基于噁二唑的查尔酮衍生物作为胆碱酯酶抑制剂的合成、表征及生物学评价：计算与实验方法

《Bioorganic Chemistry》：Synthesis, characterization and biological evaluation of novel imidazothiazole-based chalcone derivatives as cholinesterase inhibitors through computational and experimental approaches

　　

• •
  合成了十五种咪唑并噻唑查尔酮衍生物，并对其进行表征。
• •
  全面的计算机模拟研究预测了强效的乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）抑制活性。
• •
  所有衍生物均在皮摩尔浓度下抑制AChE和BChE。
• •
  化合物6是AChE和BChE的强效双重胆碱酯酶抑制剂。
• •
  动力学分析显示在催化位点和边缘位点存在混合型抑制。

引言

阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经退行性疾病，也是痴呆症的主要病因，已成为一个重大的公共卫生问题。根据世界卫生组织（WHO）的报告，全球约有5500万人患有痴呆症，预计到2050年这一数字将达到约1.39亿[1]。尽管研究工作广泛深入，AD仍然无法治愈，目前的治疗手段仅提供症状缓解。AD是一种多因素疾病，通常表现为神经元死亡导致的胆碱能神经元丧失，并伴有突触间隙乙酰胆碱水平降低[1], [2]。这一病理特征构成了胆碱能假说的基础，该假说仍是最为确立的治疗策略之一，将认知衰退与胆碱能神经元退变所引起的乙酰胆碱水平下降联系起来。从生理学角度来看，乙酰胆碱在突触间隙中被胆碱酯酶水解，主要是乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）。因此，AChE和BChE抑制剂被用于维持突触间隙内神经递质的水平。临床上，多种乙酰胆碱酯酶抑制剂被用于AD的治疗，最常用的包括多奈哌齐、加兰他敏和利伐斯的明[3], [4]。然而，这些AChE抑制剂治疗AD的确切疗效和安全性特征仍不确定[5]。这些药物与恶心、呕吐、腹泻、头晕和肝毒性等副作用相关，并且也表现出毒性作用和有限疗效[4], [6], [7]。因此，合成具有更高疗效和更少副作用的新型替代药物候选物变得日益重要。

杂环化合物是含有至少一个杂原子（如氮、氧或硫）的有机化合物，它们在药物化学中具有重要意义[8]。这些化合物具有广泛的药理活性，包括抗癌、抗菌、抗炎、抗疟和抗阿尔茨海默病活性，这归因于它们与各种生物靶点相互作用的能力。特别是咪唑和噻唑等杂环骨架是许多临床药物中的关键结构支架[9]。咪唑并噻唑衍生物是由咪唑环和噻唑环稠合而成，是药物化学中具有重要生物活性的一类双环杂环化合物[10]。咪唑并噻唑骨架已成为药物化学中最重要的支架之一，这得益于其广泛的应用范围、治疗特性以及与受体和酶易于结合的能力[11], [12]。文献研究表明，该骨架结构的化合物具有广泛的生物活性，包括抗癌、抗菌、抗病毒、抗真菌、降压、抗炎和抗精神病活性[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]。

已知为α,β-不饱和酮的化合物，通常称为查尔酮，代表了药物化学中被广泛研究的一类重要分子。文献中报告的众多研究表明，查尔酮具有广泛的生物活性，包括抗阿尔茨海默病[20]、抗糖尿病[21]、抗癌[22]、抗菌[23]、抗氧化[24]和抗炎作用[25]。

包括分子对接、分子动力学模拟和结合自由能计算在内的计算技术，已成为理性药物设计流程中的极有价值工具。这些方法不仅能够在实验验证之前优先筛选出有前景的分子，而且还提供原子水平的洞察，有助于阐明生物学结果。近年来，计算机模拟方法在药物化学中已成为一种高度流行且记录详尽的策略[20], [26], [27], [28], [29], [30], [31]。

基于上述考虑，本研究旨在设计并合成新型咪唑并噻唑-查尔酮杂化化合物，作为AChE和BChE的潜在双重抑制剂，并全面评估其胆碱酯酶活性。在十五种目标衍生物（6–20）中，化合物8此前已由Dadou等人[32]合成并评估了其抗癌活性；然而，其针对AChE和BChE的胆碱酯酶抑制潜力在此研究中首次进行了探讨。合成的化合物通过多种光谱技术进行结构表征，包括¹H NMR、¹³C NMR、FT-IR、MS和元素分析。通过体外酶活性测定研究其抑制潜力，以确定其IC₅₀和K_i值，同时采用分子对接和分子动力学模拟来阐明其在酶活性位点中的结合相互作用和稳定性。这种整合计算与体外的方法旨在识别强效先导化合物并提供机制性洞察，以支持其在阿尔茨海默病相关药物发现中的进一步研究。

章节摘要

材料

2-氨基噻唑（97%）、碳酸钾（≥99%）、二乙醚（≥99.5%）、N,N-二甲基甲酰胺（≥99%）、碳酸钠（≥99.5%）、乙酸（≥99.7%）、乙酸乙酯（≥99.5%）、4′-氯苯乙酮（97%）和4′-甲基苯乙酮（95%）购自Sigma-Aldrich。2-溴-4′-氯苯乙酮（≥98%）、2-溴-4′-氟苯乙酮（98%）、2-溴-4′-甲氧基苯乙酮（98%）、2-溴-3′,4′-二氯苯乙酮（98%）和4′-甲氧基苯乙酮（99%）购自Thermo Scientific。

化学合成

在本研究中，通过Scheme 1所示的合成路线，合成了十五种查尔酮衍生物（6–20）作为目标化合物。使用¹H NMR、¹³C NMR、MS、FT-IR和元素分析技术对合成化合物的结构进行了表征。

在合成的第一步中，通过2-氨基噻唑（1）与2-溴苯乙酮之间的环化反应，以62%至75%的产率合成了取代的咪唑并[2,1-b][1,3]噻唑衍生物（3a-e）。

结论

在本研究中，使用简单实用的方法合成了一系列含有咪唑并噻唑骨架的查尔酮衍生物（6–20），并通过¹H NMR、¹³C NMR、FT-IR、MS和元素分析对其结构进行了全面表征。其中十四个化合物为首次报道，而化合物8此前已有报道。为在实验测试前探索合成化合物的潜在生物活性，进行了全面的

CRediT作者贡献声明

Ibrahim Ozcan：撰写——原稿，资源，方法学，形式分析。Taner Erdogan：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，软件，方法学，调查研究，数据管理。Parham Taslimi：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，方法学，调查研究，概念化。Nastaran Sadeghian：方法学，调查研究，概念化。Hakan Tahtaci：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢卡拉布克大学（KBüBAP-26-DR-005）的经费支持。本文报道的计算研究部分在TUBITAK ULAKBIM高性能与网格计算中心（TRUBA资源）和科贾艾利大学完成。

Ibrahim Ozcan|Taner Erdogan|Parham Taslimi|Nastaran Sadeghian|Hakan Tahtaci