抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7生長的查爾酮類化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究Δ

王君瑜，劉雪麗，王海桃，楊 海（青島市中心醫(yī)院藥學(xué)部，山東青島 266042）

抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7生長的查爾酮類化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究Δ

王君瑜＊，劉雪麗，王海桃，楊 海（#青島市中心醫(yī)院藥學(xué)部，山東青島 266042）

目的：通過研究抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7生長的查爾酮類化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR），為查爾酮類抗腫瘤藥物的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。方法：分析55個(gè)查爾酮類化合物的結(jié)構(gòu)和活性（pIC50）值，進(jìn)行分子疊合后，采用比較分子力場分析（CoMFA）模型考察化合物的立體場和靜電場，比較分子相似性指數(shù)分析（CoMSIA）模型考察化合物的立體場、靜電場、疏水場、氫鍵供體場和氫鍵受體場，確立最優(yōu)取代基團(tuán)并進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果：CoMFA模型顯示立體場、靜電場對(duì)化合物活性有影響，CoMSIA模型顯示疏水場、靜電場、立體場對(duì)化合物活性影響顯著。分子疊合后，在公共骨架上的R1、R2取代基附近引入親水性基團(tuán)，R1、R4取代基區(qū)域引入具有一定負(fù)電荷的基團(tuán)，減少R2取代基上的位阻并在R2、R4引入正電荷基團(tuán)，可明顯增加查爾酮類化合物的活性。按此結(jié)果設(shè)計(jì)了2種新的化合物，其pIC50分別達(dá)到了5.538、5.589（CoMFA法）和5.552、5.628（CoMSIA法）。結(jié)論：3D-QSAR可準(zhǔn)確分析查爾酮類化合物抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7生長活性的結(jié)構(gòu)特征，可為新藥的開發(fā)研究提供理論指導(dǎo)。

人乳腺癌細(xì)胞MCF-7；查爾酮類化合物；三維定量構(gòu)效關(guān)系；比較分子力場分析模型；比較分子相似性指數(shù)分析模型；基團(tuán)；活性

查爾酮類化合物是芳香醛酮發(fā)生交叉羥醛縮合的產(chǎn)物，其化學(xué)名為1，3-二苯基丙烯酮，具有抗腫瘤活性，其主要作用機(jī)制為使腫瘤細(xì)胞周期停滯，抑制細(xì)胞增殖；促使腫瘤細(xì)胞凋亡；抑制血管生成；抑制細(xì)胞傳導(dǎo)過程中的酪氨酸蛋白激酶，阻止配體和受體結(jié)合；抗氧化、促進(jìn)抑癌基因表達(dá)，從而抑制癌基因表達(dá)。查爾酮類化合物抗腫瘤譜廣，對(duì)正常細(xì)胞毒性低，同時(shí)具有免疫增強(qiáng)功能[1-4]。

量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）是利用計(jì)算和統(tǒng)計(jì)的方法定量地研究系列化合物的結(jié)構(gòu)（包括二維結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)等）與其生物效應(yīng)（如化合物的活性、藥性、藥效學(xué)、生物利用度等）之間的關(guān)系，是藥物分子設(shè)計(jì)研究中的重要的理論計(jì)算方法和常用手段。其基本原理為化合物的活性可由其物理、化學(xué)參數(shù)（包括疏水參數(shù)、靜電參數(shù)、立體參數(shù)等）的定量表達(dá)來表示，且在一定范圍內(nèi)具有加和性。基于QSAR計(jì)算所得參數(shù)可為生物活性預(yù)測、藥物分子設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)修飾提供理論依據(jù)。在本研究中，筆者通過分析抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7活性的查爾酮類化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR），建立直觀的結(jié)構(gòu)活性等勢(shì)圖，為合理開發(fā)新型、有效的抗乳腺癌藥物提供理論依據(jù)。

1 原理與方法

1.1 原理

比較分子力場分析（CoMFA）法[5-6]是研究系列化合物3D-QSAR通用的方法，CoMFA能考慮分子的三維結(jié)構(gòu)信息，通過計(jì)算分子周圍三維空間中假想網(wǎng)狀格點(diǎn)上的立體場和靜電場參數(shù)，再用偏最小二乘（PLS）法尋找三維特征信息與化合物活性的聯(lián)系。比較分子相似性指數(shù)分析（CoMSIA）法[7]是在CoMFA法基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種較為新穎的3D-QSAR方法，其分子場采用了與距離相關(guān)的高斯函數(shù)形式，避免了分子表面附近網(wǎng)格點(diǎn)上能量的顯著變化與CoMFA方法相比，后者不需要定義能量閾值，并定義了5種分子力場，即立體場、靜電場、疏水場、氫鍵供體場和氫鍵受體場（后二者統(tǒng)稱為氫鍵場）。

1.2 模板選取與分子疊合

本研究選取了55個(gè)查爾酮類化合物，均具有抑制MCF-7生長的活性，其化合物結(jié)構(gòu)和活性值（用pIC50值表示，IC50值為達(dá)到50%抑制效果時(shí)抑制劑的濃度，pIC50＝lgIC50。）來源于文獻(xiàn)[8]，查爾酮類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1。

圖1 查爾酮類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig 1 Structure of chalcone compounds

從中選取44個(gè)分子作為訓(xùn)練集（Training set）用于構(gòu)建三維定量構(gòu)效關(guān)系模型，11個(gè)分子作為測試集（Tesing set）對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，詳見表1。

表1 55種化合物的結(jié)構(gòu)與活性Tab 1 Structure and activity of 55 compounds

續(xù)表1 Continued tab 1

所有化合物結(jié)構(gòu)采用Chem Draw Ultra 8.0畫出并用導(dǎo)入Sybyl 7.3分子模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[9]。在Tripos立場中，利用Powell梯度算法進(jìn)行能量優(yōu)化，其中收斂能量設(shè)置為0.05 kcal/mol（1 cal＝4.186 8 J），迭代次數(shù)設(shè)置為1 000。本研究是基于共同骨架結(jié)構(gòu)，選擇活性最大的化合物3作為模板分子進(jìn)行疊合，通過最小二乘法疊合優(yōu)化分子間坐標(biāo)的均方根偏差得到最佳的分子疊合模式。

1.3 CoMFA和CoMSIA模型構(gòu)建

CoMFA模型構(gòu)建過程中采用Tripos標(biāo)準(zhǔn)立場，選取sp3雜化的C+離子為探針，對(duì)疊合分子周圍每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)格上的立體場及靜電場的大小及分布進(jìn)行計(jì)算，場能閾值（Cut off）設(shè)為30 kJ/mol，其余各項(xiàng)參數(shù)均為系統(tǒng)默認(rèn)值，通過偏最小二乘方法（PLS）確定最佳主成分?jǐn)?shù)，采用留一法（Leave-one-out，LOO）[10]進(jìn)行交叉驗(yàn)證，得到交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)（q2）；然后通過非交叉驗(yàn)證進(jìn)行回歸分析，得到非交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)（r2）、統(tǒng)計(jì)方差比（F）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（SE），建立相應(yīng)的CoMFA模型；最后采用Stedev*coeff方法[11]，作出三維等勢(shì)圖。

CoMSIA研究中，從立體場、靜電場、疏水場以及氫鍵供體場、氫鍵受體場5種分子場角度來考察化合物結(jié)構(gòu)與活性之間的相互作用。這5種分子場的計(jì)算采用的探針原子半徑為0.1 nm，帶1個(gè)正電荷，衰減因子α＝0.3，其余各項(xiàng)參數(shù)均為系統(tǒng)默認(rèn)值。PLS分析時(shí)采用的方法與CoMFA相同，采用留一法進(jìn)行交叉驗(yàn)證，得到最佳組分?jǐn)?shù)和交叉驗(yàn)證系數(shù)，然后進(jìn)行非交叉驗(yàn)證，得到CoMSIA模型。

1.4 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及活性預(yù)測

通過對(duì)“1.3”項(xiàng)下模型進(jìn)行分析，同時(shí)參考文獻(xiàn)[12]，對(duì)原化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并采用CoMFA法和CoMSIA法進(jìn)行活性預(yù)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子疊合結(jié)果

55種查爾酮化合物分子疊合后公共骨架與取代基結(jié)果見圖2。

圖2 55種查爾酮化合物分子疊合后公共骨架與取代基Fig 2 Public frame and substituent group of 5 chalcone compounds after alignment

2.2 CoMFA和CoMSIA模型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果

CoMFA和CoMSIA模型的q2分別為0.701、0.662，r2分別為0.987、0.979，說明模型預(yù)測能力較好且統(tǒng)計(jì)學(xué)穩(wěn)定性較好；F值分別為342.632、179.779，SE值分別為0.043、0.055，表明本研究建立的模型具有較高的置信度和較強(qiáng)的預(yù)測能力[13]。在CoMFA模型中，立體場和靜電場的貢獻(xiàn)分別為53.3%、46.7%，立體場作用略大于靜電場。在CoMSIA模型中，分子場貢獻(xiàn)分別為立體場17.2%、靜電場29.3%、疏水場31%、氫鍵供體場8.6%、氫鍵受體場14%，疏水場、靜電場、立體場、氫鍵受體場對(duì)活性影響顯著。

2.3 CoMFA模型的等勢(shì)圖分析

CoMFA模型的等勢(shì)圖詳見圖3。

圖3 CoMFA模型的等勢(shì)圖Fig 3 Contour plot of CoMFAmodel

圖3A為CoMFA模型的立體場等勢(shì)圖，綠色表示增大該區(qū)域取代基位阻對(duì)活性有利，黃色區(qū)域表示減小該區(qū)域取代基位阻對(duì)活性有利；結(jié)合圖2A可知，在R1位置引入較大位阻對(duì)活性有提高作用，而R2、R4位取代基則應(yīng)盡量減小位阻以提高化合物活性。圖3B為CoMFA模型的靜電場等勢(shì)圖，藍(lán)色表示在該區(qū)域增加帶正電荷的取代基有利于提高化合物的活性，紅色表示引入帶電負(fù)電荷的取代基對(duì)活性有利；結(jié)合圖2A可知，在R2、R4引入正電荷，R1位置引入負(fù)電荷可提高化合物活性。

2.4 CoMSIA模型的等勢(shì)圖分析

CoMSIA模型的等勢(shì)圖詳見圖4（CoMSIA模型的立體場和靜電場分布圖變化趨勢(shì)與CoMFA模型基本一致，故不再重復(fù)分析）。

圖4 CoMSIA模型的等勢(shì)圖Fig 4 Contour plot of CoMSIAmodel

圖4A為氫鍵供體場等勢(shì)圖，藍(lán)綠色表示在此處引入氫鍵供體對(duì)活性有利，紫色區(qū)域表示此處的氫鍵供體對(duì)活性不利；結(jié)合圖2A可知，在R1取代基引入—F和—Cl等質(zhì)子受體可提高化合物的活性。圖4B為氫鍵受體場等勢(shì)圖，品紅色區(qū)域中引入氫鍵受體有利于提高化合物活性，紅色區(qū)域中引入氫鍵受體則會(huì)降低有機(jī)物活性；結(jié)合圖2A可知，R1、R3取代基含有氫鍵受體不利于化合物活性。圖4C為疏水場等勢(shì)圖，黃色區(qū)域表示如引入苯環(huán)、甲基（—CH3）、乙基（—CH2CH3）和甲氧基（—OCH3）等疏水性官能團(tuán)有利于提高化合物活性，灰色區(qū)域表示引入親水性基團(tuán)如羥基（—OH）、羧基（—COOH）等有利于活性的提高化合物活性；結(jié)合圖2A可知，R1和R2取代基引入親水性的基團(tuán)能夠提高化合物的活性，R4取代基上引入疏水性基團(tuán)有利于提高化合物的活性。

2.5 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及活性預(yù)測結(jié)果

通過分析所建模型，并參考文獻(xiàn)[10]中的分子對(duì)接、活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)等情況，對(duì)原有查爾酮化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，以得到預(yù)測活性較高的化合物，詳見表2。其中化合物1在R1上保留位阻較大的甲基哌啶，在R2上引入位阻較小、并帶有親水性的—OH，在R4上引入—Cl以減小位阻，增加基團(tuán)負(fù)電荷；化合物2在R2上引入—CH3，增加正電荷的同時(shí)減小了位阻，在R4上引入—F3以增大疏水性和基團(tuán)的負(fù)電荷。新設(shè)計(jì)的化合物pIC50分別達(dá)到了5.538、5.589（CoMFA法）和5.552、5.628（CoMSIA法）。

表2 2種新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CoMFA和CoMSIA模型預(yù)測活性Tab 2 Design of 2 new structures and predictive activity of CoMFAmodel and CoMSIAmodel

預(yù)測化合物活性明顯增大，表明構(gòu)建模型可以有效預(yù)測活性。

3 結(jié)論

本研究主要通過3D-QSAR對(duì)抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7生長的查爾酮類化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，以探討結(jié)構(gòu)修飾對(duì)化合物活性的影響，為能開發(fā)出活性高、有臨床應(yīng)用價(jià)值的抗腫瘤查爾酮類化合物提供理論基礎(chǔ)。查爾酮類化合物抗腫瘤效果正在被廣泛研究，Reddy MVB等[2]利用化學(xué)方法，合成了不同雜環(huán)取代的查爾酮類衍生物38個(gè)，通過磺酰羅丹明B（SRB）比色法檢測，驗(yàn)證了其所合成的38個(gè)化合物均有不同程度的抑制腫瘤作用。王麗等[14]比較了查爾酮、姜黃素、二苯甲酰甲烷對(duì)胃癌細(xì)胞MGC-803生長抑制及凋亡的作用，發(fā)現(xiàn)低劑量的查爾酮即可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制其增殖，如此避免了其他藥物劑量過高對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生的毒副作用，還可以通過誘導(dǎo)相應(yīng)細(xì)胞形態(tài)、DNA形狀改變，誘導(dǎo)MGC-803、BGC823細(xì)胞的核固縮、核碎裂、DNA“梯狀”現(xiàn)象和凋亡。研究表明，當(dāng)查爾酮B上引入吸電子基團(tuán)強(qiáng)的化合物時(shí)，其抗MCF-7腫瘤活性顯著強(qiáng)于阿霉素[4]。

本研究通過建立預(yù)測能力及可信度較高的CoMFA模型和CoMSIA模型，定量研究了疏水場、靜電場、立體場、氫鍵供體場、氫鍵受體場對(duì)查爾酮化合物抗腫瘤活性的影響。研究結(jié)果表明，R1、R2和R3取代基附近引入親水性基團(tuán)，R4取代基引入疏水性基團(tuán)，R1引入具有一定負(fù)電荷的基團(tuán)，R2和R4引入正電荷基團(tuán)，減少R2上的位阻，可明顯增加查爾酮類化合物的活性。以上結(jié)論均為設(shè)計(jì)具有高活性的查爾酮類化合物提供了理論依據(jù)。在本研究中，筆者根據(jù)預(yù)測結(jié)果設(shè)計(jì)的2個(gè)化合物，活性均較高。后續(xù)正在進(jìn)行合成工作的研究，以期能夠得到抗腫瘤活性較高的查爾酮類化合物。

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3D-QSAR Study on Chalcone Compounds Inhibiting the Growth of Human Breast Tumor Cell MCF-7

WANG Junyu，LIU Xueli，WANG Haitao，YANG Hai（Dept.of Pharmacy，Qingdao Center Hospital，Shandong Qingdao 266042，China）

OBJECTIVE：To provide theoretical basis for R&D of chalcone anti-tumor drugs by studying 3D-QSAR of chalcone compounds inhibiting the growth of human breast tumor cell MCF-7.METHODS：The structure and activity value（pIC50）of 55 chalcone compounds were analyzed.After molecular alignment，comparative molecular field analysis（CoMFA）was used to investigate three dimensional field and electrostatic field，and comparative molecular similarity indices analysis（CoMSIA）was used to investigate steric field，electrostatic field，hydrophobic field，hydrogen bond donor field and hydrogen bond receptor field of chemical compound.Finally，optimal substituent group was confirmed and predicted.RESULTS：CoMFA model showed the effects of steric field and electrostatic field of the compound on its activity；CoMSIA model showed the effects of hydrophobic field，electrostatic field and hydrogen bond acceptor field of the compound on its activity.After molecular alignment，hydrophilic group introduced around R1，R2substituent group of public frame，and the group with negative charge introduced in R1，R4substituent group，steric hindrance of R2substituent group reduced and positive charge introduced in R2and R4，can significantly increase the activity of chalcone compounds.2 new compounds were designed according to above results，pIC50of them were 5.538，5.589（CoMFA model）and 5.552，5.628（CoMSIA method）.CONCLUSIONS：3D-QSAR can accurately analyze the structural character of chalcone compounds inhibiting the growth activity of MCF-7 cells and provide theoretic direction for new drug R&D.

Human breast tumor cells MCF-7；Chalcone compounds；3D-QSAR；CoMFA；CoMSIA；Hydrophilic group；Activity

R914.2

A

1001-0408（2016）34-4787-04

2016-05-09

2016-09-30）

（編輯：劉明偉）

青島中醫(yī)藥科研計(jì)劃（No.2015-zyy026）

＊藥師，碩士。研究方向：藥物結(jié)構(gòu)。電話：0532-84961431。E-mail：86411wjy@163.com

#通信作者：主管藥師，博士研究生。研究方向：藥物結(jié)構(gòu)。電話：0532-84961431

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2016.34.11