趙 杰， 袁敬竹， 周紅娟， 高 陽, 劉 丹

(沈陽化工大學 制藥與生物工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

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4-(1′-哌嗪基)喹啉化合物的合成與分子動力學模擬研究

趙 杰， 袁敬竹， 周紅娟， 高 陽, 劉 丹

(沈陽化工大學 制藥與生物工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

分別以7-氟-4-氯喹啉(化合物1)及7-甲氧基-4-氯喹啉(化合物2)為原料合成7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物3)和7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物4)，化合物結(jié)構以ESI-MS確證.將化合物3和化合物4分別與HER1、HER2蛋白形成的復合物進行分子動力學模擬，結(jié)果顯示：化合物3與HER1的親和力和化合物4與HER1的親和力相似；化合物4與HER2的親和力大于化合物3與HER2的親和力；目標化合物與蛋白氨基酸殘基形成氫鍵不是親和力大小的決定性因素.

7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉; 7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉; 酪氨酸激酶抑制劑

人表皮生長因子受體( human epithelial growth factor receptor，HER)家族由具有酪氨酸激酶活性的4種成員HER1、HER2、HER3 和 HER4組成.其中因HER1、HER2過量表達或者突變引起信號傳遞系統(tǒng)異常，導致惡性腫瘤的發(fā)生[1-2].以HER1、HER2為靶點的抗腫瘤治療研究成為熱點，并顯示出廣闊的應用前景.

已經(jīng)上市和進入臨床研究的HER1、HER2小分子抑制劑部分為4-苯氨基喹唑啉結(jié)構或4-苯氨基喹啉結(jié)構，如吉非替尼、埃羅替尼、拉帕替尼和來那替尼，化合物結(jié)構如圖1所示[3-4]：

圖1 部分上市或進入臨床研究的小分子酪氨酸激酶抑制劑

文獻報道喹啉或喹唑啉的4位苯氨基位于受體的疏水口袋中[5].本文根據(jù)已有的酪氨酸激酶抑制劑構效關系，將喹啉環(huán)的4位以哌嗪基取代,7位為吸電子的氟或供電子的甲氧基，并以7-氟(或甲氧基)-4-氯喹啉(化合物1或化合物2)為原料合成了目標化合物3和化合物4.以計算機輔助設計方法將化合物3或化合物4與HER1及HER2蛋白對接，進行分子動力學模擬，研究化合物3、化合物4與HER1蛋白及HER2蛋白之間的作用模式，為下一步以化合物3和化合物4為先導化合物研制新型抗腫瘤藥提供依據(jù).目標化合物的合成路線如下：

1 實驗部分

1.1 化學合成

1.1.1 主要儀器和試劑

質(zhì)譜用Thermo-Finnigan LCQ型質(zhì)譜儀測定；間氟苯胺、間甲氧基苯胺，山東力德士化工有限公司；異丙醇，天津博迪化工有限公司；哌嗪，國藥集團化學試劑.所用試劑均為分析純.

1.1.2 7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物3)的合成

參考抗菌藥氧氟沙星的合成[6]，將0.9 g(4.97 mmol)化合物1、4.27 g(49.7 mmol)哌嗪、3.7 g無水K2CO3溶于15 mL異丙醇中，回流反應，TLC監(jiān)測至反應完全為止，冷卻至室溫，濾去不溶物，減壓蒸除溶劑，得黃色油狀物；硅膠柱色譜純化，洗脫劑為氯仿/甲醇(V(氯仿)/V(甲醇)=10/1)，得0.86 g淡黃色固體，即化合物3，收率74.8 %，ESI-MS(m/s):232.4[M+H]+.

1.1.3 7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物4)的合成

參照化合物3的合成方法制備化合物4，收率86.0 %，ESI-MS(m/s):244.0[M+H]+.

1.2 分子動力學模擬

模板結(jié)構來自于晶體復合物： HER1與抑制劑TAK-285復合物、HER2與抑制劑SYR127063復合物[7]；HER1(ID:3POZ)、HER2(ID:3PPO)晶體結(jié)構均來自于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(protein data bank，簡稱PDB).將化合物3和化合物4分別與HER1、HER2蛋白對接，形成小分子-蛋白復合物.對其進行分子動力學模擬，運用MM/GBSA 方法計算結(jié)合自由能；考察HER1、HER2蛋白的主要氨基酸殘基與目標化合物之間的相互作用，得出了化合物3和化合物4與HER1、HER2蛋白作用模式的初步信息.化合物與HER1、HER2蛋白的結(jié)合自由能數(shù)據(jù)及形成氫鍵情況見表1，與HER1、HER2的復合物晶體結(jié)構如圖2～圖5所示.

表1 化合物3和化合物4與HER1、HER2蛋白的結(jié)合自由能及氫鍵的形成情況

圖2 化合物3與HER2蛋白形成的復合物的晶體結(jié)構

圖3 化合物4與HER1蛋白形成的復合物的晶體結(jié)構

圖4 化合物3與HER1、HER2蛋白

圖5 化合物4與HER1、HER2蛋白形成

2 模擬結(jié)果與討論

由表1看出:化合物3與HER2蛋白的結(jié)合自由能為-78.79 kJ/mol，化合物4與HER2蛋白的結(jié)合自由能為-121.00 kJ/mol，說明化合物4與HER2蛋白的親和力大于化合物3與HER2蛋白的親和力；化合物3喹啉環(huán)1位的N原子與HER2蛋白的SER783殘基形成氫鍵作用(如圖2)，化合物4與HER2蛋白無氫鍵形成.化合物3和HER1蛋白的結(jié)合自由能與化合物4和HER1蛋白的結(jié)合自由能大小相近，化合物3與HER1無氫鍵，而化合物4哌嗪基N上的H原子與HER1蛋白PHE856殘基形成氫鍵(如圖3)，由此看出形成氫鍵并不是配體與蛋白受體親和力強弱的決定性因素.化合物3與化合物4僅僅是喹啉環(huán)的7位取代基不同，使得小分子配體與蛋白的作用模式發(fā)生了變化.

目前所開發(fā)的大部分酪氨酸激酶抑制劑可作為ATP與酪氨酸蛋白激酶結(jié)合的競爭性抑制劑，通過和ATP競爭來占據(jù)酶的ATP結(jié)合口袋，與胞內(nèi)酪氨酸激酶催化區(qū)結(jié)合，抑制激酶催化活性，從而阻斷細胞增殖信號.圖4為化合物3分別與HER1和HER2形成的復合物動力學優(yōu)化前后的晶體結(jié)構，HER1-化合物3復合物動力學優(yōu)化后受體蛋白loop環(huán)區(qū)向內(nèi)移動(圖4(a))，通道有明顯的收縮趨勢，使結(jié)合腔變窄，可能會阻止其他底物進入結(jié)合腔；而HER2-化合物3的復合物動力學優(yōu)化后HER2蛋白loop環(huán)區(qū)向外移動(圖4(b))，通道有明顯的擴張趨勢，可能會導致其他底物進入結(jié)合腔.圖5顯示化合物4與HER1、HER2形成的復合物動力學優(yōu)化前后的晶體結(jié)構，loop環(huán)區(qū)變化不明顯.由此也可看出：化合物3和化合物4喹啉環(huán)7位取代基的不同，不僅改變了化合物與蛋白的結(jié)合模式，也對HER1和 HER2蛋白loop環(huán)區(qū)產(chǎn)生顯著影響.

以7-氟-4-氯-喹啉為原料合成目標化合物3，反應物的投料配比對反應影響較大，7-氟-4-氯-喹啉與哌嗪的物質(zhì)的量的比為1∶1.2和1∶2時，TCL檢測反應基本不進行，配比為1∶10時，反應進行徹底，且無副產(chǎn)物生成.

3 結(jié) 論

設計合成了7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物3)和7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物4)，化合物結(jié)構以ESI-MS確證.化合物3和化合物4分別與HER1、HER2蛋白形成復合物，其動力學模擬結(jié)果顯示，目標化合物與蛋白之間形成氫鍵不是親和力大小的決定性因素.化合物3和化合物4喹啉環(huán)7位取代基的差別使得目標化合物與蛋白作用模式不同并對蛋白loop環(huán)區(qū)產(chǎn)生顯著影響.以化合物3或化合物4為先導物進行的抗腫瘤化合物研究工作正在進行中.

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Synthesis and Molecular Dynamics Simulation of 4-(piperazin-1-yl) Quinolines

ZHAO Jie, YUAN Jing-zhu， ZHOU Hong-juan, GAO Yang, LIU Dan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

7-fluoro-4-(piperazin-1-yl)quinolone 3 and 7-methoxy-4-(piperazin-1-yl)quinoline 4 were synthesized from 7-fluoro-4-chloroquinoline 1 and 7-methoxy-4-chloroquinoline 2,respectively and their structures were confirmed by ESI-MS.The molecular dynamics simulation of complex of 3 or 4 with HER1 and HER2 protein were performed.The main results showed that the binding affinity of 3 to HER1 was similar to that of 4 to HER1; the binding affinity of 4 to HER2 was stronger than that of 3 to HER2.The hydrogen bonds were not a decisive factor for affinity.

7-fluoro-4-(piperazin-1-yl) quinoline; 7-methoxy-4-(piperazin-1-yl) quinoline; tyrosine kinase inhibitor

2014-05-09

遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2013171)；遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201310149042)

趙杰(1990-)，男，甘肅金昌人，本科生在讀,主要從事藥物化學的研究.

劉丹(1971-)，女，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事藥物化學的研究.

2095-2198(2016)03-0223-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.007

R914

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