨架是肿瘤药物设计中具有既定相关性的多功能药效团平台；结合既往二氮杂?衍生物显示较佳代谢稳定性和合成可及性，研究人员设计并合成了新的diazepin[5.3.3]propellane衍生物，通过分子对接、200 ns MD模拟和ADMET预测评价其与Mcl-1相互作用潜力、结合稳定性、相互作用能量和类药性参数，为后续先导化合物优化提供结构框架。

主要关键技术方法：研究人员采用一锅四组分反应合成目标indenonaphthodiazepine[5.3.3]propellane，并以FT-IR、¹H-NMR、¹³C-NMR和质谱表征结构；在B3LYP/6-31G(d)水平进行DFT几何优化、前线分子轨道和分子静电势分析；以Mcl-1晶体结构（PDB ID: 6QZB）开展分子对接并以重对接RMSD<2 ?验证方案；采用Desmond进行200 ns MD模拟，体系经TIP3P水溶剂化、Na⁺/Cl^?中和，并在NVT和NPT系综下于300 K、1 atm平衡后生产运行；以SwissADME评价类药性、Lipinski规则、Veber规则及PAINS/Brenk过滤，以pkCSM预测ADMET性质。本研究未涉及样本队列来源。

研究结果：Chemistry：研究人员通过一锅四组分反应合成indenonaphthodiazepine[5.3.3]propellane，并优化溶剂和催化剂条件；甲醇室温无添加反应30 h得到80%收率，明显优于乙醇和乙腈体系，酸催化未改善收率；¹H NMR、¹³C NMR、IR和质谱数据与类似结构文献报道一致，支持产物结构，并提出可能反应机理；对甲基氰基乙酸酯、丙二腈和氰基乙酸乙酯等CH-酸化合物进行范围探索时得到相同产物，而barbituric acid、N,N-dimethylbarbituric acid、dimedone和1,3-indandione等未得到目标propellane。

Computational studies：DFT calculations：在B3LYP/6-31G(d)水平对气相分子进行无对称约束全优化，结果显示该化合物位于势能面明确局部极小值，支持其热力学稳定性和合成可行性；计算得到极化率290.79 A.U.、偶极矩9.13 Debye，提示中等极化率和较高极性；前线分子轨道分析显示最高占据分子轨道（HOMO）主要定域于二氮杂?环及相邻稠合芳香体系，最低未占分子轨道（LUMO）集中于硝基取代芳香环和邻近羰基；ΔE_gap为3.48 eV，化学硬度η=1.74 eV、软度S=0.28 eV^?1、电负性χ=3.55 eV、亲电性指数ω=3.63 eV，支持其具有中等电子激发能、动力学稳定性和双重电子性质。The molecular electrostatic potential (MEP)：MEP分析显示负静电势主要集中于羰基氧和硝基氧，提示其为氢键受体和亲电物种有利位点；正电势主要位于二氮杂?NH质子，提示其为强氢键供体；稠合萘环和propellane骨架呈中间电势疏水表面，适于π–π堆积和色散作用。Molecular docking study：以Mcl-1晶体结构6QZB进行对接，重对接共结晶配体RMSD低于2 ?，验证方法可靠性；新化合物对接评分为?5.678，优于AMG-176的?3.428；其与Ala227形成烷基接触，与His224和Phe254形成π–烷基作用，与Met231形成独特π–硫作用，与Arg263形成吸引静电接触，并与Thr266、Met250、Leu267、Phe270和Phe228形成范德华作用；AMG-176缺乏与Met231的π–硫作用且范德华网络较窄，可能与其较低对接评分相关。MD simulation：200 ns MD显示蛋白骨架RMSD在初始平衡后稳定于1.5–2.1 ?，后期约升至2.2 ?，提示整体蛋白折叠保持；配体RMSD范围为1.0–4.5 ?且无持续上升漂移，提示其保持在结合位点附近但具一定柔性；AMG-176蛋白骨架偏差略宽（2.2–2.3 ?）且配体RMSD振幅和瞬态峰值更大；新化合物RMSF整体较低，而AMG-176磺酰胺基团及邻近侧链RMSF可达约3–3.5 ?；二级结构监测显示两复合物均以α-螺旋为主且200 ns内无显著β-折叠形成；接触分析显示新化合物中Val253和Arg263贡献突出，Val253主要通过氢键和水桥接触，Arg263参与氢键、水桥、疏水和离子作用，His224、Met231和Phe270提供中等疏水支持；AMG-176则Ala227、Arg233、Val253和Phe270接触频率较高，更依赖疏水堆积；超过30%轨迹时间的接触中，新化合物与Val253疏水接触持续53%、与His224极性或π–阳离子作用持续41%，AMG-176仅一个接触超过30%阈值（约42%，位于磺酰胺附近核心骨架）；扭转角和配体结构性质分析显示新化合物构象受限、rGyr近乎恒定、无持续性分子内氢键，而AMG-176具更明显内部运动和间歇性分子内氢键。Drug-likeness prediction：SwissADME显示新化合物分子量430.48 g mol^?1、氢键受体3、氢键供体2、拓扑极性表面积（TPSA, topological polar surface area）115.49 ?²、Mlog P 2.03、摩尔折射率133.14、可旋转键2，符合Lipinski和Veber规则且无PAINS警报；AMG-176分子量613.21 g mol^?1超过Lipinski分子量标准，Mlog P 4.09，BOILED-Egg模型中新化合物位于白区提示高被动胃肠吸收，而AMG-176位于白区和黄区之外，提示胃肠吸收差和脑穿透有限；两者均符合Veber规则且无PAINS警报，AMG-176因硝基和N–O基序Brenk警报略高。In silico ADMET prediction：pkCSM预测两者人肠道吸收均>95%；分布上两者VDss低、log BB为负、log PS为负，提示组织分布有限和CNS穿透受限；代谢上新化合物被预测为所有评估的主要CYP亚型底物，提示广泛肝代谢和潜在药物–药物相互作用风险，AMG-176经较少CYP亚型代谢但抑制CYP3A4；清除率上新化合物总清除率为正（0.147 mL min^?1 kg^?1），AMG-176为负（?0.433 mL min^?1 kg^?1），提示后者排泄较慢和可能蓄积；两者均不抑制hERG I通道且均预测非肝毒性。

讨论部分总结与研究结论翻译：作者讨论指出，该propellane衍生物较AMG-176具有更有利的对接评分，并在200 ns MD中保持较低RMSD波动，显示动态稳定的结合模式；其符合Lipinski和Veber规则，无PAINS警报，ADMET预测显示高肠道吸收且无主要毒性信号。与此同时，作者在MD相互作用、扭转行为和结合模式差异处多次指出，这些计算观察是否转化为功能优势或影响结合动力学、选择性仍需进一步实验验证。研究结论翻译如下：一种新的杂环化合物indenonaphthodiazepine[5.3.3]propellane通过一锅多组分反应合成，并经光谱表征。计算分析显示，该化合物较AMG-176具有更有利的对接评分，并在200 ns MD模拟中保持较低的RMSD波动，表明其具有动态稳定的结合模式。该化合物符合Lipinski和Veber规则，无PAINS警报，并显示有利的ADMET预测，包括高肠道吸收和无主要毒性信号。然而，由于这些发现是计算性的，尚需通过结合实验和细胞研究进行实验验证，以确认生物活性和治疗相关性。