多功能他克林衍生物的合理设计作为阿尔茨海默病和帕金森病治疗候选药物

《ChemMedChem》：Rational Design of Multifunctional Tacrine Derivatives as Candidates for the Treatment of Alzheimer and Parkinson Diseases

　　

阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)是多因素神经退行性疾病，目前尚无能够预防或减缓其进展的疗法。一些用于治疗AD的药物是乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制剂和N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAr)拮抗剂，而用于PD的药物是儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT)抑制剂和单胺氧化酶B(MAO-B)抑制剂。他克林是FDA（美国食品药品监督管理局）批准的第一个抗AD药物。尽管后来因肝毒性被撤市，它仍然是药物开发的关键骨架。在此，研究人员通过CADMA-Chem方案设计了1295种他克林衍生物，旨在增强母体化合物的疗效和安全性。基于ADME性质、毒性和合成可及性的选择分数对化学空间进行了筛选。选择了两种具有最佳药物相似性的衍生物进行进一步研究。估算了它们的酸碱常数和反应性描述符。研究人员的发现表明，这些衍生物是AChE、COMT、NMDAr和MAO-B的有前景抑制剂。因此，根据计算机预测，它们有望对AD和PD有益。此处研究的化合物之一是首个报道的具有COMT抑制剂潜力的他克林衍生化合物。

**论文解读：多功能他克林衍生物用于阿尔茨海默病和帕金森病治疗的计算机辅助设计**

**研究背景与问题**

阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)是两类最常见的神经退行性疾病，全球患病人数持续增长。AD以细胞外β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块和细胞内tau蛋白神经原纤维缠结(NFTs)为特征，同时伴有乙酰胆碱(ACh)水平下降和N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAr)过度兴奋导致的兴奋性毒性。PD的关键病理标志包括α-突触核蛋白(α-syn)聚集形成路易小体以及黑质致密部(SNpc)多巴胺能神经元丢失，导致多巴胺(DA)水平降低。目前，AD的治疗药物主要为乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制剂（如多奈哌齐）和NMDAr拮抗剂（如美金刚），PD的治疗则依赖左旋多巴(L-DOPA）、儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT)抑制剂（如托卡朋）和单胺氧化酶B(MAO-B)抑制剂（如雷沙吉兰）。然而，这些药物仅能缓解症状，无法阻止或延缓疾病进展，且存在副作用。他克林(Tacrine)是1993年FDA批准的首个抗AD药物，通过抑制AChE发挥作用，但因肝毒性于2013年撤市。尽管如此，他克林因其强效的AChE结合能力、合成易得性和结构可修饰性，仍是药物开发的重要骨架。为克服现有疗法的局限性，亟需设计多靶点小分子药物，同时针对AD和PD的多个致病途径（如AChE、NMDAr、COMT、MAO-B）并具有抗氧化活性，以提升疗效和安全性。

**研究内容与结论**

研究人员采用计算机辅助多功能抗氧化剂设计(CADMA-Chem)方案，系统设计并筛选了他克林衍生物。通过引入-OH、-OCH₃、-CHO、-SH和-COOCH₃等取代基到他克林饱和环的R₁–R₄位点，共构建了1295种衍生物。基于ADME性质、毒性（包括口服大鼠半数致死量LD₅₀、Ames致突变性、发育毒性DT和药物性肝损伤DILI）和合成可及性(SA)计算选择分数(SS)，筛选出两种药物相似性最佳的衍生物TAC-674和TAC-678。进一步通过密度泛函理论(DFT)计算其酸碱常数(pKa)和反应性描述符（电离能IE和键解离能BDE），评估其抗氧化活性。分子对接模拟评估了衍生物与AChE、NMDAr、COMT和MAO-B的结合能力，并计算加权结合能和多重靶标分数。分子动力学(MD)模拟（100 ns）验证了[AChE:TAC-674]和[MAO-B:TAC-678]复合物的稳定性。

结论表明：TAC-674和TAC-678在生理pH下以中性物种为主，易通过被动扩散穿越生物屏障，其阴离子形式通过单电子转移(SET)和氢原子转移(f-HAT)机制表现出高效自由基清除能力，优于他克林和参考抗氧化剂（Trolox、抗坏血酸、生育酚）。分子对接显示，两种衍生物对AChE、NMDAr、COMT和MAO-B的结合能均优于天然底物（乙酰胆碱、谷氨酸、多巴胺、苯乙胺），且TAC-674对COMT表现出潜在的结合模式，这是首个报道的具有COMT抑制潜力的他克林衍生物。MD模拟证实了蛋白质-配体复合物的动态稳定性，配体未发生解离。该研究发表在《ChemMedChem》，为AD和PD的多靶点治疗提供了新的候选化合物。

**主要技术方法**

关键技术与方法包括：1) 使用CADMA-Chem方案（计算机辅助多功能抗氧化剂设计）进行分子设计；2) 采用CADMA-Py程序预测ADME性质和毒性（包括LD₅₀、致突变性、发育毒性和肝毒性）；3) 利用Ambit-SA软件评估合成可及性；4) 基于密度泛函理论(DFT)的M05-2X/6-31+G(d)方法计算电离能(IE)和键解离能(BDE)，以及pKa值；5) 使用AutoDock Vina 1.2.7进行分子对接，计算加权结合能和相似性交互分数(SSI)；6) 采用GROMACS 2024.2进行100 ns分子动力学模拟，使用CHARMM36力场和TIP3P水模型。所有计算均基于计算机模拟，未涉及实际样本队列。

**研究结果**

**3.1 化学空间采样**
通过CADMA-Chem方案设计1295种衍生物，采用三种不同毒性预测软件组合计算选择分数(SS)。TAC-674和TAC-678在三种组合中均位列前十，且SS值高于他克林和参考化合物集平均值。毒性分析显示，TAC-674和TAC-678的LD₅₀分数(SLD₅₀)显著高于他克林，致突变性分数(SM)和发育毒性分数(SDT)也优于他克林，表明其毒性更低。肝毒性预测结果不一致，需实验验证。基于综合筛选，选定TAC-674和TAC-678进行后续研究。

**3.2 酸碱平衡与抗氧化活性**
计算TAC-674和TAC-678的pKa值及生理pH下的摩尔分数。TAC-674在pH 7.4时中性物种占99.4%，TAC-678中性物种占67.0%，阳离子占30.0%。通过电子与氢供体能力图(eH-DAMA)评估抗氧化活性，发现两种衍生物的阴离子形式（TAC-674的单阴离子和TAC-678的双阴离子）的IE和BDE值低于氧化目标H₂O₂/•OOH对，表明其可通过SET和f-HAT机制高效清除自由基，优于Trolox、抗坏血酸和生育酚。

**3.3 多靶点活性**
分子对接结果显示，TAC-674和TAC-678对AChE、NMDAr、COMT和MAO-B的加权结合能均低于天然底物，表明其潜在多靶点相互作用。多重靶标效率图显示，衍生物对AChE、NMDAr和MAO-B的预测结合性能优于他克林。相似性交互分数(SSI)分析表明，TAC-674对AChE、COMT和MAO-B的SSI值高于内部参考值(0.38)，TAC-678对AChE、NMDAr和MAO-B的SSI值也较高。具体结合模式分析：TAC-674与AChE的催化位点（Trp86、Asn87、Tyr124）和周边阴离子位点（Tyr337、Phe338、Tyr341）形成氢键和π-π堆积；TAC-678与MAO-B的活性位点（Tyr326、Ile198、Ile199、Cys172）形成氢键和疏水作用；TAC-678与NMDAr离子通道区域（Asn615、Thr647、Val640）形成氢键；TAC-674与COMT的Mg²⁺离子及Lys144、Asn170、Glu199形成配位和氢键，模拟了托卡朋的结合模式。

**3.4 [MAO-B:TAC-678]和[AChE:TAC-674]复合物的分子动力学模拟**
100 ns MD模拟显示，蛋白骨架RMSD稳定（AChE约0.20 nm，MAO-B约0.28 nm）。配体RMSD分别为0.32 nm（TAC-674）和0.23 nm（TAC-678），配体-口袋距离稳定（0.53 nm和0.12 nm），表明配体未解离。接触分析显示，TAC-674与AChE的Trp86、Tyr337、Asp74、His447等关键残基保持高占有率接触（>90%）；TAC-678与MAO-B的Tyr326、Ile316、Leu164、Ile199等残基保持接触。MD结果支持了对接构象的稳定性，提示配体可能通过占据活性位点或底物通道影响酶功能。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，TAC-674和TAC-678的计算机预测谱支持其作为多功能抗氧化剂和神经保护剂的潜力。TAC-674对AChE和COMT的双重作用可能改善胆碱能信号和儿茶酚胺代谢，TAC-678对MAO-B和NMDAr的相互作用可能调节多巴胺水平和谷氨酸兴奋性毒性。然而，这些预测需要实验验证。分子动力学模拟证实了复合物的动态稳定性，为后续研究提供了基础。

**结论部分翻译**：在本工作中，使用CADMA-Chem方法设计了1295种他克林衍生物。基于ADME性质、毒性和可制造性参数的选择分数(SS)对这套化合物进行了筛选。结果，两个具有最佳药物相似性、毒性和合成可及性的衍生物（TAC-678和TAC-674）被选为最有前景的候选物。对于这一子集，构建了eH-DAMA图以评估其通过SET和f-HAT机制的抗氧化活性。据此，TAC-674和TAC-678的阴离子形式是通过SET和f-HAT机制最有效的自由基清除剂。综合计算证据使TAC-674和TAC-678被优先考虑为具有与AChE/COMT和MAO-B/NMDAr结合兼容的相互作用谱的候选物。TAC-674显示出与COMT结合的计算机模拟相互作用谱，突出了他克林衍生化合物一个未被充分探索的方向。最后，MD模拟支持了[AChE:TAC-674]和[MAO-B:TAC-678]复合物的动态稳定性，表明持续结合而无配体解离。因此，它们被提议用于进一步研究（理论和实验）。