Aβ顯像劑2-苯基苯并噻唑衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系

王武尚，高 敏，劉伯里

1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；2.西安交通大學(xué) 理學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，陜西 西安 710049；3.北京師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，北京 100875

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是最常見的老年性癡呆病。它是由于大腦細(xì)胞退化而導(dǎo)致思維能力逐漸喪失的一種疾病。人類已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，隨著老年人年齡的增長，AD發(fā)病率急劇升高，因此，AD的發(fā)病機理和早期無損傷診斷受到人們高度重視。腦中Aβ(β-amyloid)斑塊的積聚是AD的病理特征之一[1-2]，所以，Aβ斑塊是AD病的一種生物標(biāo)志物，對AD的早期診斷和病情監(jiān)測而言，Aβ放射性顯像劑具有潛在的應(yīng)用價值[3]。

剛果紅、硫磺素S和硫磺素T是臨床AD病理組織學(xué)尸檢常用的熒光染料，可以作為藥效基團(tuán)進(jìn)一步設(shè)計、篩選更好的Aβ顯像劑。文獻(xiàn)報道的剛果紅類顯像劑有柯胺-G(Chrysamine-G)[4]、X-34[5]、[125I]ISB和[125I]IMSB[6]；硫磺素類顯像劑有[N-methyl-11C]6-Me-BTA-1[7], [N-methyl-(N-甲基)11C]BTA-1[8]，[11C]PIB[9-11]，3′-125I-6-OH-BTA-0[12]，[125I]TZDM[6]，[125I]IBOX[13]等。其中[11C]PIB[10-11]已成功地應(yīng)用于臨床顯像AD病人腦中的Aβ斑塊。在文獻(xiàn)報道的各類Aβ顯像劑中，BTA(2-(4′-aminophenyl)benzothiazole，2-(對氨基苯基)苯并噻唑)類似物具有很大的發(fā)展?jié)摿Αang等[14]報道了一系列BTA類化合物對Aβ1-40纖維的親和性，并指出碘代化合物的親和性與其脂溶性存在較強的相關(guān)性。優(yōu)良的Aβ顯像劑必須具有很高的親和性，親和性是篩選Aβ顯像劑的必要指標(biāo)之一。目前，有關(guān)Aβ顯像劑的文獻(xiàn)主要集中在其生物特性研究方面，很少研究生物特性與分子結(jié)構(gòu)之間的定量構(gòu)效關(guān)系。因此，本工作擬以親和性參數(shù)——抑制常數(shù)(Ki)為因變量，以分子結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)研究，以便指導(dǎo)開發(fā)更優(yōu)異的Aβ顯像劑。

1 計算方法

采用G98W程序在B3LYP水平上對所選Aβ顯像劑的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，N、O、S原子采用6-31G+*基組，I原子采用Lanl2DZ基組，其它原子采用6-31G*基組[15]。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的輸出文件中得到參數(shù)：最高占據(jù)軌道能量(EHOMO，1 a.u(原子單位)=4.359 81×10-18J)、最低空軌道能量(ELUMO，a.u)、偶極距(Dp，Deby)；將G98W優(yōu)化的結(jié)構(gòu)輸入HyperChem 7.0軟件包[16]中計算出分子氫化能(He)、分子體積(Vm)。抑制常數(shù)(Ki)和脂溶性參數(shù)(lgP)來自文獻(xiàn)[14]。

以Aβ顯像劑抑制常數(shù)的對數(shù)lgKi為因變量，分子結(jié)構(gòu)參數(shù)lgP、Vm、He、Dp、EHOMO、ELUMO為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析，得到Aβ顯像劑生物活性與分子結(jié)構(gòu)的定量構(gòu)效關(guān)系。

2 結(jié)果和討論

2.1 分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果的可靠性

以文獻(xiàn)[14]報道的28個2-苯基苯并噻唑類衍生物為研究對象，采用G98W程序?qū)ζ溥M(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到需要的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)。另外，制備了其中一個化合物2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑的晶體，利用單晶X衍射測定了其晶體結(jié)構(gòu)[17]，表1和表2分別列出了2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑分子結(jié)構(gòu)的鍵長和鍵角的測量值和計算值。從表中數(shù)據(jù)可知，計算值和測量值基本一致，說明分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法正確，優(yōu)化結(jié)果可靠。

表1 2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑分子的鍵長Table 1 Bond lengths of 2-(3′-iodo-4′-aminophenyl)benzothiazole

表2 2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑分子的鍵角Table 2 Bond angles of 2-(3′-iodo-4′-aminophenyl)benzothiazole

2.2 定量構(gòu)效關(guān)系

優(yōu)良的Aβ顯像劑必須具有高的初始腦攝取、高的Aβ親和性和低的非特異親和性。Aβ親和性是篩選Aβ顯像劑的重要指標(biāo)之一。一般認(rèn)為，含有給電子基團(tuán)(-NH2,-NHMe,-NMe2,-OH,-OMe)并且有大共軛體系的化合物具有高的Aβ親和性，但一些類似的化合物Aβ親和性較低。對文獻(xiàn)[14]報道的28個2-苯基苯并噻唑類Aβ顯像劑進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系研究。2-苯基苯并噻唑衍生物的分子結(jié)構(gòu)示于圖1。生物特性參數(shù)和分子結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表3。

圖1 2-苯基苯并噻唑衍生物的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of 2-arylbenzothiazole derivaties

Wang等[14]定性得出：4′-位有氨基或甲氨基的2-苯基苯并噻唑類化合物在其氨基或甲氨基的鄰位引入碘原子，可提高其Aβ親和性，并且其Aβ親和性隨脂溶性的增大而提高。利用其文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，以lgKi為因變量、lgP為自變量進(jìn)行線性回歸分析，得到定量構(gòu)效關(guān)系如下：

lgKi=1.843-0.382lgP

(1)

(n=28，r=0.782，s=0.325 2，

F1,26=40.869，Sig=0.000)

以lgKi為因變量，lgP、Vm、He、Dp、EHOMO、ELUMO為自變量進(jìn)行多元線性回歸，采用逐個剔除、逐步回歸等方法建立多元線性回歸方程如下：

lgKi=163.593-0.790lgP+0.039 1Vm-

67.357lgVm+0.097 5He-25.460EHOMO

(2)

(n=28，r=0.861，s=0.288 0，

F4,23=12.654，Sig=0.000)

對回歸方程的檢驗包括：方差分析(統(tǒng)計量F檢驗)、偏回歸系數(shù)的顯著性檢驗(統(tǒng)計量t檢驗)和相關(guān)系數(shù)r?；貧w方程中各參數(shù)的物理意義如下：n，參與回歸的化合物的數(shù)量；r，相關(guān)系數(shù)；s，標(biāo)準(zhǔn)偏差；Fdf1,df2，回歸自由度df1和剩余自由度df2下的F值，df1等于方程中的變量數(shù)，df2=n-df1-1；Sig，F(xiàn)檢驗的顯著性水平；自變量剔除標(biāo)準(zhǔn)為Sig<0.05時自變量保留，Sig>0.1時則自變量剔除。

表3 2-苯基苯并噻唑衍生物定量構(gòu)效關(guān)系研究用參數(shù)數(shù)據(jù)Table 3 Data of parameters of 2-arylbenzothiazole derivaties used in the QSAR analysis

通過統(tǒng)計量F檢驗和t檢驗，方程(1)和方程(2)都具有統(tǒng)計學(xué)意義。定量構(gòu)效關(guān)系研究表明，lgKi與lgP呈負(fù)相關(guān)，即化合物的脂溶性越大，其抑制常數(shù)越小，Aβ親和性就越大。方程(1)的相關(guān)系數(shù)為0.782，方程(2)的相關(guān)系數(shù)為0.861，說明脂溶性是影響2-苯基苯并噻唑衍生物Aβ親和性的主要因素，另外，Vm、He、EHOMO等分子結(jié)構(gòu)參數(shù)也對Aβ親和性有影響，所以方程(2)的相關(guān)性比方程(1)明顯提高。

根據(jù)方程(2)計算得到28個2-苯基苯并噻唑衍生物的lgKi值與其lgKi實驗值的關(guān)系示于圖2。由圖2可知，計算值與實驗值基本吻合，說明得到的定量構(gòu)效關(guān)系可靠，可用于對2-苯基苯并噻唑衍生物Aβ親和性進(jìn)行預(yù)測。

圖2 方程(2)的計算值與實驗值的比較Fig.2 Comparison of experimental lg Ki,exp with calculated lg Ki,cal obtained from equation (2)

3 結(jié) 論

11C或123I標(biāo)記的含有給電子基團(tuán)的2-苯基苯并噻唑衍生物是一類潛在的Aβ顯像劑。本工作對其定量構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Aβ親和性與化合物的lgP、Vm、lgVm、He和EHOMO呈線性相關(guān)，其中脂溶性參數(shù)lgP是影響Aβ親和性的主要因素。得到的定量構(gòu)效關(guān)系可用于對新的類似化合物的Aβ親和性的預(yù)測。

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