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非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂6-萘甲酰基取代HEPT及6-芳甲酰基、6-(α-氰基芳甲基)取代S-DABO类似物的设计、合成及构效关系研究

冀蕾  
【摘要】: 艾滋病(AIDS)即获得性免疫缺陷综合征(Acquired immune deficiency syndrome)是由人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV)感染引起的一种流行性传染病。以HW-1逆转录酶(Reverse transcriptase,RT)为靶点设计高选择性的逆转录酶抑制剂作为抗艾滋病药物,是目前国内外药物研究开发的热点之一。二十年来取得了巨大进展。在已上市的22个抗艾滋病药物中,有14个即属于HIV逆转录酶抑制剂。其中,非核苷类逆转录酶抑制剂(NNRTIs)因具有高效、低毒、高选择性等特点而倍受关注。随着分子模型、计算机辅助药物设计、X-晶体衍射等技术的进步,NNRTIs取得了迅速发展。其中,1-[(2-羟乙氧基)甲基]-6-(苯硫基)胸腺嘧啶(HEPT)和二氢烷氧苄基嘧啶酮(DABO)类衍生物为其中较有代表性的两类,它们显示出较好的前景,促使我们对其作进一步的结构修饰和改造,以期发现新一类的NNRTIs。 本课题组长期致力于HIV-1非核苷类逆转录酶抑制剂的开发,积累了丰富的经验,打下了坚实的基础,已经成功设计并合成了一系列高活性的6-萘甲基、6-萘硫基取代的HEPT及DABO类衍生物,使该系列化合物的开发成为一个颇具特色的方向,并激发了我们对此进一步研究开发的兴趣。另外,纵观近年来国内外研究概况,我们发现有关6-位亚甲基碳结构修饰的报道比较少见。因此,我们认为有关该位置的结构修饰对于构效关系的进一步研究具有较高的潜在意义。 本文基于分子对接(Molecular docking)模型为指导,结合已有的构效关系,对嘧啶环的6-位亚甲基进行结构修饰,取代为吸电基羰基,以期发现更高活性的化合物并对其构效关系进行深入探讨。另外,基于Hopkins的理论假设可知,将HEPT类化合物中的6-位的苯环取代为萘环对活性有利。萘环有可能为受体的结合部位提供额外的π堆积作用,还可提供与HIV-1 RT的NNBP上的Tyr188、Tyr181等氨基酸残基的芳香性侧链相适应的疏水性相互作用。另一方面,在N-1位引入各种亲脂性的烷氧亚甲基、取代的烯丙基、取代的炔丙基等侧链,以增强化合物与酶的疏水性相互作用,并且在C-5位引入体积大小不同的烷基(Me,Et,i-Pr)以起协同作用,设计了一系列6-(1-萘甲酰基)取代的新型的HEPT类衍生物作为目标化合物。 DABO与HEPT衍生物在结构和构效关系上的相似性,使得这两类NNRTIs在分子设计中可相互借鉴。基于Hopkins的理论假设以及基于分子对接的复合物模型研究,我们同样将DABOs的嘧啶环6-位亚甲基进行结构修饰,引入羰基,以期发现更高活性的化合物并对其构效关系进行深入研究。另外,我们在6-位亚甲基上引入吸电基氰基,一方面,与将6-位亚甲基取代为羰基相比引入氰基可使得化合物的柔韧性增强而分子刚性降低;另一方面,两种修饰都有望通过增强6-位取代基与RT中的富电子的氨基酸残基Tyr188或Tyr181之间的π~π相互作用而使得目标化合物的活性增强。采用Autodock程序将目标分子与MKC-442/HIV-1 RT复合物中HIV-1 RT活性腔进行对接,考察了目标分子设计上的合理性,从而构建了一系列2-烷硫基-5-烷基-6-(芳甲酰基及α-氰基芳甲基)嘧啶-4(3H)-酮衍生物。其中,对于DABO类化合物该设计从未见相关文献报道,完全由本课题组第一次提出。 本文成功探索了多条不同路线分别用于合成各系列目标化合物。其中,在HEPT类目标化合物合成中,将各种取代的巴比妥酸与三氯氧磷反应制得的三氯嘧啶,进而与甲醇钠作用制得5-烷基-2,4-二甲氧基-6-氯嘧啶,然后与1-萘乙腈缩合、氧化、脱保护得中间体5-烷基-6-(1-萘甲酰基)-2,4-嘧啶二酮,最后在DMF中,K_2CO_3催化下分别与各种取代氯代物或溴代物发生烷基化反应即可制得HEPT系列目标化合物。 在S-DABO类目标化合物合成中,首先,由取代的丙二酸二乙酯在醇钠催化下与硫脲缩合制得各种取代的2-硫代巴比妥酸,然后在氢氧化钠水溶液中与各种取代卤代物进行S-烷基化反应,进而与TsCl反应,再与各种芳乙腈缩合,最后在氢氧化钠作用下脱去Ts保护基,即制得6-(α-氰基芳甲基)取代的S-DABO类目标化合物。将所制得的2-烷硫基-5-烷基-6-(α-氰基芳甲基)嘧啶-4(3H)-酮衍生物在DMF溶液中,60%氢化钠催化下于空气中进行反应即制得6-芳甲酰基取代的S-DABO类目标化合物。 本文共合成关键中间体和目标化合物200余个,其中目标化合物(91个)均为全新化合物,未见文献报道,所有化合物经~1H NMR、MS、~(13)C NMR和IR确证,并对典型目标物进行了X-单晶结构解析。 对目标化合物进行了抗HIV细胞活性和毒性测定试验,主要包括对HIV感染MT-4细胞的抑制活性,测定化合物使50%细胞免于HIV诱导细胞病变所需半数有效浓度(IC_(50)),并测定其使50%未感染细胞发生细胞病变浓度(CC_(50)),计算选择性指数SI=CC_(50)/EC_(50)。另外,对个别化合物还进行了PBMC细胞水平的抗HIV-1活性及毒性的测试。研究结果表明:绝大多数HEPT类衍生物显示出比对照品HEPT及DDI高的抗HIV-1的活性,其中,有16个化合物的活性比对照品提高了10-50倍。活性最好的化合物为:5-异丙基-1-苄氧亚甲基-6-(1-萘甲酰基)-2,4-嘧啶二酮(JL-043)。6-芳甲酰基取代的S-DABO类目标化合物显示出很低的细胞毒性。大部分6-(α-氰基芳甲基)取代的S-DABO系列目标化合物对HIV-1(III_B)病毒显示出很强抑制活性,其中JL-055和JL-057等化合物对HIV-1的IC_(50)值均在纳摩尔范围内(0.002—0.09μM),并且具有较高选择性指数(SI分别为1551和4657),分别比对照品DDI活性提高了55和2500倍,比Nevirapine提高了2和125倍。另外,选取了两个具有代表性的化合物进行了PBMC细胞的活性测试,结果均显示出较好的抗HIV-1活性。 最后,我们建立了目标化合物的3D-QSAR(CoMFA和CoMSIA)模型,从立体、静电和疏水作用等方面探讨了新设计合成的目标化合物的构效关系,为进一步合理设计和寻找HIV-1 RT抑制剂,减少研究工作中的盲目性,提高新药发现率,缩短工作周期,奠定了理论基础。


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