他克林-磺酰胺杂合物作为强效乙酰胆碱酯酶抑制剂的设计、合成与生物学评价

《RSC Advances》：Design, synthesis and biological evaluation of tacrine-sulphonamide hybrids as a potent acetylcholinesterase inhibitor

　　

研究人员设计并评估了新型他克林（tacrine）基磺酰胺（sulphonamide）衍生物抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）的能力，采用分子对接（molecular docking）和体外实验（in vitro assays）。对接研究显示，这些化合物通过π-π堆积、π-阳离子相互作用、氢键（hydrogen bonding）和疏水接触（hydrophobic contacts），与关键活性位点残基（包括Trp86、Trp286、Tyr337和Phe338）形成强相互作用。在合成的化合物中，化合物7、4、8和11表现出优越的结合亲和力，其中化合物7的对接得分最高（?9.18 kcal mol^?1），结合能为?97.92 kcal mol^?1。使用Ellman法进行的体外筛选证实了纳摩尔（nM）范围内的强效AChE抑制活性，半数抑制浓度（IC₅₀）值处于纳摩尔水平。结构-活性关系（SAR）分析表明，甲基取代的哌啶（piperidine）衍生物显著增强了抑制效能，其中化合物10和11的IC₅₀值分别达到7.40 nM和11.33 nM。

**论文解读：他克林-磺酰胺杂合物作为强效乙酰胆碱酯酶抑制剂的设计、合成与生物学评价**

**研究背景与问题**

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种进行性神经退行性疾病，约占全球痴呆病例的60%–70%。其病理特征包括细胞外β-淀粉样蛋白（amyloid-beta, Aβ）斑块和细胞内过度磷酸化tau蛋白形成的神经原纤维缠结，导致突触功能障碍、神经元死亡和脑萎缩。临床上，AD主要影响65岁以上人群，表现为认知能力逐渐下降、记忆丧失、判断力受损、语言缺陷及行为异常。全球痴呆症患者数量预计将从2019年的约5500万增至2050年的1.39亿，凸显了开发有效治疗策略的紧迫性。

乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase, AChE）是中枢神经系统中调节乙酰胆碱（acetylcholine, ACh）介导的神经传递的关键酶，其结构包含两个结合位点（催化活性位点CAS和外围阴离子位点PAS），由狭窄的峡谷区连接。AChE是AD治疗的主要药理学靶点。他克林（tacrine）是首个获批用于AD治疗的AChE抑制剂，但因剂量依赖性肝毒性而退市。尽管如此，他克林因其明确的药效团和同时与AChE的CAS及PAS相互作用的能力，仍被作为设计新型多靶点导向配体（multitarget-directed ligands, MTDLs）的核心骨架。近年来，研究人员合成了多种他克林衍生物，如他克林-2-酰胺、他克林-褪黑素杂合物、多奈哌齐-他克林支架等，旨在增强治疗潜力。

**研究目的**

本研究旨在扩展前期工作，评估他克林-2-磺酰胺（tacrine-2-sulphonamide）衍生物的胆碱酯酶抑制活性、理化性质及分子结合相互作用。通过引入磺酰胺基团，利用其更强的电子吸引能力和氢键供/受体特性，期望获得比此前报道的酰胺衍生物更优的AChE抑制活性。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下主要技术方法：1）分子对接（molecular docking）：使用Schr?dinger套件，以重组人乙酰胆碱酯酶（hAChE）与多奈哌齐的共晶结构（PDB ID: 4EY7）为模板，进行配体准备、受体网格生成和Glide评分计算；2）分子动力学模拟（molecular dynamics simulation, MDS）：使用Desmond模块进行200 ns模拟，分析均方根偏差（RMSD）和均方根波动（RMSF），并通过MM-GBSA方法计算结合自由能；3）体外AChE抑制活性测定：采用Ellman法（AMPLITE^? AChE assay kit），测定化合物在200 nM浓度下的抑制百分比并计算半数抑制浓度（IC₅₀）；4）ADME预测：使用QikProp模块评估类药性（Lipinski五规则、Jorgensen三规则）及血脑屏障（BBB）渗透性等；5）毒性预测：使用ProTox-3.0和ToxSTAR进行计算机毒性分析。

**研究结果**

**分子对接（Molecular docking）**

通过分子对接研究，化合物与AChE活性位点关键残基（Trp86、Trp286、His447、Phe338、Tyr337、Tyr341等）形成π-π堆积、π-阳离子相互作用、氢键和疏水接触。化合物7表现出最佳的Glide得分（?9.18 kcal mol^?1）和结合能（?97.92 kcal mol^?1），与Trp286形成两个π-π相互作用，并与Ala343形成两个强氢键。化合物4的Glide得分为?7.82 kcal mol^?1，结合能?94.79 kcal mol^?1，与Trp86、Tyr337、Phe338相互作用。化合物8（Glide得分?6.97 kcal mol^?1，结合能?90.65 kcal mol^?1）与Trp286形成π-π相互作用，与Tyr72和Phe295形成氢键。总体而言，化合物4、7、8、11显示出最高的结合亲和力。

**AChE抑制活性筛选及IC₅₀测定**

采用Ellman法对所有合成化合物进行AChE抑制活性评估，IC₅₀值均在纳摩尔范围。化合物10和11（甲基取代哌啶衍生物）表现出最强的抑制活性，IC₅₀分别为7.40 nM和11.33 nM，远优于他克林（94.69 nM）。结构-活性关系分析表明：给电子基团（如对甲苯磺酰胺中的甲基）增强疏水相互作用，提高效能（化合物1，IC₅₀=31.39 nM）；强吸电子基团（如硝基）降低π-π堆积能力，导致活性下降（化合物2和3，IC₅₀分别为412.84 nM和211.68 nM）；甲氧基虽为给电子基但因位阻和极性干扰活性（化合物4，IC₅₀=436.07 nM）；萘基提供扩展芳香表面积增强π-π堆积（化合物6，IC₅₀=53.01 nM）；吗啉基团引入极性和氢键潜力但疏水匹配差（化合物7，IC₅₀=188.02 nM）；哌啶环上的甲基取代显著提高脂溶性和构象刚性，是优化效能的关键策略（化合物8–11，IC₅₀范围7.40–53.38 nM）。

**对接得分与IC₅₀的相关性**

化合物7的对接得分（?9.18）与IC₅₀（7.40 nM）高度一致。化合物11（IC₅₀=11.33 nM）的对接得分（?6.97）也表现出良好的预测能力。但部分化合物存在偏差，例如化合物3（结合能?64.98，IC₅₀=356.95 nM）表明对接可能未完全捕捉构象柔性或溶解度效应。总体而言，对接模拟为结合亲和力提供了有价值的初步信息，但实验验证不可或缺。

**计算机模拟理化性质（ADME）预测**

所有衍生物均满足Lipinski五规则和Jorgensen三规则，类药性良好。中枢神经系统（CNS）靶向化合物的参数通常较低。化合物通过Caco-2细胞渗透性（QPPCaco）和MDCK细胞渗透性（QPPMDCK）评估，显示适当的渗透性。血脑屏障渗透性（QPlogBB）预测值在合理范围。

**计算机模拟毒性预测**

大多数化合物显示一致的呼吸毒性、BBB渗透性和肝脏相关毒性预测。化合物2和3被预测具有致癌性和致突变性风险。化合物8、9和标准品（他克林）显示出额外的神经毒性或免疫毒性。肝毒性（胆汁淤积、肝硬化、脂肪变性）在多个化合物中有提示，但肝炎风险未出现。总体而言，肝、肾、心脏、细胞毒性和致突变性风险较低，但呼吸毒性和肝脏效应需进一步实验验证。

**RMSD和RMSF分析**

对7个衍生物进行了200 ns分子动力学模拟，蛋白质-配体复合物的平均RMSD为1.87 ± 0.20 ?，表明整体结构稳定。平均RMSF为0.84 ± 0.56 ?，反映残基水平柔性稳定。MM-GBSA计算结合自由能显示：化合物11结合能最强（?106.53 kcal mol^?1），主要由脂溶性贡献驱动；化合物7结合能为?100.68 kcal mol^?1，库仑和溶剂化效应平衡；化合物8结合能?95.70 kcal mol^?1，库仑稳定化增强。所有七个衍生物的结合能均高于50 kcal mol^?1，证实了稳定的结合。

**讨论与结论**

本研究报告了他克林-磺酰胺杂合物的合成及其作为AChE抑制剂的评价。甲基取代的哌啶衍生物（化合物10和11）表现出最强的抑制效能（IC₅₀分别为7.40 nM和11.33 nM），成为最有前景的候选化合物。计算研究表明，这些化合物与AChE活性位点关键残基（Trp86、Trp286、Tyr337、Phe338）通过π-π堆积、π-阳离子相互作用、氢键和疏水力形成强结合。与前期报道的酰胺衍生物相比，磺酰胺衍生物显示出更强的抑制活性，这可能归因于磺酰基更强的吸电子效应，从而增加氢键潜力并调节极性。此外，磺酰胺作为比酰胺更强的氢键供体和受体，可改善与AChE催化残基和外围残基的相互作用。总体而言，这些发现表明，基于他克林的磺酰胺衍生物（尤其是化合物10和11）是高效的AChE抑制剂，具有进一步治疗开发的潜力。