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以MMP-2为靶点的抗肿瘤化合物的设计、合成、活性评价及构效关系研究

【摘要】:癌症是严重威胁人类健康恶性疾病之一,它的发病率在全球肿瘤患病率中排第二。癌细胞的侵袭和转移是恶性肿瘤发病的主要原因。癌症的转移是一个非常复杂和多阶段的过程,在这个过程中,肿瘤细胞不断侵袭细胞周围组织,降解细胞外基质。控制恶性肿瘤的扩散和转移就成了治疗癌症的关键。基质金属蛋白酶是一组结构和功能相关的含有锌离子的蛋白水解酶的总称。它参与许多生理过程。在正常生理条件下,MMPs是维持细胞外基质正常结构和功能所必须的蛋白水解酶,能够降解几乎所有的细胞外基质,它对细胞外基质成分的降解、组织重塑以及在重大疾病发病机制中扮演着至关重要的角色。当今,MMPs已经成为抗癌药物的新靶点,也是科学家研究的热点。本课题以MMP-2为靶点,设计筛选出特异性抑制剂用作新型MMP-2抗肿瘤药物。基于已有的活性结构,利用计算机辅助药物设计手段,运用比较分子力场分析法结合Docking计算进行3D-QSAR研究,建立具有良好相关性及预测能力的MMPIs,首先筛选出10个能够与MMP-2具有很好结合能力的待选化合物,然后经过几株癌细胞和MMP-2初选得到5个具有苯甲酸甲酯磺胺、二氢吡唑磺胺以及二氢吡唑噻唑骨架的先导化合物:苯甲酸甲酯磺胺衍生物Hit 1(IC50MMP-2=62.60μM),二氢吡唑磺胺衍生物 Hit 3(IC50 MMP-2=3.84μM),Hit 6(IC50 MMP-2=16.81μM),Hit 8(IC50 MMP-2=1.31 μM)和二氢吡唑噻唑衍生物 Hit 10(IC50 MMP-2=11.72μM)。最终设计合成了 5个系列分别含有磺胺骨架和二氢吡唑噻唑骨架的新型化合物130个,其中新化合物128个,并利用1H NMR,MS等手段进行了结构表征,通过单晶X-射线结构分析确定了 6个化合物的三维空间结构。并且进行了系统的活性筛选和构效关系研究,结果大部分化合物都具有良好的抗肿瘤增殖活性和MMP-2抑制活性,简述如下:(1)合成了一系列含苯甲酸甲酯磺胺骨架的新型MMP-2抑制剂(A13~A39),并且测试它们的生物活性。这些化合物对MMP-2表现出潜在的抑制活性,对MCF-7和Hela表现出较好的抗增殖活性。化合物A22不仅能够很好的抑制MMP-2还具有很好的抗Hela癌细胞增殖活性,IC50值分别为0.38和0.63 μM。为了进一步研究化合物和MMP-2之间的作用方式,我们利用计算机进行了分子对接模拟计算。结果显示,MMP-2中小分子Batimastat作用位点的氨基酸残基与化合物之间存在几个相互作用力,可能在活性中起了重要作用。(2)基于具有二氢吡唑磺胺衍生物 Hit 3(IC50=3.84μM),Hit 6(IC50=16.81μM),Hit 8(IC50=1.31μM)的结构,对其进行进一步的结构改造得到87个化合物,其中85个目标二氢吡唑磺胺衍生物均为首次报道,共培养出4个目标化合物单晶(B25,C9,C17,和C23),并运用X-单晶衍射仪测试其晶体结构。为了获取构效关系以指引结构优化,首先在二氢吡唑磺胺结构中C-4位置处,尝试引入不同取代的水杨醛基结构,得到了 25个含有水杨醛结构的二氢吡唑磺胺衍生物(B1-B25),接下来用萘甲醛骨架取代C-4位置处水杨醛骨架得到32个含有萘环骨架二氢吡唑磺胺衍生物(C1-C32),最后用苯并二噁烷苯甲醛骨架取代萘甲醛骨架得到含有苯并二噁烷磺胺结构的衍生物26个(D1-D26)。然后根据已得到系列二氢吡唑磺胺衍生物建立了具有良好预测能力的3D-QSAR模型,并结合虚拟对接模型,同时考虑引入基团的成药性,向二氢吡唑磺胺骨架中引入了符合模型的具有较大体积和较低电子密度的苯并二噁烷,合成了 4个不同结构的二氢吡唑磺胺衍生物(D27-D30),并测试了 87个化合物的生物活性。结果表明水杨醛二氢吡唑磺胺衍生物B1-B25对MCF-7表现出了很好的抗增殖效果,其中化合物B13对MCF-7表现出最好抗增殖效果(IC50=1.85μM),而B3对MMP-2抑制效果最好(IC50=0.33 同样,含有萘环二氢吡唑磺胺衍生物(C1-C32)对A549表现出了很好的抗增殖效果,其中化合物C11对A549表现出最好抗增殖效果(IC50=1.90μM),对MMP-2抑制效果也最好(IC50=0.21μM);此外,含有苯并二噁烷磺胺结构的衍生物(D1-D30)对Hela细胞表现出了很好的抗增殖效果,其中化合物D10表现出最好抗增殖效果(IC50=0.38μM),而D6对MMP-2抑制效果最好(IC50=1.31 μM)。(3)合成了一系列新型MMP-2抑制剂二氢吡唑噻唑衍生物(E1-E18)并且测试它们对MCF-7、HepG2以及Hela细胞的抗增殖生物活性以及MMP-2的抑制活性。实验结果研究表明,这些化合物对MMP-2表现出潜在的抑制活性,其中化合物E17的抑制活性最好(IC50=2.80μM);其中目标化合物对MCF-7表现出较好的抗增殖活性,化合物E4的抗增殖活性最好(IC50=1.03 μM)。构效关系分析显示,当R1和R3位置的取代基为供电子基团时,能够有助于提高MMP-2抑制活性。此外,还运用计算机模拟化合物E1-E18和MMP-2之间的分子对接来揭示它们之间的可能结合方式。

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