硫脲-吡唑嘧啶杂合体作为新型双重PI3K/mTOR抑制剂的计算机设计、验证及其在癌症治疗中的应用前景

《PHARMACIA》：Design and in silico study of thiourea–pyrazolopyrimidine hybrids as dual PI3K/mTOR inhibitors for cancer therapy

本研究旨在解决当前临床PI3K/mTOR双重抑制剂面临的生物利用度低、毒性大及耐药性迅速等难题。研究人员通过分子杂交策略，将硫脲和吡唑嘧啶两种药效团整合，设计了80种新型杂合体化合物。利用分子对接、分子动力学模拟及ADMET预测等计算机辅助方法进行系统性评价。结果显示，多种衍生物（尤其是2-苯基苯甲酸酯和4-噻吩类似物）对PI3K和mTOR靶点的结合亲和力优于天然配体，且展现出良好的药代动力学特性和降低的毒性风险。该研究为开发高效、低毒的新型抗癌候选药物奠定了坚实的理论基础，并为后续的合成与生物学验证指明了方向。

　　

癌症，这个在21世纪依然严峻的全球性健康挑战，每年导致数百万人死亡。在肿瘤复杂的生长网络中，有一条名为PI3K/Akt/mTOR的信号通路格外关键，它像细胞内的“司令部”，调控着细胞的增殖、代谢和存活。一旦这个“司令部”失控，就会驱动肿瘤的发生和发展，甚至让癌细胞对常规疗法产生抵抗。科学家们曾寄希望于能够同时阻断PI3K和mTOR这两个关键节点的“双重抑制剂”，但已有的药物如BEZ235等，却常常因为口服吸收差、毒性反应大以及癌细胞很快产生耐药性而折戟沉沙。因此，寻找既能有效抑制靶点、又兼具良好安全性的新一代抗癌药物，成为了一个迫切的科学命题。

为此，研究人员将目光投向了“分子杂交”这一巧妙的药物设计策略。想象一下，将两种已知具有抗癌潜力的“武器部件”——硫脲衍生物和吡唑嘧啶结构——通过化学键连接成一个全新的“复合武器”。前者（硫脲衍生物）有诱导癌细胞凋亡的潜力，后者（吡唑嘧啶）则对PI3K/mTOR的ATP结合域有天然亲和力。它们的结合，有望取长补短，诞生出更强效、更稳定的抗癌候选分子。为了高效地从海量可能的“复合武器”设计中筛选出最优解，研究人员展开了一场全方位的“计算机虚拟战”。

在这场“虚拟战”中，研究人员主要运用了三大关键技术：首先是分子对接，他们使用AutoDock软件，让80种设计好的硫脲-吡唑嘧啶杂合体分子在计算机中与PI3K和mTOR的蛋白质三维结构“对接”，预测其结合能力和模式。其次是分子动力学模拟，他们利用Desmond软件，对筛选出的最优分子与靶蛋白的复合物进行长达30纳秒的动态模拟，观察在接近生理环境的“晃动”下，复合物是否稳定。最后是ADMET性质预测，通过pkCSM在线服务器，提前评估这些候选分子的吸收、分布、代谢、排泄和毒性特性，从药代动力学和安全性角度进行初筛。

研究结果

药代动力学和毒性预测

研究人员对80种杂合体化合物进行了系统的ADMET（吸收、分布、代谢、排泄、毒性）预测。结果显示，大多数化合物表现出良好的吸收特性，其Caco-2通透性和人体肠道吸收率均较高。在分布方面，多数化合物的表观分布容积（VD_ss）值为负，倾向于停留在血浆中；而含有长链烷基（如庚基、辛基）的化合物则表现出更强的组织分布倾向。值得注意的是，部分含三氟甲基（-CF₃）和氟的衍生物（如2,5-F-5-CF₃）显示出穿透血脑屏障的潜力。所有化合物均不抑制CYP2D6酶，降低了药物相互作用风险。毒性预测表明，先导化合物具有致突变性和肝毒性，而许多含-CF₃、-OCF₃或长链烷基取代的衍生物则为非致突变性，且急性口服毒性较低，显示出更优的安全性。

受体分析

为确保后续计算的可靠性，研究对所用靶点蛋白的结构质量进行了验证。对于PI3K受体（PDB ID：3L54），Ramachandran图显示89.5%的残基位于最允许区域，ERRAT2分析的整体质量因子为94.9%，结构质量良好。对于mTOR受体（PDB ID：4JT6），84.5%的残基位于最允许区域，ERRAT2质量因子为84.1%，虽然质量略低，但仍可用于计算研究，结果解读需谨慎。

分子对接

分子对接结果显示，多个杂合体化合物对PI3K和mTOR的结合亲和力优于其各自的天然配体。

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  针对PI3K：2-苯基苯甲酸酯衍生物（编号36）的结合自由能（FEB）为-9.49 kcal/mol，抑制常数（K_i）为0.111 μM，优于天然配体（FEB -8.09 kcal/mol， K_i1.17 μM）。其主要通过氢键（与Val882、Lys833）和疏水作用与Met953、Ile963等关键残基结合。
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  针对mTOR：4-苯基二氮烯（编号1）和2-CN（编号38）衍生物的FEB均为-10.07 kcal/mol，K_i约为0.041 μM，优于天然配体（FEB -9.67 kcal/mol， K_i0.081 μM）。它们与Asp2357、Cys2243、Val2240等活性位点残基存在广泛的相互作用。
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  双重抑制潜力：像2-苯基苯甲酸酯、4-噻吩（编号78）等化合物在两个靶点上都表现出较强的结合能力，展示了作为双重抑制剂的潜力。

分子动力学

为了验证对接结果的稳定性，研究人员对优选化合物（如38、59、78号）与靶点的复合物进行了30纳秒的分子动力学模拟。

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  PI3K复合物：天然配体复合物最为稳定，RMSD（均方根偏差）在1.5–2.0 ?。杂合体化合物复合物的RMSD略高（2.5–3.5 ?），但在10纳秒后趋于稳定，且RMSF（均方根涨落）分析显示结合位点残基波动较小，表明复合物整体稳定。
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  mTOR复合物：天然配体、59号和78号化合物的复合物稳定性相当（RMSD 2.0–3.0 ?）。其中，78号化合物（4-噻吩）与mTOR的相互作用分析显示，它与Val2240、Cys2243、Trp2239等关键残基在整个模拟过程中保持了持续且稳定的氢键和疏水接触，其配体自身的构象（RMSD）、极性表面积等性质也保持稳定，进一步证实了其结合模式的可靠性。

研究结论与意义

本研究通过系统的计算机辅助药物设计，成功提出了一类新型的硫脲-吡唑嘧啶杂合体作为潜在的双重PI3K/mTOR抑制剂。研究表明，通过合理的分子杂交，能够获得比现有先导化合物或天然配体结合更强、预测药代动力学特性更优、且毒性风险更低的候选分子。其中，2-苯基苯甲酸酯和4-噻吩等衍生物表现尤为突出。分子动力学模拟证实了这些优选化合物与靶蛋白复合物在模拟生理环境下的稳定性。该工作不仅为克服现有PI3K/mTOR抑制剂临床应用的局限性提供了新的分子实体和设计思路，而且建立了一个从虚拟设计、动态验证到初步ADMET评估的完整研究框架。这些发现为后续的化学合成、体外活性测试乃至体内药效学实验奠定了坚实的理论基础，有望推动新一代高效低毒抗癌药物的研发进程。本研究已发表在期刊《PHARMACIA》上。