金勇哲,魏 鑫,師健友△
(1.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院,個體化藥物治療四川省重點實驗室,四川 成都 610072;2.電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,四川 成都 610054)
氧化吲哚螺環(huán)是藥物化學(xué),天然藥物化學(xué),有機化學(xué)等多個領(lǐng)域被廣泛研究藥物母核結(jié)構(gòu)(見圖1)。近年來關(guān)于該結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究,特別是藥理學(xué)、生物活性、有機合成的研究一直都是熱點領(lǐng)域。該分子結(jié)構(gòu)可以形成一個穩(wěn)定的三環(huán)體系,這些化合物在2-位氧化吲哚支架的基礎(chǔ)上,通過3-位螺環(huán)形成非平面的三環(huán)或多環(huán)骨架,所構(gòu)成的飽和或非飽和雜環(huán)化合物是許多藥物和天然產(chǎn)物的核心結(jié)構(gòu)[1]。一方面以氧化吲哚螺環(huán)為核心結(jié)構(gòu)的許多具有藥理活性的生物堿已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),如horsfiline,mitraphylline,spirotryprotatins A、B(見圖2)等。另一方面,人工設(shè)計合成的氧化吲哚螺環(huán)小分子由于非平面,特別是螺雜環(huán)結(jié)構(gòu)具有的高蛋白質(zhì)親和力,使其可以作為生物靶向藥物,同樣具有非常廣泛的藥物研發(fā)前景。這類結(jié)構(gòu)主要報道的藥理活性有:抗腫瘤活性,抗炎及解熱鎮(zhèn)痛活性,抗病毒活性,抗結(jié)核活性,抗真菌活性,治療貧血的藥理活性等[2~5]。其中,抗腫瘤活性的研究最為深入。本文重點介紹近年來氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)的相關(guān)先導(dǎo)化合物及藥物藥理活性研究進(jìn)展,并對該類結(jié)構(gòu)先導(dǎo)化合物可作為多種疾病治療藥物的研究前景作以展望。
圖1 氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)
1.1抗腫瘤活性癌癥是全球第二大死亡原因,2015年有880萬人死于癌癥。全球范圍內(nèi),近1/6的死亡是由癌癥引起的,新病例的數(shù)量預(yù)計在未來20年內(nèi)將增加約70%。癌變是一種是由許多致癌物質(zhì)導(dǎo)致的,高度復(fù)雜的多步驟誘導(dǎo)過程。在癌癥中,細(xì)胞分裂和生長失控,形成惡性腫瘤,可能侵襲附近的正常細(xì)胞,甚至通過淋巴擴散到身體較遠(yuǎn)部位的系統(tǒng)或血液[6]。
圖2 具有藥理活性的氧化吲哚螺環(huán)生物堿結(jié)構(gòu) (a.mitraphylline;b.horsfiline;c.spirotryprotatins A;d.spirotryprotatins B)
如圖3所示,通過阻斷p53蛋白MDM2蛋白相互作用,設(shè)計一種MDM2蛋白小分子抑制劑,已成為一種有效的癌癥治療策略。近年來,高效、高選擇性、有效的MDM2表達(dá)抑制劑已成功獲得,并已有化合物進(jìn)入癌癥治療的臨床試驗階段[7]。如圖4所示,是小分子MDM2抑制劑1與MDM2的共晶結(jié)構(gòu),該化合物由密歇根大學(xué)Wang Shaomeng課題組發(fā)現(xiàn),并在2012年由賽諾菲公司進(jìn)行了臨床試驗。該化合物1是從2005年首次報道的化合物2經(jīng)過多次優(yōu)化得到,具有氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)。從2首先優(yōu)化得到的先導(dǎo)化合物3與MDM2結(jié)合較好(Ki = 23.5 nM)并展現(xiàn)了良好的腫瘤抑制活性(IC50≈1 μM),化合物4(MI - 888)的氧化吲哚螺環(huán)支架與3有不同的立體化學(xué)結(jié)構(gòu),且化合物4在接種腫瘤大鼠模型上表現(xiàn)出了良好的抗腫瘤效果,且無毒性跡象。化合物4進(jìn)一步基團優(yōu)化最終得到化合物1。
圖3 MDM2和MDMX對p53的抑制作用[8]
圖4 化合物1和MDM2的共晶結(jié)構(gòu) [8]
PLK4是另一個近年來被廣泛研究的抗腫瘤藥物靶點,它是一種獨特的絲氨酸激酶家族的成員,是中心粒復(fù)制的主要調(diào)節(jié)因子,對保持基因組完整性至關(guān)重要,已在多種人類腫瘤的發(fā)生中觀察到PLK4的過表達(dá)。小分子化合物5[8],作為第一個有效PLK4抑制劑在2013年被Sampson等發(fā)現(xiàn),其在各種臨床前腫瘤模型中顯示出顯著的抗腫瘤活性。該先導(dǎo)藥物已由加拿大衛(wèi)生部和美國食品藥品管理局批準(zhǔn)進(jìn)入人實體瘤的臨床試驗治療階段。在此基礎(chǔ)上,Sampson等在2015年基于PLK4晶體結(jié)構(gòu)的模型計算設(shè)計并合成了一系列化合物,不僅有很好的PLK4親和力和抗增殖活性,且具有較好的物理化學(xué)特性和藥物動力學(xué)性質(zhì)[9]。
Yu等[10]在2014年設(shè)計了兩類新型甾體螺環(huán)吡咯烷基氧化吲哚化合物,從脫氫表雄酮利用1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)完成了化合物合成,并進(jìn)一步評估他們對四種人類腫瘤細(xì)胞(MGC-803、EC109、SMMC-7721和 MCF-7)的抗增殖活性。生物評價結(jié)果表明,這些合成的甾體類螺吡咯烷基羥吲哚化合物具有良好抗腫瘤活性。特別是,化合物6對人肝癌細(xì)胞表現(xiàn)出良好的抗增殖活性(IC50= 0.71 μM)。Bin等[11]也發(fā)現(xiàn)系列化合物中的4f和4I的在對腫瘤細(xì)胞T24與MGC-803的抑制效果上比陽性對照藥物5-FU更有效,其IC50值分別為4.43 μM和8.45 μM。
Dong等[12]在2015年通過細(xì)胞系的細(xì)胞毒活性化合物的篩選發(fā)現(xiàn)系列化合物,特別是化合物7具有良好的抗腫瘤作用和誘導(dǎo)凋亡作用。且該研究提供了一種有效快速建立具有惡唑酮結(jié)構(gòu)的螺環(huán)吲哚衍生物化合物庫的方法,為先導(dǎo)化合物的篩選提供了更多選擇。
Kumar等[13,14]在2015年根據(jù)生物電子等排體原則,合成設(shè)計(MI-63/219)的系列類似物8(見圖8),是一種能與p53相互作用的MDM2小分子抑制劑,報道中的化合物在MCF-7裸鼠移植瘤的抗增殖試驗中表現(xiàn)出很好的活性,是一種有很大發(fā)展?jié)摿Φ目谷橄侔┧幬铩?/p>
Monteiro等[15]由1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)合成了一系列新型的氧化吲哚螺環(huán)衍生物9(見圖8)。化合物篩選的體外細(xì)胞活性試驗表明對MCF-7乳腺癌細(xì)胞系有抑制增殖作用。這十九個化合物的活性實驗中,六種GI50低于12 μM。其中兩個化合物對MCF-7腫瘤細(xì)胞和MDA-MB-231腫瘤細(xì)胞有高度選擇性。更重要的是,它們在非腫瘤細(xì)胞系HEK 293T的毒性實驗中沒有表現(xiàn)出明顯毒性。
Hamblett等[16]在2007年設(shè)計一種羥肟酸衍生物類螺環(huán)化合物10,其具有取代氧化吲哚螺環(huán)母核結(jié)構(gòu),可作為組蛋白去乙?;?HDAC)抑制劑,抑制組蛋白去乙?;缚梢赃x擇性地誘導(dǎo)終末分化以及抑制贅生性細(xì)胞的增殖,用于癌癥的治療。因此,該化合物可用于治療贅生性細(xì)胞增殖的腫瘤患者,以及預(yù)防和治療硫氧化蛋白(Trx)介導(dǎo)的疾病,如自身免疫性疾病、變應(yīng)性疾病和炎性疾病,還可用于預(yù)防或治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)疾病,例如神經(jīng)變性疾病。
1.2抗病毒藥理活性人體免疫缺陷病毒(HIV)是一種能感染免疫細(xì)胞的逆轉(zhuǎn)錄病毒,它會破壞人體免疫系統(tǒng)或損害其功能。HIV感染導(dǎo)致的獲得性免疫缺陷綜合征(AIDS),是一種威脅全球健康的疾病。據(jù)統(tǒng)計,2016年全球HIV感染患者約有3670萬人,僅2016年全年就有約100萬人死于HIV感染[19]。目前在FDA批準(zhǔn)的藥物中,氧化吲哚結(jié)構(gòu)可以有效地相互作用并填充P2’ HIV蛋白酶活性區(qū)。Ghosh等[17]據(jù)此設(shè)計并合成了新型氧吲哚衍生物。這項工作產(chǎn)生了FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床治療的第二代蛋白酶抑制劑。11已經(jīng)顯示出抗病毒,其兩種非對映體的Ki僅有微小的差異,分別為6 nM和3 nM??紤]到HIV蛋白酶活性位點的約束明顯改善了酶抑制活性,12作為P2’-配體的螺環(huán)氧吲哚衍生物的可行性被實驗驗證。然而,其抑制效果顯著降低[18~20]。
此外,病毒蛋白R (Vpr)是一種編碼在中央?yún)^(qū)域的小蛋白質(zhì),它也是抑制HIV-1復(fù)制的理想靶點[21]。Aida等[21,22]發(fā)展了新的方法來篩選先導(dǎo)化合物。從轉(zhuǎn)染的COS-7細(xì)胞中純化重組Vpr的化合物。在這些化合物中,化合物13(spirooxindole SIP-1)明顯抑制Vpr功能。通過對其功能域的結(jié)合,從而顯示出對HIV的高抑制活性,其IC50=0.5 μM。此外,13沒有細(xì)胞毒性作用,也不破壞細(xì)胞周期。并且通過MTT測量,可以對Molt-4和HeLa細(xì)胞系也有誘導(dǎo)凋亡作用。
登革熱是由蚊子傳播的最快的病毒性疾病,全球大約有一半的人會受到威脅,全世界每年約有近4億人感染。目前有幾種有希望的疫苗用于臨床,如賽諾菲公司開發(fā)的第一個疫苗Dengvaxia[23]。為了開發(fā)安全有效的抗病毒治療藥物,Wang等[24]利用了諾華化合物庫的高通量表型篩選,確定了氧化吲哚螺環(huán)可作為一種新型的抗登革熱藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)并合成了先導(dǎo)化合物14。實驗顯示該化合物抑制登革熱病毒血清DENV-2的復(fù)制,EC50值為14 nM。因為14是外消旋體,對映體隨后由手性柱HPLC分離,得到的 (R)-14,其EC50值為12 nM,比Senantiomer強83倍。進(jìn)一步的抗病毒譜分析(R)-14對抗一組病毒,令人驚訝的是,(R)-14只抑制了DENV-2和3,但沒有抑制DENV-1和4等其他病毒血清型,抗性分析和直接配體蛋白結(jié)合實驗證實了這種變化。
丙型肝炎病毒(HCV)感染了超過3%的世界人口,它會導(dǎo)致脂肪變性、肝硬化和肝細(xì)胞癌的風(fēng)險增加。丙肝病毒非結(jié)構(gòu)蛋白5A (NS5A)是一種具有鋅結(jié)合和脯氨酸的親水磷蛋白。這在病毒復(fù)制周期中起著關(guān)鍵作用,促進(jìn)了基因組的復(fù)制[25]。Zhang等[26]在2013年,以此為靶點的新型的NS5A系列抑制劑,如15和16,對HCV1b具有良好的EC50值,分別為4.95nM和0.45 nM。
1.3抗炎活性螺環(huán)吲哚衍生物化合物也可用作為非甾體抗炎藥,其代表化合物17具有消炎、解熱及鎮(zhèn)痛作用,特別是對慢性疼痛有良好的治療效果[27]。Sun等[28在研究中發(fā)現(xiàn),化合物18(jp-8 g)在小鼠模型有有效體內(nèi)抗炎活性。進(jìn)一步的研究表明,化合物18可能是通過影響一氧化氮合酶信號通路從而產(chǎn)生抗炎活性。他們的研究結(jié)果表明,這些吡喃并嘧啶類化合物吲哚不僅具有潛在的癌癥治療也具有炎癥治療的潛力。
絨毛鉤藤在南美被廣泛應(yīng)用于治療許多與炎癥相關(guān)的疾病。Rojas-Duran等[29]在2012年發(fā)現(xiàn),氧化吲哚類生物堿化合物19(Mitraphylline)是這種植物的樹皮主要氯仿提取物,通過小鼠模型體內(nèi)的炎癥過程進(jìn)行了活性測試,表現(xiàn)出了抗炎活性。Mitraphylline被認(rèn)為是一個新的可用于抗炎治療的先導(dǎo)化合物。
Eastwood等[30]在2011年根據(jù)分子模擬對接設(shè)計并合成了一類化合物,如圖5所示,其中20是一個強有力的和高選擇性的p38α抑制劑。在激發(fā)狀態(tài),p38α磷酸化了一系列的胞內(nèi)蛋白質(zhì)基質(zhì),轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)細(xì)胞因子TNFα和IL-1B的生物合成。TNFα和IL-1B的生成在炎癥疾病的發(fā)展過程中被認(rèn)為是有重要影響的。因此,該化合物高選擇性的抑制p38α使其有望發(fā)展為一種新型抗炎劑用于臨床治療。
圖5 p38α抑制劑和p38α晶體結(jié)構(gòu)的氫鍵作用的分子結(jié)構(gòu)式
1.4抗真菌活性Haddad等[35]在2015年報道了一系列的氧化吲哚螺環(huán)化合物21。這些新型雜環(huán)化合物的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被單晶衍射研究證實。化合物在體外的抗菌作用進(jìn)行了試驗篩選,表現(xiàn)出了一定抗真菌、抗瘧和抗結(jié)核活性。其中的幾種化合物活性與陽性標(biāo)準(zhǔn)藥物相當(dāng)。
Wu等[32]在2015年報道了通過氧化吲哚衍生物和芳香丙烯腈衍生物的雙Michael反應(yīng),在溫和的條件下生成系列氧化吲哚四氫呋喃螺環(huán)衍生物。隨后,對所有合成的系列化合物的抗真菌活性進(jìn)行了評價。初步結(jié)果表明該系列結(jié)構(gòu)有一定的抗真菌活性,且化合物22的抗真菌活性最好,和陽性對照藥物相近。
1.5抗結(jié)核活性2016年Rouatbi等[33]報道了從靛紅衍生物和L-脯氨酸原位生成非穩(wěn)定的葉立德,與1,3-偶極子環(huán)加成反應(yīng)生成一系列新型功能化雙螺環(huán)化合物。該類化合物對結(jié)核分枝桿菌的體外篩選試驗顯示出良好的活性。其中具有氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物23被認(rèn)為是很有發(fā)展?jié)摿Φ目菇Y(jié)核藥物。
1.6治療貧血藥理活性Fletcher等[34]于2008年報道了一系列氮雜吲哚螺環(huán)化合物24,作為缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)羥化酶抑制劑用于抑制低氧誘導(dǎo)因子羥化酶活性,特別在治療與癌癥相關(guān)的貧血有效,但對紅細(xì)胞生成素不具治療作用。Fletcher等[35]在2009年優(yōu)化了此類螺環(huán)化合物,通過在不同的動物癌癥貧血模型中增加促紅細(xì)胞生成素(EPO)水平、紅細(xì)胞計數(shù)、血紅蛋白水平和血細(xì)胞比容。進(jìn)一步證實此類化合物對治療和預(yù)防癌癥貧血或與癌癥相關(guān)的貧血的發(fā)展有效。
Vachal等[36]在2012年發(fā)現(xiàn),初始苗頭化合物中,一系列螺環(huán)吲哚衍生物25作為短效PHDi抑制劑,通過抑制脯氨酰羥化酶并得到理想的的PK/PD數(shù)據(jù),證明有一定的治療貧血療效。并以該類化合物為基礎(chǔ),進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到了治療效果更好的先導(dǎo)化合物。
2.7抗瘧疾藥理活性先導(dǎo)化合物26(NITD609)是Rottmann等[37]在2010年合成的能夠替代青蒿素類的抗瘧藥物,對抗惡性瘧原蟲臨床分離株時表現(xiàn)了很好的藥物活性,其IC50在0.5~1.4 nM,該先導(dǎo)藥物能夠迅速降低惡性瘧原蟲的蛋白合成。具有良好的物理化學(xué)性質(zhì),在一定劑量下具有良好的安全性,藥代動力學(xué)特性和藥理活性。該先導(dǎo)化合物最近已完成了二期臨床試驗。(NCT01860989;NCT01836458;NCT01524341)。
綜上所述,由于氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)在抗腫瘤,抗炎及解熱鎮(zhèn)痛,抗病毒,抗結(jié)核,抗真菌,抗瘧疾,治療貧血等多個方面表現(xiàn)出良好的藥理活性,使其具有極好的醫(yī)藥研究前景,可作為多種疾病的治療藥物進(jìn)一步開展研究。近年來,隨著更多更深入的活性研究不斷被文獻(xiàn)報道,特別是抗腫瘤靶向小分子藥物領(lǐng)域,擁有氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)的靶向先導(dǎo)化合物不斷被發(fā)現(xiàn),由于其不僅具有較好的靶向選擇性,且擁有良好的理化性質(zhì)及藥代動力學(xué)性質(zhì),已有多個先導(dǎo)藥物進(jìn)入臨床研究階段。在AIDS,炎癥,瘧疾等多種疾病的治療中,均有氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)化合物進(jìn)入臨床研究。另一方面,由于醫(yī)藥領(lǐng)域的研究需求,關(guān)于該類結(jié)構(gòu)有機合成方法的研究也在不斷深入,豐富、高效、快速的合成方法也為這類結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和合成研究提供很大的便利??梢灶A(yù)見,在以后,在多種疾病的治療藥物研發(fā)領(lǐng)域都可以看到氧化吲哚螺環(huán)結(jié)構(gòu)的相關(guān)報道,該類結(jié)構(gòu)的藥理活性研究及其進(jìn)一步的臨床藥理研究仍將是一個熱點研究領(lǐng)域。
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