环氧苯并氧杂环辛酮核心Integrastatins及其类似物：结构、合成方法与生物应用的综合综述

《ACS Omega》：The Epoxybenzooxocine Core of Integrastatins and Analogs: A Comprehensive Review of Structure, Synthetic Approaches, and Biological Applications

　　

Integrastatins及其生物合成对应物具有罕见的杂四环骨架，包含前所未有的[6/6/6/6]-四环母核和中心的[3/3/1]-双环缩酮核心，具有很高的药物开发潜力，尤其是因其强效的抗HIV-1整合酶活性。尽管这些骨架前景广阔，但对其化学和生物学进行系统整合的工作一直完全缺乏，这在这些天然聚酮化合物的复杂结构与靶向设计类药抑制剂之间造成了关键差距。在此，研究人员提出了该领域的首篇综合综述，系统分析了从Scopus、Web of Science、PubMed和PubChem数据库检索到的1999年至2025年间42篇同行评审出版物。结构分析证实，尽管这些刚性、非平面的V形分子符合作为类药物性基线过滤条件的Lipinski五规则，但更深入的ADMET分析进一步突出了它们的高预测人体肠道吸收（HIA）以及低心脏毒性风险。在合成方面，研究人员详细阐述了该领域如何从2003年艰难的11步合成路线从根本上演变为2008年和2021年高度精简、原子经济的一步法方案，最终在2025年实现全合成，成功解决了epicoccolide A和epicocconigrone A长期以来的结构误判。此外，对八个关键合成参数的比较评估突显了当前级联环化方法在步骤效率、可扩展性和官能团耐受性之间的操作权衡。在生物学方面，研究人员评估了30多种合成衍生物的广泛体外和计算机模拟分析，突出了其抗微生物（牛分枝杆菌、金黄色葡萄球菌、胡萝卜软腐果胶杆菌、白色念珠菌）、抗结核和抗病毒（SARS-CoV-2和HIV-1整合酶抑制）效力。将药效团作图与计算机模拟ADMET分析相结合表明，尽管具有有利的吸收和心脏安全性，但预测的肝毒性、致癌性和皮肤致敏性等风险属性凸显了靶向结构修饰的关键领域。最终，通过将合成方法与计算机模拟和实验生物活性评价相衔接，本综述确立了基于环氧苯并氧杂环辛酮的杂环化合物作为可行的早期先导化合物平台，并概述了推进这些骨架在靶向药物发现中的应用的战略方向。

**集成他汀类及类似物环氧苯并氧杂环辛酮核心的结构、合成策略与生物应用——论文解读**

**一、研究背景与问题**

长期以来，寻找新型抗逆转录病毒和抗病毒药物一直是全球健康领域的优先事项，尤其是在HIV-1疫情持续和SARS-CoV-2出现的背景下。在众多病毒酶中，HIV-1整合酶因其在人类细胞中没有对应物而成为关键靶点，对其抑制不太可能干扰正常细胞代谢。整合是逆转录病毒（包括HIV）生命周期中的关键步骤，是一个三步过程，涉及整合酶组装前病毒DNA、前病毒DNA的核酸内切酶加工以及将前病毒DNA链转移至宿主细胞DNA。这一过程以及酶本身在宿主体内均不存在，使其成为开发新型抗HIV疗法的安全靶点。尽管二酮酸类整合酶抑制剂已显示出与临床有效的蛋白酶抑制剂相当的抗病毒活性，但药物开发过程的不可预测性使得探索可能抑制整合酶的其他结构变得尤为重要。天然化合物提取物因其固有的生物相容性、通常较低的毒性以及往往拥有超越典型合成化合物库化学多样性的独特结构框架，历来被用于寻找潜在药物候选物。对真菌提取物的持续筛选于2002年发现了两种外消旋化合物，命名为integrastatins A和B。这些具有聚酮来源的四环芳香族杂环化合物被证明能抑制重组HIV-1整合酶的链转移反应，IC₅₀值分别为1.1和2.5 μM。然而，它们在特有天然真菌来源中丰度低以及分离成本高昂，严重限制了其实际应用。因此，自2002年首次发现以来，开发高效合成这些结构框架及其结构类似物的方法已成为有机化学的一个重要领域。然而，尽管这些骨架前景广阔，但对其化学和生物学进行系统整合的工作一直完全缺乏，这在这些天然聚酮的复杂结构与类药抑制剂靶向设计之间造成了关键差距。为此，研究人员开展了这项研究，旨在填补这一系统性文献空白。

**二、研究内容与结论**

该研究是首篇专门针对天然integrastatins及其合成类似物的综合综述，重点涵盖其结构、合成方法和生物活性。研究人员系统分析了1999年至2025年间来自Scopus、Web of Science、PubMed和PubChem数据库的42篇同行评审出版物。结构分析确认，这些刚性非平面V形分子符合Lipinski五规则作为类药物性的基线过滤条件，且更深入的ADMET分析进一步凸显了其高预测人体肠道吸收和低心脏毒性风险。合成方面，该领域已从2003年艰难的11步合成路线演变为2008年和2021年高度精简、原子经济的一步法方案，最终在2025年通过全合成成功解决了epicoccolide A和epicocconigrone A长期以来的结构误判。生物学方面，对30多种合成衍生物的评估突出了其抗微生物、抗结核和抗病毒效力。通过将药效团作图与计算机模拟ADMET分析相结合，该综述确立了基于环氧苯并氧杂环辛酮的杂环化合物作为可行的早期先导化合物平台。该论文发表在《ACS Omega》。

**三、主要技术方法**

研究人员采用了多种关键技术方法：基于Scopus、Web of Science、PubMed和PubChem数据库的系统文献检索与分析方法；利用AdmetLab 3.0在线平台进行计算机模拟药物类药性和ADMET参数预测；采用PASSOnline资源预测生物活性；使用分子对接技术评估化合物与HIV-1（PDB ID 3V81）、SARS-CoV-2（PDB ID 7AAP）、HRV-14（PDB ID 4PDW）等病毒靶蛋白的结合亲和力；运用DFT计算进行分子静电势分析；通过单晶X射线衍射确认化合物结构；采用NMR光谱（包括HMBC和NOE相关谱）进行结构表征与验证。

**四、研究结果**

***1. 结构分析、分子描述符及ADMET预评价***

天然Integrastatins A（2a）和B（2b）、Epicoccolide A（3）及Epicocconigrone A（4）为具有前所未有的[6/6/6/6]-四环骨架的四环芳香族杂环化合物，由中心[3/3/1]-双环缩酮核心连接两侧芳香环组成。C-12位取代基的氧化态是关键的差异：Integrastatin A具有羟甲基（?CH₂OH），而Integrastatin B、Epicoccolide A和Epicocconigrone A具有甲酰基（?CHO）。这些化合物通常因氧杂辛环的刚性结构而呈现非平面V形或倒V形构象。PubChem分子描述符比较分析表明，化合物2–4的分子量均低于500 Da，脂溶性（XLogP3-AA）值在1.1–1.7之间，氢键供体（HBD）和受体（HBA）数量分别不超过5和9，严格符合Lipinski五规则。TPSA值分析显示Integrastatins A和B更接近药物优选范围，而Epicoccolide A和Epicocconigrone A的TPSA值超过140 ?2阈值，提示其可能具有有限的被动扩散能力。分子复杂度指数（626–685）突显了这些代谢物复杂的立体化学结构。总体而言，这些天然产物具有良好的药物类性，甲酰基提供了进一步半合成修饰的反应“把手”。

***2. 环氧苯并氧杂环辛酮核心的合成方法***

在生物合成途径方面，Singh提出integrastatins通过传统聚酮途径生物合成，由九个乙酸单元缩合形成聚-β-酮链，再经区域选择性芳构化、脱羧和特异性甲基化及氧化步骤形成复杂四环体系。Talontsi提出epicoccolide A的更直接生物合成途径，从flavipin前体分子出发，经硫胺素催化的不对称苯偶姻缩合、缩醛形成和环化步骤完成组装。在历史多步全合成方面，Foot等人于2003年首次报道了integrastatin四环核心的全合成，利用Ramberg–B?cklund反应作为关键转化步骤，经11步反应以33%的总产率完成合成，但该路线受限于较长的合成序列、有限的可扩展性和有毒试剂的使用。2008年，Ramana等人开发了一步法合成策略，通过邻苯二甲醛和邻羟基苯甲醛的频哪醇交叉偶联反应，在Mg(Hg)和低价钛试剂条件下，单步构建三个化学键，直接获得拓扑复杂的四环体系，最高产率为42%。2016年，More和Ramana通过苯并呋喃氧化去芳构化级联反应实现了Integrastatin B的7步全合成，总产率17.9%，策略核心是利用Oxone促进C2-芳基苯并呋喃前体氧化去芳构化，生成的瞬态邻醌甲基化物（o-QM）中间体与C2-芳基上的悬垂羰基发生自发分子内[4 + 2]环加成，单步构建氧桥四环骨架。2019年Jeong等人和2020年Yamagiwa等人分别报道了8步和3步合成路线。在一步法杂环类似物合成方面，Kulakov等人于2021年报道了3,5-二乙酰基-2,6-二甲基吡啶与各种水杨醛衍生物的酸催化环化反应，在2-丙醇或丁醇回流条件下以三氟乙酸为催化剂，合成了21种新的环氧苯并氧杂环辛酮并吡啶衍生物。该反应对供电子和吸电子取代基均表现出广泛的底物耐受性。2024年，该方法进一步扩展至嘧啶类底物，合成了5-甲基-11,12-二氢-5H-5,11-环氧苯并[7,8]氧杂环辛酮并[4,3-d]嘧啶衍生物。在Epicoccolides全合成方面，Treiber等人于2025年通过PtCl₂催化的炔烃环化和氧化骨架重排，从共同前体出发分别以13步线性序列完成了Epicoccolide B（总产率10%）和Epicoccolide A的全合成。通过2D NMR分析，关键HMBC和NOE相关谱确立了最终产物的连接性和空间排列，证明先前被归属为epicoccolide A的化合物实际上是epicocconigrone A，纠正了文献中长期存在的结构误判。

***3. 合成策略比较分析***

对2003至2025年间各合成策略的系统比较显示，合成方法学已从经典多步合成向仿生级联过程乃至一步酸催化方法演进。Foot等人的Ramberg–B?cklund路线（11步，33%总产率）和Tadross的4步路线（30%产率）提供了最高的累积产率。Ramana的一步频哪醇偶联和Kulakov的一步酸催化环化实现了最少的步骤数，但前者局限于碳环核心且依赖危险试剂，后者则可直接获得杂环类似物。Yamagiwa和Kulakov的方法在试剂可得性方面具有优势，无需贵金属或专门试剂。可扩展性方面，Tadross和Kulakov的方法最为突出。仿生设计方面，Ramana、More-Ramana和Treiber的方法最接近模拟生物合成途径。Kulakov的酸催化方法同时满足最少步骤数、高可扩展性和直接获得稠合杂环类似物三个关键标准，被认为是构建具有预测抗HIV-1和SARS-CoV-2活性化合物库的最有前景的策略。

***4. 骨架结构与药效团及ADMET特征***

三个基本骨架构成了核心分子框架：未取代的天然核心（骨架1）、吡啶稠合架构（骨架2）和嘧啶稠合系统（骨架3）。这些刚性杂环核心为R基取代基的精确定向提供了明确的空间基础，通过限制随机构象旋转，在与酶或受体结合时最小化熵代价，同时精确地以最佳距离和角度定位关键药效团载体，如?OH、?NO₂、?NH₂和芳香环。骨架2的引入简化了合成途径并增加了碱性，内环吡啶氮充当固定氢键受体和潜在质子化中心。骨架3在C-2位可耐受多种官能团，包括纯HBD（?NH₂）、疏水性（?OCH₃）、HBA/疏水性（?OCH₃）和芳香（苯基）部分，但嘧啶环C-6位引入取代基会因空间位阻完全抑制环化。计算机模拟ADMET分析显示，所有化合物均显示出良好的预测人体肠道吸收以及低心脏毒性风险，但预测的肝毒性、致癌性和皮肤致敏性风险突显了未来通过靶向修饰需解决的关键领域。

***5. 衍生化、生物筛选及计算分析***

通过以化合物44a（骨架2）为核心框架，研究人员在C-3位（吡啶环）和C-11位（稠合苯环）两个主要反应中心进行了系统官能团化修饰。C-3位修饰产生了包括腙类（70–71）、β-二羰基衍生物（72、75）、喹喔啉-2-酮偶联物（73a–d）、肟类（74a–b）、吡唑类（76a–b、77a–b）、1,4-二氢吡啶类（78、79）、仲醇（80）、吡啶基查尔酮类（81a–e）和1-乙酰基-4,5-二氢-1H-吡唑类（82a–e）在内的多种结构类似物。C-11位平行官能团化获得了带有S-甲硫基、N-甲氨基、杂环连接和多环取代基的衍生物83a–i。体外抗SARS-CoV-2筛选鉴定出化合物73a为最强候选物，其EC₅₀为2.2 μg/mL，与阳性对照地洛龙（EC₅₀ = 4.3 μg/mL）相当；分子对接显示其与SARS-CoV-2 RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp，PDB ID: 7AAP）的结合亲和力（?9.7 kcal/mol）显著强于地洛龙（?6.7 kcal/mol），关键相互作用包括与Mg1003的金属-受体键、与Asp623的氢键以及与Arg553和Lys621的π–阳离子相互作用。抗菌和抗结核筛选确认了环氧苯并[7,8]氧杂环辛酮并[4,3-b]吡啶衍生物的抗结核潜力，其中化合物73a、73b和75对牛分枝杆菌表现出高度活性（MIC低至0.39 μg/mL），与异烟肼（MIC=0.195 μg/mL）相当。分子对接显示，化合物77b与7,8-二氨基壬二酸合酶（BioA，PDB ID: 5TE2）形成最低结合能复合物，通过形状互补、四个氢键和12个疏水接触与关键活性位点残基相互作用。结核抑制活性评估表明，吡啶基查尔酮81d和81e通过完全抑制牛分枝杆菌生长显示出显著的结核抑制潜力，MIC值分别为1.56和12.5 μg/mL。针对83a–i系列的多靶点抗病毒评估显示，化合物83i在HRV-14（4PDW）、HIV-1逆转录酶（3V81）和SARS-CoV-2 RdRp（7AAP）靶点中均表现出高结合亲和力，其中与7AAP的稳定化程度最高（六个氢键和两个π–阳离子接触），但全面的ADMET分析揭示了其吸收和毒性相关的药理学限制。综合评估后，化合物83b、83d和83g被确定为具有最佳预测抗病毒效力和代谢安全性平衡的最有前景候选物。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，虽然体外和计算机模拟研究提供了环氧苯并氧杂环辛酮衍生物广泛生物活性的证据，但将这些结构骨架转化为可行的药物发现候选物仍需克服几个关键瓶颈。首先，需要系统地从预测性计算机模拟模型和初步体外筛选转向全面的体内药代动力学、生物利用度和毒理学评价，以严格验证其安全性和有效性。其次，结构生物学工作应聚焦于靶标识别和高分辨率X射线共晶结构的测定，以促进经验性优化转向合理的基于结构的药物设计。最后，未来的合成策略应涵盖通过扩展杂环稠合实现骨架跃迁，特别是将核心环氧苯并氧杂环辛酮矩阵与三唑、吡唑和噁唑等多种含氮环骈合，以系统性拓展专利空间和可达的药理学活性格局。研究结论部分翻译如下：本文提供了首篇聚焦于integrastatins及其类似物环氧苯并氧杂环辛酮核心的综合综述，系统涵盖了1999年至2025年间报道的结构、合成方法、官能团化策略和生物活性评价。Integrastatins A和B于2002年被首次分离，显示出HIV-1整合酶抑制活性；2013年分离的epicoccolide A和epicocconigrone A展现出广泛的生物活性，包括抗癌、抗菌和抗真菌效果，使四环环氧苯并氧杂环辛酮药效团重新成为关注焦点。结构上，这些化合物具有前所未有的[6/6/6/6]四环骨架，中心[3/3/1]双环缩酮核心与两侧芳香环稠合，因中心氧杂辛环的固有刚性而呈现显著的非平面V形构象。这些天然产物符合Lipinski五规则，且深入的ADMET分析突出了它们的高预测人类肠道吸收和低心脏毒性风险。从2003年至2025年，研究人员已从Foot报道的开拓性但艰难的11步合成路线发展到Ramana（2008）和Kulakov（2021）开发的高度精简、原子经济的一步合成方案。Treiber等人（2025）的全合成和NMR分析纠正了文献中的长期误判，证明先前被归属为epicoccolide A的化合物实际上是epicocconigrone A。2022年至2025年间的合成后官能团化策略产生了30多种环氧苯并氧杂环辛酮并吡啶衍生物的化合物库，体外实验确定了其独特的抗微生物、抗结核和抗病毒效力，计算机模拟分子建模阐明了与病毒靶标的结合模式。将药效团作图与计算机模拟ADMET分析相结合，已确定了结构优化的关键方向，确立了这些杂环化合物作为可行的早期先导化合物平台。