苯并硫氮杂(艹卓)类GSK3β非ATP竞争抑制剂的设计、合成和构效关系研究

摘要

糖原合成酶激酶3β(Glycogen Synthase Kinase 3β,GSK3β)是一个多功能的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,参与体内多种重要的生理活动,是一个理想的疾病治疗靶标。GSK 3β的小分子抑制剂可望用于治疗多种复杂疾病,如糖尿病、早老性痴呆症以及癌症等,正在成为一个新的研究热点。本课题研究目标是在前期虚拟筛选的工作基础上,寻找非ATP竞争抑制GSK 3β的活性先导化合物,并进一步通过计算机辅助药物设计方法设计并合成相应的系列结构衍生物,通过体外酶抑制活性筛选、酶动力学作用模式评价及构效关系分析,设计合成具有更高活性和选择性的GSK 3β非ATP竞争型抑制剂,并初步明确此类抑制剂的构效关系,为进一步研究治疗糖尿病、早老性痴呆症等疾病的新型药物奠定基础。
　　本文综述了GSK 3β抑制剂的研究进展。目前已报道的GSK 3β小分子抑制剂主要有三类:第一类是Mg2+离子竞争抑制剂,如Li+;第二类是ATP竞争性抑制剂,如马来酰亚胺类,这类抑制剂活性一般较强,但选择性较差,毒副作用较大;第三类是非ATP竞争选择性抑制剂,如噻二氮唑二酮(thiadiazolidinone,TDZD)类,这类抑制剂最大的优势就在于具有较高的选择性,其中一个化合物NP12已进入了临床研究,显示出了良好的应用前景。
　　论文阐述了本课题非ATP竞争型GSK 3β抑制剂先导化合物的获得和优化过程,以及活性筛选结果。以GSK 3β晶体(PDB code:1UV5)底物结合区的关键氨基酸Arg96,Lys205和Tyr216构建了基于靶点的筛选模型,采用Autodock3.0.5程序对Maybridge数据库中5万个分子进行虚拟筛选,得到数十个命中结构,其中打分排名前2,3,4位的化合物具有共同的结构母核苯并[b][1,4]硫氮杂(菒)-4-(5H)酮。通过对该结构母核进行结构修饰,设计合成了6个衍生物;并经体外酶活抑制测试,从中发现了一个中等活性(IC50=47uM)的GSK 3β抑制剂5-苄基-2-(2-呋喃基)-2,3-二氢-苯并[b][1,4]硫氮杂(菒)-4(5H)-酮(CYbc),经酶促反应动力学实验确证为非ATP竞争抑制剂,以其作为先导化合物供进一步结构优化和改造。
　　作者根据生物电子等排原理和基团反转等经典药物结构修饰方法对先导化合物CYbc进行了多方面结构改造。设计了三条合成路线共合成了29个结构衍生物,经体外酶活测试,与先导化合物CYbc活性相当或有所提高的目标物有12个,经酶促反应动力学实验再次证实,这些新结构衍生物对GSK 3β的抑制仍保持为非ATP竞争作用;初步构效关系表明,用苯环替换先导物CYbc的2位呋喃环得到的化合物2-苯基-2,3-二氢-苯并[b][1,4]硫氮杂(菒)-4(5H)-酮(HZIIca),及母核七元环内酰胺基团进行基团反转得到的化合物2-苯基-3,4-二氢-苯并[f][1,4]硫氮杂(菒)-5(2H)-酮(HZkca)均保持了较好活性,为进一步的结构衍生提供了良好的空间。进一步以上述2-苯基-2,3-二氢-苯并[b][1,4]硫氮杂(菒)-4(5H)-酮和3,4-二氢-苯并[f][1,4]硫氮杂(菒)-5(2H)-酮两种母核结构为先导,进行了多种取代基团的变换,再设计合成了43个目标化合物,经体外活性测试,活性与先导物Hzkca相当的化合物有7个,活性提高的化合物有10个,酶动力学实验也再次证实此类新结构活性化合物的作用模式仍然保持为非ATP竞争抑制。根据这些活性数据总结了更进一步的构效关系。
　　进一步选择有代表性的活性化合物HZkcd、HZkcj、HZkpa、HZkke和HZkna与GSK 3β进行了分子对接研究,表明化合物的苯环与与GSK 3β底物作用区的Phe93有π~π堆积作用,羰基与Arg96形成氢键。
　　此外,作者也尝试采用手性酸对化合物HZkcw进行化学拆分,希望得到光学异构体后经重氮化和置换反应获得活性化合物HZkcj的光学纯异构体,但拆分未获成功。
　　本课题共设计合成了53个中间体及78个目标化合物,经Scifinder检索其中97个化合物未见报道。作者建立了基于放射配基标记液体闪烁计数法的酶活测试体系;确证了两类新结构的非ATP竞争型抑制剂,筛选出活性化合物29个,获得了此类化合物的初步构效关系,为进一步研究非ATP竞争型GSK 3β抑制剂奠定了良好基础。