基于靶点结构的新型非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂的设计、合成及活性研究

摘要

人类免疫缺陷病毒(HIV)是导致传染性疾病获得性免疫缺陷综合征(艾滋病，AIDS)的病原体。在HIV复制循环中，其自身的多功能性蛋白逆转录酶(RT)发挥了至关重要的作用，负责完成RNA依赖的DNA合成、RNA的水解以及DNA依赖的DNA合成等多个中心环节。因此，以RT作为药物设计的靶点来防治艾滋病具有抑制活性高、选择性好、毒副作用小等优势，是目前研发抗HIV/AIDS药物的重要策略。根据抑制HIV逆转录酶作用机制及化学结构的不同，其抑制剂主要可分为核苷（酸）(nucleos(t)ide reverse transcriptase inhibitors，N(t)RTIs)和非核苷(Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors，NNRTIs)两类。其中，NNRTIs的作用机制是特异性结合于距离RT催化活性中心10(A)的变构性口袋(NNIBP)，进而导致RT重要功能的丧失来抑制病毒的复制。由于其结合的特异性，NNRTIs通常具有高效、低毒的优点，因而已成为HAART的重要组成部分。
　　芳基巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs的研究。本论文第二章选取了抗HIV-1特别是突变株活性较高的芳基巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs作为结构新颖的先导化合物。对该类抑制剂与靶点的作用模式特征及初步构效关系进行了深入的分析。在本课题组前期研究基础上，根据生物电子等排、骨架跃迁等药物设计原理先后设计合成了3个系列（系列Ⅱa，Ⅱb和Ⅱc）共66个芳基巯乙酰胺类HIV-1NNRTIs，并对其进行了体外抗HIV活性及抑酶活性研究。
　　首先以文献报道的三唑巯乙酰胺类和本实验室前期发现的活性较好的噻二唑类及三嗪类巯乙酰胺HIV-1 NNRTIs为先导化合物，根据此类NNRTIs与靶点结合模式特征，采用生物电子等排体(Bioisosterism)药物设计原理，用嘧啶环替代先导化合物中的三嗪环，三氮唑环部分替换酰胺键设计了嘧啶巯乙酰胺HIV-1 NNRTIs(系列Ⅱa);同时基于靶点的三维结构，利用骨架跃迁的药物设计原理设计了体积更大的吡啶并咪唑环作为骨架区的新型吡啶并咪唑类巯乙酰类HIV-1 NNRTIs(系列Ⅱb)。体外抗HIV活性结果显示，系列Ⅱa和系列Ⅱb大部分化合物对HIV-1都具有较为明显的抑制作用。系列Ⅱa中化合物的EC50值在微摩尔到亚微摩尔水平。
　　在对以上两个系列芳基巯乙酰胺类化合物的研究基础上，特别是系列Ⅱb，我们得出了初步的构效关系并对靶点的空间结构有了更深入的认识。鉴于系列Ⅱb结构的新颖性和活性结果总结的初步结论，我们对其进行了进一步的结构优化，设计了新的系列Ⅱc。在新设计的分子中，为探寻稠合环氮原子的最佳位置，咪唑并[4,5-b]吡啶环被选作为新的骨架作用区，同时采用了RDEA806的环丙基萘结构作为芳香区以提高与保守氨基酸W229的作用，保留酰胺链并在部分化合物中引入甲基以适当限制链的柔性。对酰胺链末端芳环的取代基采用不同基团以完善构效关系。体外抗HIV活性测试显示大部分化合物对野生型HIV-1具有中等到较好的抑制作用。活性最好的两个化合物Ⅱc-12和Ⅱc-13的EC50值分别为0.059μM和0.073μM，远远好于对照药物NVP(0.26μM)，且与DLV(0.038μM)活性相当。其它大部分化合物都具有亚微摩尔活性(Ⅱc-8,Ⅱc-9,Ⅱc-11,Ⅱc-15,Ⅱc-16,Ⅱc-17,Ⅱc-20-25)，与NVP相当。与上个系列Ⅱb相比，系列Ⅱc的抗野生型HIV-1活性有明显的提高，表明进一步的结构优化具有合理性。
　　新型DAPY类HIV-1 NNRTIs的研究。本论文第三章以二芳基嘧啶(DAPY)类HIV-1 NNRTIs为研究对象。以上市药物TMC125为先导化合物，通过晶体学和分子模拟等研究结果，并结合文献报道设计合成一系列新型DAPY类HIV-1NNRTIs（系列Ⅲa，共28个化合物），后续的生物活性测试表现出了较好的结果。在此基础上，根据靶点的结构要求，本论文进一步对系列Ⅲa化合物进行结构修饰，设计合成了系列Ⅲb，共15个化合物。
　　对TMC125与RT复合物的晶体学研究发现，TMC125中心嘧啶环1-位的氮原子位于NNIBP中连续的赖氨酸序列(K101-K104)周围，并且与赖氨酸序列之间存在着较大的空间距离。因而在该位置上引入一些延伸的氢键供体或受体可能与周围的赖氨酸序列产生更紧密的氢键作用。基于该分析，设计了系列Ⅲa化合物，即在保持DAPY类基本药效团的前提下，保留了中心嘧啶环并且在5-位延伸了结构多样的含氮基团，作为氢键的受体或供体以探索与周围氨基酸的相互作用。同时在左臂选取了结构多样的活性取代基以进一步探讨该区域的构效关系。系列Ⅲa的化合物都显示出了明显的抗野生型HIV-1活性，且部分化合物抑制活性较为突出，达到纳摩尔水平。其中，Ⅲa-6和Ⅲa-10活性最好，EC50值分别为2.5 nM和7.2nM，SI为13740和1432,优于所有的阳性对照NVP、DLV、EFV、AZT和3TC。此外Ⅲa-5、Ⅲa-7、Ⅲa-9、Ⅲa-11、Ⅲa-14、Ⅲa-15、Ⅲa-18、Ⅲa-19、Ⅲa-21、Ⅲa-22、Ⅲa-23、Ⅲa-26、Ⅲa-30等多个化合物的EC50值在23-66 nM之间，均优于NVP、DLV和3TC。同时Ⅲa-6还对K103N/Y181C HIV-1双突变株保持中等抑制活性(EC50=0.33μM，SI=107)。而除了Ⅲa-26和Ⅲa-27外，其余R2基团为NH2和NHCOCF3对双突变病毒株都具有一定的抑制活性。特别意外的是，化合物Ⅲa-15和Ⅲa-23还表现出了中等程度的HIV-2抑制活性，EC50值分别为5μM和36μM，提示它们可能有不同于经典的NNRTIs的抗HIV作用机制。
　　在系列Ⅲa的活性指导下，并结合N-苄基取代哌啶类HIV-1 NNRTIs的研究进展，对系列Ⅲa化合物右侧进行结构改造设计了新系列Ⅲb。其左臂采用Ⅲa中优势的2,6-二甲基-4-氰基苯酚或2,4,6-三甲基苯酚结构。而右侧的改造主要包括两个方面:(1)在保留系列Ⅲa中嘧啶5位氨基的同时通过含杂原子的芳环（取代的吡啶胺）和N-取代苄基哌啶的引入以建立与周围氨基酸的潜在氢键作用，并发挥改善水溶性的作用;(2)在Ⅲa系列的基础上，对嘧啶5-位的含氮基团进行结构多样性探讨，根据系列Ⅲa得出的此结合部位氢键供体要好于受体的初步结论，一些胍基、硫脲等被引入以进一步探讨该位点的优势基团。活性结果表明，N-取代苄基哌啶的引入使化合物保持了较高的抗野生型HIV活性，同时对突变病毒株的活性有所提高。Ⅲb-20活性最好，EC50值分别为2.6 nM(ⅢB)和180nM(RES056)，SI为16345和74(RES056)，优于阳性对照药物NVP、DLV和EFV。而右臂引入含杂原子的芳环（取代的吡啶胺）或对氨基的修饰使活性普遍降低。对Ⅲb系列代表化合物Ⅲb-17和Ⅲb-20溶解度进行测定，结果显示这两个化合物较上市药物依曲伟林的溶解度有显著提高，克服了已有上市药物的的缺陷，具有进一步研究的价值。
　　吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的研究。本论文第四章是在对靶点结构和吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs与RT结合模式充分分析的基础上，设计了一系列针对第二通道的新型吲哚芳砜类衍生物（系列Ⅳa），共24个化合物。
　　系列Ⅳa化合物基本保持了吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的结构骨架和优势基团。主要的结构改造区域为位于第二通道的D区域。在DAPY类HIV-1NNRTIs部分已述及其右臂位于NNIBP中另一个蛋白溶剂的开口区（第一通道），而在该类化合物的结构改造中发现在此处引入N-取代哌啶基团不但能形成额外的氢键作用，且大大地改善了水溶性。因此，我们运用骨架跃迁的药物设计原理将DAPY类HIV-1 NNRTIs的N-取代哌啶基团引入到吲哚芳砜骨架中，希望增加作用力的同时提高水溶性。体外抗HIV活性实验显示所有系列IVa的化合物都具有显著的的抗野生型HIV-1作用，EC50值范围为0.62μM到0.006μM。并且大部分化合物对多种单突变株也显示出了良好的抑制作用，如变异病毒株L100I、K103N、Y181C、E138K。该系列中化合物Ⅳa-8'和Ⅳa-12活性较为突出，对野生型HIV-1的EC50值分别为6nM和9nM，SI为1005和1476。
　　综上，本论文基于HIV-1 RT的三维结构，以及NNRTIs与RT复合物晶体的结构生物学信息，根据芳基巯乙酰胺类、DAPY类和吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的各自结合模式及药效团特征，利用“骨架跃迁”、“生物电子等排”和“优势药效团的组合”等经典药物设计原理，对三类HIV-1 NNRTIs的结构进行合理的修饰，设计6个系列结构全新的化合物，同时运用计算机辅助药物设计软件进行分子模拟以验证设计的合理性。并通过定向合成得到了133个全新结构的化合物，生物活性评价结果显示，多个目标产物抗野生HIV-1活性为微摩尔到纳摩尔水平，并且Ⅲa-6、Ⅲb-14、Ⅲb-15、Ⅲb-17、Ⅲb-18、Ⅲb-19、Ⅲb-20和Ⅳa-14对K103N/Y181C HIV-1双突变株保持有摩尔或亚微摩尔抑制活性，优于现有上市药物NVP、DLV和EFV等，具有进一步研发的价值。总之，本论文丰富和发展了三大类NNRTIs的构效关系，获得了一批具有高效抗耐药性的活性分子，为进一步结构优化奠定了坚实的理论基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

第一节 艾滋病及其治疗现状

1．艾滋病流行现状

2．HIV-1的生物结构与复制周期

3．抗艾滋病药物的研究进展

第二节 H1V-1逆转录酶及其抑制剂

1．HIV-1逆转录酶结构及其功能

2．HIV-1逆转录酶抑制剂的分类及作用机制

3．NNRTIs的研究进展

第三节 新型HIV-1 NNRTIs的设计和结构优化策略

1．HIV-1 NNRTIs作用模式、药效团的类似性对药物设计的启示

2．药物化学设计策略在NNRTIs结构优化中的应用

第四节 本章小结

第二章 芳基巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs的设计、合成与活性评价

第一节 芳基巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs概述

1．先导化合物的发现及结构修饰

2．芳基巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs的晶体学与分子模拟研究

3．本课题的研究基础

第二节 新型芳基巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs的设计、合成与活性评价(系列Ⅱa和Ⅱb)

1．嘧啶和吡啶并咪唑巯乙酰胺类HIV-1 NNRTIs的设计

2．目标化合物的合成及讨论

3．目标化合物的活性评价及结果讨论

4．分子模拟研究

第三节 吡啶并咪唑巯乙酰胺HIV-1 NNRTIs结构优化(系列Ⅱc)

1．吡啶并咪唑类HIV-1 NNRTIs结构优化设计

2．目标化合物的合成及讨论

3．目标化合物的活性评价及结果讨论

第四节 本章小结

第三章 新型二芳基嘧啶(DAPY)类HIV-1 NNRTIs的设计、合成与活性评价

第一节 二芳基嘧啶(DAPY)类HIV-1 NNRTIs概述

1．先导化合物的发现及发展

2．DAPY类HIV-1 NNRTIs的晶体学与分子模拟研究

3．本课题的研究基础

第二节 新型二芳基嘧啶(DAPY)类HIV-1 NNRTIs的设计、合成与活性评价(系列Ⅲa)

1．新型DAPY类HIV-1 NNRTIs的设计

2．目标化合物的合成及讨论

3．目标化合物的活性评价及结果讨论

4．分子模拟研究

第三节 新型二芳基嘧啶(DAPY)类HIV-1 NNRTIs结构优化(系列Ⅲb)

1．新型DAPY类NNRTIs结构优化设计

2．目标化合物的合成及讨论

3．目标化合物的活性评价及结果讨论

4．代表性目标化合物的水溶性测定

第四节 本章小结

第四章 吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的设计、合成与活性评价

第一节 吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs概述

1．先导化合物的发现及发展

2．吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的结合模式

第二节 新型吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的设计、合成及活性评价

1．靶向于溶剂开口区的哌啶-吲哚芳砜类HIV-1 NNRTIs的设计

2．目标化合物的合成及讨论

3．目标化合物的活性评价及结果讨论

第三节 本章小结

第五章 总结和展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士研究生期间科研及奖励情况