含吡唑结构的噻唑烷-2,4-二酮衍生物作为强效α-葡萄糖苷酶抑制剂的鉴定：设计、合成与抗糖尿病活性评估

《Bioorganic Chemistry》：Identification of novel pyrazole-containing thiazolidine-2,4-dione derivatives as potent α-glucosidase inhibitors: design, synthesis and antidiabetic assessment

　　

Mukund Jha|Ozair Alam|Vishal Mathur|Shagufi Nazar|Shaheen Ali|Anam Ilyas|Md Fazlur Rahman|Shaikh Mohd Aatif Jamil Ahmed|Kailash Chandra|S.K. Batin Rahaman|Shiv Shyam Maurya|Jamshed Haneef|Asif Husain|Nadeem Siddiqui

印度新德里110062，贾米亚·哈姆达德大学药物教育与研究学院药物化学系，药物化学与分子建模实验室

摘要

为寻找用于治疗2型糖尿病的强效α-葡萄糖苷酶抑制剂，研究人员合成了一系列含有吡唑结构的噻唑烷-2,4-二酮衍生物10 (a–i)，并检测了它们的α-葡萄糖苷酶抑制活性。通过计算机模拟的ADMET研究证实了这些化合物可被肠道被动吸收，而分子对接和动力学分析则显示它们能与受体蛋白的关键残基形成稳定结合。大多数合成化合物都表现出较强的α-葡萄糖苷酶抑制作用，其IC₅₀值在3.32?±?1.27到25.58?±?2.77微摩尔之间，而常用药物阿卡波糖的IC₅₀值为69.89?±?1.29微摩尔。在所有合成化合物中，10e的α-葡萄糖苷酶抑制效果最强，其抑制强度是阿卡波糖的21.05倍，同时还具有一定的抗氧化活性。10e在10毫克/千克和50毫克/千克剂量下对链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的降血糖效果显著，进一步证明了其在治疗2型糖尿病方面的潜力。此外，生化检测显示，与糖尿病组相比，10e处理组的碱性磷酸酶、天冬氨酸转氨酶、丙氨酸转氨酶、尿素、血尿素氮及总蛋白水平均恢复到正常水平。

引言

2型糖尿病是一种进行性代谢疾病，其特征为慢性高血糖和胰岛素敏感性下降，随着病情发展往往需要胰岛素治疗[1]。该疾病已被众多健康机构和研究人员视为导致全球患病率和死亡率上升的重要因素之一。预计到2030年，糖尿病患病人数将达到约5.78亿，到2045年这一数字还可能继续上升至7亿，给全球公共卫生带来巨大挑战[2]、[3]。餐后高血糖是2型糖尿病管理中的重大难题，因为血糖的快速波动会引发氧化应激、β细胞功能受损以及心血管并发症[4]、[5]、[6]。为缓解这些问题，一种治疗策略是在肠道层面抑制碳水化合物的消化。位于肠上皮细胞刷状缘膜上的α-葡萄糖苷酶能够将膳食中的寡糖和双糖最终水解为可吸收的单糖[7]、[8]。通过竞争性抑制这些酶，α-葡萄糖苷酶抑制剂可以延缓葡萄糖的吸收，有效抑制餐后血糖的急剧上升，从而成为控制餐后血糖负荷的重要手段[9]、[10]。目前用于治疗2型糖尿病的α-葡萄糖苷酶抑制剂主要有三种：阿卡波糖（Glucobay）、米格列醇（Glyset）和伏格列波糖（Volix, Basen）[11]、[12]。然而，长期使用这类抑制剂可能会引发腹泻、腹痛、腹胀和胀气等消化系统问题[13]、[14]、[15]。噻唑烷-2,4-二酮是一类重要的口服降糖药，其主要作用是提高胰岛素敏感性[16]、[17]。这种结构含有硫和氮元素，C-2和C-4位上带有羰基，是现代药物化学中常用的药效团[18]。近年来，已有许多以噻唑烷-2,4-二酮为核心结构的α-葡萄糖苷酶抑制剂被开发出来[19]。因此，有必要研发出更具效力且副作用更小的α-葡萄糖苷酶抑制剂。

噻唑烷-2,4-二酮类药物能够促进脂肪细胞的分化，增加GLUT4等葡萄糖转运蛋白的表达，进而提升脂肪组织和骨骼肌对葡萄糖的摄取能力[20]。它们还能降低血液中的游离脂肪酸浓度，从而提高肝脏的胰岛素敏感性并减少肝脏产生的葡萄糖量。在实际应用中，吡格列酮和罗格列酮等药物已被证明可以有效降低HBA1_C值，改善血脂状况，同时对炎症反应和内皮功能也有积极作用[21]。不过，这些药物的副作用包括体重增加、水肿、心力衰竭风险以及骨折，因此在使用时需谨慎选择患者。尽管存在这些问题，对于那些需要长期控制血糖并提升胰岛素敏感性的患者而言，噻唑烷-2,4-二酮类药物仍然具有重要价值[22]。

吡唑、噻唑烷-2,4-二酮等多种杂环化合物可通过降低血糖水平，在维持药物活性方面发挥重要作用[23]。我们之前关于吡唑作为降糖剂（能激活PPAR-γ）的研究已经取得了不错的成果[24]。将这两种结构结合成混合结构，有望进一步提升血糖控制效果，并克服传统药物的局限性[25]、[26]、[27]。虽然噻唑烷-2,4-二酮衍生物已得到广泛研究，但它们与吡唑结构结合后作为α-葡萄糖苷酶抑制剂的潜力尚未得到充分探索。本研究提出了一种新的分子框架，旨在增强酶的抑制作用，同时减少现有疗法的缺陷。鉴于噻唑烷-2,4-二酮和吡唑结构在开发α-葡萄糖苷酶抑制剂方面的潜在优势，我们借助先前报道的抑制活性数据，将两种杂环结构整合到一个分子中，设计并合成了一系列新的混合分子（见图1）[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。随后，我们制备了多种种类的噻唑烷-2,4-二酮衍生物，并对其生物活性进行了检测。

章节节选

化合物10 (a–i)的合成

所有设计的混合衍生物都是按照方案1中的合成路线制备的。苯乙酰胺衍生物3(a–d)是由苯胺衍生物1(a–d)与氯乙酰氯反应制得的。肼类化合物6(a–e)则是通过苯乙酮衍生物4(a–e)与苯肼反应生成的。接着通过维尔斯迈尔-哈克反应得到相应的醛化衍生物7 (a–e)。再通过克诺夫纳格尔缩合反应得到9 (a–e)。最后通过SN1反应完成合成

结论

为了寻找具有降糖活性的α-葡萄糖苷酶抑制剂，我们设计并合成了系列含有吡唑结构的噻唑烷-2,4-二酮衍生物10 (a–i)，并检测了它们的生物活性。大多数合成化合物都表现出较强的α-葡萄糖苷酶抑制作用，其IC₅₀值在3.32?±?1.27到25.588?±?2.77微摩尔之间，而阿卡波糖的IC₅₀值为69.89?±?1.29微摩尔。其中，10e的抑制效果最为显著

化学部分

所有化学试剂均从商业供应商处购买，均为分析级，纯度超过95%。噻唑烷-2,4-二酮则是按照标准流程自行合成的。用于体外实验的α-葡萄糖苷酶来自印度政府DST-SERB项目（ANRF编号：CRG/2018/004145），而P-硝基苯-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG，产品编号NO492）和阿卡波糖则购自TCI化学公司。研究中还使用了¹H NMR、¹³C NMR、高分辨率质谱以及液相色谱-质谱等技术

CRediT作者贡献说明

Mukund Jha：撰写原始稿件、软件使用、方法设计、数据整理、概念构思。Ozair Alam：撰写文章的审阅与编辑工作、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金筹集以及概念构思。Vishal Mathur：负责数据可视化与实验研究。Shagufi Nazar：负责结果验证与软件相关工作。Shaheen Ali：负责资源协调工作。Anam Ilyas：负责数据形式分析。Md Fazlur Rahman：负责数据整理工作。Shaikh Mohd Aatif Jamil Ahmed：负责文章的审阅与编辑工作。Kailash Chandra：

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本文的通讯作者Ozair Alam教授衷心感谢印度政府DST-SERB项目（ANRF编号：CRG/2018/004145）以及ICMR专项项目（编号：BMI/12(08)/2022）提供的财政支持。