《Journal of Molecular Structure》：2-Substituted-5-(4-substitutedsulfonylamido)benzoxazoles as potent cholinesterase inhibitors: Synthesis, in vitro, molecular docking, molecular dynamics simulation, and DFT studies
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苯并恶唑衍生物磺酰胺基团抑制乙酰胆碱酯酶丁酰胆碱酯酶阿尔茨海默病分子对接DFT分析
Nagihan Faydali | Meryem Erol | ?zlem Temiz Arpaci | Esra Dilek | Muhammed Tilahun Muhammed
塞尔丘克大学药学院药物化学系，土耳其科尼亚，42130
摘要
阿尔茨海默病（AD）是世界上最令人担忧的神经系统疾病之一，是导致痴呆的主要原因，其特征是认知和记忆能力下降。该疾病具有多因素致病机制，目前尚无根治方法，尽管基于胆碱能假说的治疗方法在缓解症状方面取得了一定成效。本研究探讨了11种含有苯并噁唑环系统第5位磺酰胺基团的化合物对乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）的抑制作用。其中两种化合物为新型化合物，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、1H核磁共振（1H NMR）、13C核磁共振（13C NMR）和质谱技术对其结构进行了表征。这些化合物作为AChE和BChE抑制剂的表现显著优于参考药物多奈哌齐。具体而言，化合物2a对AChE的抑制活性最高，Ki值为7.45 ± 2.79 nM；化合物1b对BChE的抑制活性最高，Ki值为3.37 ± 0.68 nM。此外，还进行了分子对接研究以分析活性化合物与AChE和BChE晶体活性位点的相互作用模式。研究发现蛋白质-配体相互作用中存在氢键和π键作用。通过分子动力学（MD）模拟评估了所得复合物的稳定性。结果表明这些复合物在实验条件下保持稳定。此外，还运用密度泛函理论（DFT）分析了化合物的最稳定构象及其化学稳定性和反应性。
引言
阿尔茨海默病（AD）是一种常见的痴呆类型，主要表现为认知障碍和记忆丧失，通常影响老年人[1,2]。到2060年，全球可能将有1380万人患有AD，占痴呆病例的60–70%[3]。该疾病通过引发言语、情绪和行为问题、认知功能下降、社交隔离，最终导致患者无法完成日常任务，从而逐渐降低生活质量[4]。尽管AD的确切病因尚不清楚，但其发病机制与胆碱能神经传递缺陷、乙酰胆碱酯酶活性异常、乙酰胆碱（ACh）水平降低、淀粉样蛋白斑块形成、tau蛋白过度磷酸化以及氧化应激有关[5]。胆碱酯酶抑制剂是目前可用于治疗AD的有限药物选择中的关键类别。这些抑制剂能够提高患者体内降低的乙酰胆碱水平，从而改善记忆丧失和认知功能障碍[6]。
AChE和BChE是两种胆碱酯酶（ChE），它们分别催化乙酰胆碱分解为乙酸和胆碱[7]。在阿尔茨海默病患者中，BChE水平可升高高达90%，而AChE水平可降低高达45%[8]。因此，开发同时抑制AChE和BChE的抑制剂至关重要。通过抑制这两种酶，可以增强神经系统中的胆碱能信号传导，从而有助于治疗AD[3,9]。根据美国食品药品监督管理局（FDA）的规定，他克林和利凡斯的明可用于抑制AChE和BChE；而多奈哌齐和加兰他敏则专门用于抑制AChE（图1）。这些药物可以缓解症状，但无法治愈导致这些症状的脑部基础病变或阻止疾病进展[10]。
由于氮、硫或氧原子的作用，杂环结构能够与胆碱酯酶中的氨基酸残基形成稳定的相互作用。核酸中的腺嘌呤和鸟嘌呤等杂环碱基与苯并噁唑骨架具有结构相似性[11]。因此，苯并噁唑衍生物的化疗作用被认为与其抑制核酸合成有关，这使得对其生物活性的研究范围不断扩大。研究表明，苯并噁唑衍生物在新型药物设计中具有重要作用，具有多种药理和生物学活性，如抗菌[12]、抗增殖[13]、抗胆碱酯酶[14]、抗结核[15]、抗糖尿病[16]、抗炎[17]和抗氧化[18]作用。此外，含有磺酰胺基团的杂环化合物因其作为药效团的作用而备受关注[19,20]。在药物化学中，磺酰胺基团常被用作羧基的强效生物等效体。与羧基不同，磺酰胺基团能够形成氢键网络。羧基的一些缺点（如毒性、代谢不稳定性和跨生物膜的被动扩散能力有限）在磺酰胺基团中不存在[21,22]。由于其广泛的生物活性（包括抗菌、抗病毒、抗癌、抗氧化、抗碳酸酐酶、抗糖尿病和抗惊厥作用），磺酰胺类药物在药物化学中占据重要地位[23,24]。目前临床应用的磺酰胺类药物包括乙酰唑胺和布林佐胺（用于治疗青光眼和癫痫发作）、苯噻嗪和氯噻嗪（利尿剂）、氢氟噻嗪（治疗慢性血管性高血压）、苯噻嗪（治疗高血压）、二氮嗪（钾通道激活剂）和噻嗪类（治疗高血压、尿崩症和水肿）[24]。此外，多项研究表明磺酰胺衍生物具有潜在的抗AD治疗作用[19,25,26]。
虽然本研究最初设计的化合物是为了评估其抗菌活性，但这些化合物中苯并噁唑核心和磺酰胺基团的存在为它们在阿尔茨海默病相关靶点上的应用提供了新的研究方向[27–36]。因此，我们研究了2-取代-5-（4-取代磺酰氨基）苯并噁唑衍生物对AChE和BChE的抑制作用（图2）。通过FT-IR、1H NMR、13C NMR和质谱技术对两种新型化合物（1b和3a）进行了结构表征。此外，还利用200纳秒的分子动力学（MD）模拟评估了配体-酶相互作用的稳定性，以估算结合亲和力和与潜在生物靶点的相互作用。DFT计算进一步证实了这些化合物的电子结构和反应性，补充了分子对接和动力学模拟的结果。
化学部分
本研究共涉及11种2-(4-甲基/乙基/氟苯基)-5-[(p-取代苯基)磺酰氨基]苯并噁唑衍生物。其中9种化合物已在我们的另一项研究中合成[37]，因此不属于新型化合物。另外两种新型化合物（1b和3a）通过图1所示的两步合成方法制备：首先使用多磷酸（PPA）催化剂，将2,4-二氨基酚二盐酸盐与p-氟苯甲酸和p-甲基苯甲酸进行反应...
结论
本研究详细分析了11种磺酰氨基苯并噁唑衍生物对AChE和BChE的抑制作用，其中2种为新型化合物。通过计算IC50和Ki值发现，除1a和1e外，所有化合物对AChE的抑制活性均优于多奈哌齐，其中化合物2a的抑制活性最强（Ki值为7.45 ± 2.79 nM）；化合物1b对BChE的抑制活性最强（Ki值为3.37 ± 0.68 nM）。
化学部分
实验所用化学品和溶剂由Acros Organics、Sigma-Aldrich、Riedel-de Haen和Merck公司提供，未进行进一步纯化。反应过程通过薄层色谱（TLC）进行监测。吸附剂选用涂有Silica gel 60 F254凝胶并预先浸泡特定溶剂混合物的铝板。使用254 nm和366 nm的紫外光检测板上的斑点情况，通过TLC确定反应的完成情况...
作者贡献声明
Nagihan Faydali：撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、软件应用、方法设计、实验设计、数据分析、数据整理。
Meryem Erol：撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、软件应用、方法设计、实验设计、数据分析、数据整理。
?zlem Temiz Arpaci：撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、软件应用、方法设计、实验设计、数据分析。
Esra Dilek：撰写...
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
感谢安卡拉大学药学院中央实验室的Hakan Goker教授提供的核磁共振（NMR）和质谱分析支持。此外，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析工作在塞尔丘克大学理学院完成。
