针对缺血性中风引起的线粒体功能障碍和神经炎症的多层连接伊地苯酮衍生物的设计、合成及生物学评估

《Bioorganic Chemistry》：Design, synthesis, and biological evaluation of a multi-layer–linked idebenone derivative targeting mitochondrial dysfunction and neuroinflammation for ischemic stroke

　　

李梅|孔德远|任庆国|李卓鹏|王哲毅|白泽泰|孟丽颖|刘雪萌|简旭丽|吴冠昭

中国山东省济南市山东大学齐鲁医院神经内科、线粒体医学与罕见病山东省重点实验室、神经肌肉与神经退行性疾病研究所

摘要

缺血性中风是由氧化应激、线粒体功能障碍以及缺血再灌注过程中的神经炎症所引发的。虽然伊地苯酮具有抗氧化潜力，但其临床应用效果受限，因为其疗效不够理想。在此，我们报道了一种新型多层连接的伊地苯酮衍生物（化合物8）的设计、合成及生物学评估，该衍生物将具有氧化还原活性的药效团整合到刚性的三维骨架中。化合物8是通过双苏兹基-米奥拉偶联反应合成的。生物学研究表明，在谷氨酸损伤的HT22细胞中，化合物8的神经保护作用显著强于伊地苯酮，且细胞毒性更低。从机制上来看，化合物8能够抑制线粒体活性氧的产生，维持线粒体膜电位，并恢复ATP水平。在脑缺血再灌注损伤的小鼠模型中，化合物8显著减少了梗死体积，改善了神经功能预后。多组学分析进一步表明，化合物8可通过抑制SerpinA3N/NF-κB信号通路以及减少星形胶质细胞的活化来减轻神经炎症。这些研究结果表明，对伊地苯酮进行多层分子工程改造可提升其药理特性，为开发针对线粒体功能障碍和神经炎症的神经保护剂提供了有力策略。

引言

缺血性中风是最常见的中风类型，每年导致约260万至280万人死亡，仍是全球成年人长期残疾的主要原因之一[1]、[2]、[3]。目前，美国食品药品监督管理局已批准两种溶栓药物——阿替普酶和替奈普酶，这两种均为重组组织型纤溶酶原激活剂，用于治疗急性缺血性中风。然而，这些药物必须在症状出现后大约4.5小时的狭窄治疗窗口内使用。由于时间限制以及出血性并发症的风险，只有少数缺血性中风患者适合接受溶栓治疗[4]、[5]。此外，溶栓治疗后血液重新流回缺血的脑组织时，可能会引发缺血再灌注损伤，从而部分抵消再通带来的治疗效果。在临床实践中，一些神经保护剂，如依达拉奉和丁基邻苯二甲酸酯，已被证明能改善缺血性中风患者的功能恢复情况[6]、[7]。最近的研究表明，这类药物可以在相对宽泛的治疗时间内使用，因此其适用范围超出了溶栓治疗的时间限制。这些发现支持了神经保护的理念，即通过保护缺血半影区并减轻溶栓后的缺血再灌注损伤，作为改善急性缺血性中风预后的有效辅助策略[8]。因此，为了保护缺血神经元并减轻缺血再灌注损伤，迫切需要开发具有更宽治疗时间窗和更强功效的新型神经保护剂，以改善急性缺血性中风患者的整体预后。

目前已知的神经保护剂通过多种机制发挥作用，包括清除自由基、减少氧化应激、调节离子型谷氨酸受体活性，以及抑制神经炎症和血小板聚集，共同起到保护缺血损伤后神经元的作用[9]、[10]、[11]。在这些药物中，伊地苯酮是一种合成的短链苯醌类物质，也是辅酶Q10的结构类似物，因其强大的抗氧化和线粒体保护作用而备受关注。它能有效清除活性氧，支持线粒体电子传递，进而减轻氧化性神经元损伤[12]、[13]、[14]。尽管有这些良好的效果，但由于伊地苯酮代谢速度快、脑部生物利用度低且半衰期短，限制了其在缺血性中风治疗中的应用[15]、[16]、[17]，因此其临床应用进展较为缓慢。为了解决这些问题，亟需对伊地苯酮的结构进行优化，以提高其药代动力学特性和多靶点神经保护效果。

近年来，合成化学领域的进展带来了多种多层3D手性框架，这类框架通过完全C–C键连接的连接子构建，具有独特的结构刚性、构象限制以及可调控的官能化特性[18]、[19]。与传统平面或单连接子分子不同，这类结构将顶部、中部和底部的芳香层整合成类似三明治的结构，从而提升了稳定性，并便于精确引入生物活性基团。重要的是，这样的多层连接子系统为设计多功能化合物提供了可能，这类化合物能够同时调节氧化应激、线粒体功能障碍以及炎症途径，而这些正是导致缺血性中风发病的关键因素。

通过将伊地苯酮整合到多层连接子骨架中，可以设计出具有更高氧化还原稳定性、更长抗氧化活性以及更好神经元生物利用度的混合分子。刚性三维骨架的引入不仅有助于优化药物与靶标的相互作用，还能让更多的药效团被引入，从而实现多模式的神经保护作用。总体而言，这种多层连接的伊地苯酮设计为缺血性中风的治疗提供了一种极具前景的策略。通过结合伊地苯酮已有的抗氧化和线粒体保护特性，以及多层3D连接子在结构和药代动力学方面的优势，这一方法有望克服现有的药理局限，推动针对急性缺血性中风的多靶点、机制导向型疗法的发展。

章节节选

化学结构

多层连接的伊地苯酮衍生物化合物8的合成是通过双苏兹基-米奥拉偶联策略，将伊地苯酮的药效团特征与多层三维连接子相结合而设计的。图1展示了化合物8的合成路线。如图所示，市售的2-(10-羟基癸基)-5,6-二甲氧基-3-甲基环己-2,5-二烯-1,4-二酮（1）与4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二硼烷-2-基)苯甲酸（2）在特定条件下发生偶联反应

讨论

缺血性中风是由于血栓形成或栓塞导致脑部血流中断而引发的。它是全球第二大死亡原因，每年造成590万人死亡，还有1.02亿人的寿命质量受损[24]。急性缺血性中风的发病机制涉及兴奋毒性、线粒体功能障碍、氧化应激以及持续存在的神经炎症等多种因素的复杂相互作用。因此，研发针对性的神经保护剂至关重要

结论

总之，我们的研究表明，新型伊地苯酮衍生物化合物8在对抗脑缺血再灌注损伤方面，其神经保护作用明显强于其母体化合物伊地苯酮。这一更强的效果得益于其更出色的线粒体保护作用，表现为ATP合成增强、线粒体活性氧产生减少以及线粒体膜电位得以维持。同时，化合物8还能减轻由活性星形胶质细胞引发的

基本信息

所有使用的溶剂和试剂，包括无水溶剂，均为商业级产品，购自Sigma-Aldrich或其他商业供应商。核磁共振数据是在Agilent核磁共振仪上获得的，¹H的共振频率为600 MHz，¹³C的共振频率为151 MHz。化学位移以百万分之几（δ）表示，以四甲基硅烷为参照物，溶剂共振峰作为CDCl₃或DMSO－d₆溶液中的内标。数据呈现方式如下：化学位移、积分值、多重性（br = 宽峰，

CRediT作者贡献说明

李梅：撰写——初稿撰写、可视化、软件应用、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。孔德远：可视化、软件应用、方法设计、正式分析。任庆国：可视化、方法设计。李卓鹏：正式分析、数据整理。王哲毅：数据整理。白泽泰：正式分析、数据整理。孟丽颖：正式分析。刘雪萌：数据整理。简旭丽：撰写——审阅与编辑。吴冠昭：撰写——审阅与编辑、撰写——

资助情况

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：22201164）、山东省自然科学基金（编号：ZR2025MS1516）、泰山青年学者计划（编号：202306352）以及山东大学齐鲁青年学者计划（编号：SDQLQN2021–01）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢线粒体医学与罕见病实验室的所有成员在技术支持以及宝贵意见交流方面所提供的帮助。