《Scientific Reports》：Nitrogen-functionalized rigid 3D-spirochroman–cycloalkane hybrids as dual α-amylase and α-glucosidase inhibitors: synthesis, biological evaluation, and computational insights
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糖尿病（DM）是重大全球健康问题，需要稳健的治疗策略控制餐后高血糖。本研究合理设计并有效合成了一系列含氮部分（包括嗪、酰肼、腙、吡唑和吡咯）的新型3D-螺色满-环烷烃杂合体，产率中等至优异。经α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶双重抑制评价，多个化合物优于基准药物阿卡波
糖尿病（DM）是重大全球健康问题，需要稳健的治疗策略控制餐后高血糖。本研究合理设计并有效合成了一系列含氮部分（包括嗪、酰肼、腙、吡唑和吡咯）的新型3D-螺色满-环烷烃杂合体，产率中等至优异。经α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶双重抑制评价，多个化合物优于基准药物阿卡波糖（IC50分别为78.9和43.3 μM）。烟腈6表现出最强的α-淀粉酶抑制活性（IC50 = 21.3 μM），腙15表现出最高的α-葡萄糖苷酶抑制效力（IC50 = 18.2 μM）。腙12a表现出最平衡的双重抑制特征（IC50 = 25.3和29.1 μM）。化合物6、12a和15对Vero和WI-38细胞系的细胞毒性评估显示对细胞活力抑制作用极小（IC50 ≈ 316.15–611.52 μM）。分子对接研究强调在酶活性位点内由氢键和疏水相互作用稳定的有利结合，ADMET预测表明与阿卡波糖相比，化合物6、12a和15具有改善的成药性、胃肠道吸收和高生物利用度。DFT计算表明氮取代调节分子轨道能量并降低HOMO–LUMO能隙，作为电子结构描述符，而互补的多波函数分析（ESP、NCI和ELF）揭示了电荷重新分布和增强的非共价相互作用模式，与观察到的活性和选择性一致。
糖尿病（DM）是21世纪最关键的公共医学问题之一，世界卫生组织（WHO）将2019年约420万例死亡直接归因于DM及其并发症。1型糖尿病是涉及胰腺β细胞破坏和 consequent 胰岛素缺乏的自身免疫性疾病，而2型糖尿病源于胰岛素抵抗和/或分泌不足。α-淀粉酶催化多糖中α-1,4-糖苷键水解生成寡糖，α-葡萄糖苷酶进一步催化这些寡糖转化为可吸收的单糖（如葡萄糖）。抑制这些酶可调节葡萄糖释放入血速率，因此开发有效的选择性α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶双重抑制剂是控制DM的有效策略。尽管临床批准的抑制剂如阿卡波糖、伏格列波糖和米格列醇有效降低餐后血糖水平，但其使用常伴随显著的胃肠道副作用（如腹泻、胀气和腹部不适），这是由于未消化碳水化合物在结肠中的细菌发酵所致。因此，迫切需要开发更安全的选择性双重抑制剂。另一方面，螺环骨架因其构象刚性和独特3D结构而备受关注，可改善靶点选择性、药代动力学性质以及与酶和受体的结合相互作用。含氧螺杂环如吡喃和色满骨架已成为管理糖尿病及其并发症的有前景结构。基于这些见解及研究人员先前对3D-螺色满酮的工作，本研究报道了含氮部分的新型3D-螺色满-环烷烃杂合体的合成，设计为双重α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制剂，并辅以分子对接、ADMET评价和密度泛函理论（DFT）计算。研究人员开展了合成、酶抑制活性评价、细胞毒性评估、分子对接、ADMET预测及DFT和多波函数分析等研究，得出结论：多个化合物优于阿卡波糖，腙12a表现出最平衡的双重抑制，烟腈6具有最强的α-淀粉酶抑制活性，腙15具有最强的α-葡萄糖苷酶抑制活性，且最具活性的化合物6、12a和15对正常细胞系表现出良好的安全性特征，分子对接显示稳定的酶结合，ADMET分析表明良好的成药性，DFT计算揭示氮取代有效调节前沿分子轨道从而促进酶识别。这些结果突显螺色满骨架作为开发有效双重作用抗糖尿病药物的有前景平台，并为进一步优化提供了合理基础。关键技术方法包括：α-淀粉酶抑制 assay 使用Aspergillus oryzae α-淀粉酶和3,5-二硝基水杨酸（DNSA）法；α-葡萄糖苷酶抑制 assay 使用酵母α-葡萄糖苷酶和p-硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG）底物；细胞毒性评估使用Vero（非洲绿猴肾）和WI-38（人肺成纤维）细胞系（购自美国典型培养物保藏中心ATCC）及MTT法；分子对接使用MOE 2014.0901软件针对α-淀粉酶（PDB ID: 7P4W）和α-葡萄糖苷酶（PDB ID: 3A4A）；ADMET分析使用DataWarrior和preADMET；DFT计算及多波函数分析使用Gaussian和Multiwfn 3.8软件。
化学部分：合成序列始于螺[色满酮-环戊烷]1a的O-甲基化，得到甲基保护衍生物2，随后与肼水合物缩合得到嗪衍生物3（产率83%），与羟胺和2-氰基乙酰肼分别得到肟4和酰肼-腙5，烟腈6和香豆素7通过Knoevenagel型缩合获得。螺色满酮1a和1b与溴乙酸乙酯烷基化得到乙酯衍生物8a和8b（产率71%），肼解产生酰肼9a和9b。酰肼9a和9b与各种1,3-亲电试剂反应高效合成吡唑衍生物10和11。酸催化缩合酰肼9a和9b与各种芳香醛得到腙12a-c。9b与2,5-二甲氧基四氢呋喃反应得到吡咯衍生物13。螺环色满酮1b与甲醛在哌啶或四氢异喹啉存在下的Mannich反应得到Mannich碱14a和14b，1b与苯重氮氯化物的偶氮偶合得到腙15。所有新合成化合物结构通过光谱分析确证。
α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性：所有衍生物3–15对α-淀粉酶显示抑制活性，IC50值范围为21.3至246.0 μM（阿卡波糖78.9 μM）。最活跃化合物为烟腈6（21.3 μM）和腙12a（25.3 μM），超过阿卡波糖。对α-葡萄糖苷酶，IC50值范围为18.2至396.4 μM（阿卡波糖43.3 μM），腙15最有效（IC50 = 18.2 μM），超过参考药物两倍以上。腙12a显示最有利的双重特征。构效关系（SAR）分析表明，吸电子取代基增强效力，而 bulky 或非极性取代降低选择性。最有前景的双重抑制骨架是结合极性取代基与杂芳族部分的那些，如化合物6、12a和15。
细胞毒性评价：最有潜力的抑制剂6、12a和15对Vero和WI-38细胞系表现出最小细胞毒性，维持高细胞活力和强生物相容性。化合物6的细胞毒性IC50为316.15和557.03 μM，12a为465.29和474.31 μM，15为611.52和538.13 μM，远高于其酶抑制浓度，表明平衡的安全性特征。
化学信息学研究：分子对接将12a鉴定为双重抑制剂，6为最活跃α-淀粉酶抑制剂，15为最活跃α-葡萄糖苷酶抑制剂。12a与α-淀粉酶结合能为?7.21 kcal/mol，通过π-氢键、π-π堆积和疏水相互作用；与α-葡萄糖苷酶结合能为?13.39 kcal/mol，由氢键和疏水相互作用稳定。6与α-淀粉酶结合能为?8.49 kcal/mol，15与α-葡萄糖苷酶结合能为?13.43 kcal/mol。ADMET分析表明6、12a和15具有优异成药性，符合Lipinski、Ghose、Veber、Egan和Muegge规则，高生物利用度评分0.55（阿卡波糖0.17），高胃肠道吸收和血脑屏障穿透能力。DFT计算显示氮取代富集电子密度，升高HOMO能量，降低LUMO能量，ΔE值范围为3.14至4.81 eV，窄于前体1和2。ESP、NCI和ELF分析揭示电荷重新分布和增强的非共价相互作用模式，与观察到的活性和选择性一致。
讨论部分总结：本研究成功设计、合成并评价了一系列含氮部分的3D-螺色满-环烷烃杂合体作为α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶双重抑制剂。多个化合物表现出优于阿卡波糖的抑制活性，腙12a显示最平衡的双重抑制，烟腈6具有最强的α-淀粉酶抑制，腙15具有最强的α-葡萄糖苷酶抑制。细胞毒性评估表明最有潜力的化合物6、12a和15具有平衡的安全性特征。分子对接显示稳定有利的酶结合，ADMET分析表明良好的成药性。DFT计算及多波分析揭示氮取代有效调节前沿分子轨道，从而促进酶识别。总体而言，这些结果突显螺色满骨架作为开发有效双重作用抗糖尿病药物的有前景平台，并为进一步优化提供了合理基础。研究结论翻译：成功设计、合成并评价了一系列含氮部分的3D-螺色满-环烷烃杂合体作为α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶双重抑制剂。多个化合物表现出优于阿卡波糖的抑制活性，腙12a显示最平衡的双重抑制，烟腈6具有最强的α-淀粉酶抑制，腙15具有最强的α-葡萄糖苷酶抑制。最有潜力的化合物6、12a和15对Vero和WI-38正常细胞系的细胞毒性评估表明这些候选物具有平衡的安全性特征，适合进一步药理学研究。分子对接显示稳定有利的酶结合，ADMET分析表明有前景的成药性特征。DFT计算辅以多波分析揭示氮取代有效调节前沿分子轨道从而促进酶识别。总体而言，这些结果突显螺色满骨架作为开发有效双重作用抗糖尿病药物的有前景平台，并为进一步优化提供了合理基础。
