喹唑啉衍生物抗胃癌活性的CoMFA模型

馮長君

(徐州工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018)

喹唑啉(Quinazoline)可看做萘環(huán)的兩個CH被N原子替換(稱為萘啶)，化學(xué)式C8H6N2，屬于雜環(huán)化合物.含有喹唑啉(Quinazoline)的化合物通常具有抑制膽堿酯酶、抗驚厥、抗瘧、抗炎、抗菌、抗糖尿病、抗高血壓和抗腫瘤等多種藥理特性[1-3].將三氟甲基引入雜環(huán)骨架可以增強(qiáng)化合物的代謝穩(wěn)定性、生物利用度和抗增殖活性.劉宏民等[4]利用藥效團(tuán)的拼合原理，將三氟甲基基團(tuán)引入含喹唑啉骨架的分子中，設(shè)計(jì)、合成了23種新型的含三氟甲基的2,4,6-三取代喹唑啉衍生物，簡稱“喹唑啉衍生物”，并通過 MTT(3-(4,5)-dimethylthiahiazo (-z-y1)-3,5-di-phenytetrazoliumromide) 法測定其在體外對人胃癌細(xì)胞(MGC-803)的抗增殖活性，以“MG”表示，單位為μmol·dm-3.

常用的定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)分為二維-定量構(gòu)效關(guān)系(2D-QSAR)[5-8]與三維-定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)[9-13]，后者引入分子的三維構(gòu)象信息，通常能夠獲得更優(yōu)的相關(guān)模型.唐自強(qiáng)等[14]基于比較分子力場分析(CoMFA)方法，建立了噻吩并嘧啶衍生物抗胃癌活性的QSAR模型，顯示良好的穩(wěn)定性、擬合性與預(yù)測能力.因此，本文根據(jù)3D-QSAR方法[9-14]研究喹唑啉衍生物抗胃癌活性(MG)[4]，以揭示影響其抗胃癌活性的三維空間結(jié)構(gòu)因素，并探討抗胃癌作用的微觀機(jī)理.

1 數(shù)據(jù)來源

劉宏民等[4]合成的喹唑啉衍生物分子的基本結(jié)構(gòu)見圖1，他們采用MTT法測定的對人胃癌細(xì)胞(MGC-803)的抗增殖活性(MG)見表1.通常取MG的負(fù)對數(shù)用于建模，即

pMG=-lg(MG/mol·dm-3) ，

(1)

pMG越大，其抗增殖活性越強(qiáng).

圖1 喹唑啉衍生物分子的基本結(jié)構(gòu)

表1 喹唑啉衍生物的分子結(jié)構(gòu)與抗增殖活性(pMG)

2 建模方法

使用Tripos公司Sybylx2.1.1分子模擬軟件建立喹唑啉衍生物對人胃癌細(xì)胞(MGC-803)的抗增殖活性(pMG)的CoMFA模型，各項(xiàng)參數(shù)除特別指明外均采用缺省值.

2.1 構(gòu)建喹唑啉衍生物分子的生物活性構(gòu)象及分子疊合

以喹唑啉衍生物分子的最低能量構(gòu)象代替其藥效活性構(gòu)象.23個喹唑啉衍生物分子的初始構(gòu)象以Sketch molecule模塊予以搭建，使用TRIPOS力場獲取喹唑啉衍生物分子的最低能量構(gòu)象，并作為生物活性構(gòu)象用于分子疊合.

根據(jù)隨機(jī)原則把23個喹唑啉衍生物分子分為2組，其中訓(xùn)練集用于建模，測試集(表1中帶“*”號分子)用于驗(yàn)證.以活性最強(qiáng)的16號分子為模板，基于原子契合方式獲得訓(xùn)練集、測試集的疊合圖如圖2所示.

圖2 訓(xùn)練集和測試集的疊合圖

2.2 建立CoMFA模型的方法

依據(jù)訓(xùn)練集中每個疊合分子周圍的立體場(Steric，St)及靜電場(Electrostatic，El)能為自變量，pMG為因變量建立基于配體的CoMFA模型.其一，當(dāng)逐一剔除法(Leave-one-out，LOO)的交叉驗(yàn)證系數(shù)Q2>0.3的模型，其預(yù)測能力具有95%的可信度，所含隨機(jī)性小于5%[15].其二，通過非交叉驗(yàn)證回歸，獲得模型的判定系數(shù)R2.最后，影響喹唑啉衍生物的pMG[4]是以立體場和靜電場的三維等勢圖直觀反映.

3 結(jié)果與分析

3.1 訓(xùn)練集的CoMFA模型

在最佳主成分?jǐn)?shù)N=4時，Q2=0.312>0.3，顯示較優(yōu)的穩(wěn)健性和預(yù)測能力.如表1中“pMG.cal”均與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)值基本吻合，體現(xiàn)良好的預(yù)測能力.R2=0.854>0.8，說明良好的相關(guān)性[16]；R2亦稱為削減誤差比例，因此，該模型揭示了影響喹唑啉衍生物pMG的85.4%，未知因素僅占14.6%.

3.2 CoMFA等勢圖

CoMFA的立體等勢圖見圖3，體積較大的取代基位于綠色區(qū)域，體積小的基團(tuán)位于黃色區(qū)域，均有助于提高化合物的生物活性.CoMFA的靜電等勢圖中的藍(lán)色區(qū)域表示引入正電性基團(tuán)，而紅色區(qū)域是引入負(fù)電性有利于提高生物活性.

圖3 CoMFA模型的立體場與靜電場等勢圖

圖3(a)為取代基的立體作用分布圖，綠色主要分布在遠(yuǎn)離苯環(huán)的3-位置上；2個小黃色區(qū)域分布在苯環(huán)1,2-位及2,3-位之間.在3號～8號分子中苯環(huán)的2-位有取代基，其pMG均較?。磺殷w積越大，pMG越小，如8號分子取代基最大，其pMG=4.395，為最小.對應(yīng)9號～17號中苯環(huán)的3-位有取代基(2-位上無取代基)，其pMG均較大.

圖3(b)為化合物周圍的靜電場分布，在苯環(huán)4-位的兩邊各有個藍(lán)色區(qū)域，較遠(yuǎn)離3-位上有個大紅色區(qū)域.因此，在3-位上具有近正遠(yuǎn)負(fù)的基團(tuán)，如—CN、—CF3、—NO2等的pMG較大，分別為5.445、5.252、5.191；而在3-位上具有近負(fù)遠(yuǎn)正的基團(tuán)，如—CH3、—OCH3等的pMG較小，分別為4.841、4.965.在4-位上連有負(fù)電基團(tuán)，如—F的pMG很小，僅為4.714.

訓(xùn)練集的CoMFA模型給出的立體場和靜電場對pMG的貢獻(xiàn)分別為62.6%和37.4%，靜電作用弱于立體作用.空間位阻及疏水作用隱含于立體場，庫侖力、氫鍵、配位作用對應(yīng)靜電場.因此，喹唑啉衍生物分子對人胃癌細(xì)胞(MGC-803)發(fā)生抗增殖作用的機(jī)理可能是化合物的親脂疏水性越大，就越容易穿過胃癌細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)累積的濃度就越大；在累積的過程中與靶標(biāo)蛋白形成庫侖力、氫鍵及配位等作用，致使胃癌細(xì)胞受到抑制，喪失生長能力而凋亡.

3.3 分子設(shè)計(jì)

QSAR研究目的之一是根據(jù)所建模型中隱含的影響生物活性的主要結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分子設(shè)計(jì).由3.2分析可知，在苯環(huán)的3-位上引入大體積、近正電性遠(yuǎn)負(fù)電性的基團(tuán)，類似于氰基—CN(即直接連接在苯環(huán)上的原子帶部分正電荷，與此原子相連的原子帶部分負(fù)電荷)，有利于增強(qiáng)喹唑啉衍生物分子對人胃癌細(xì)胞(MGC)的抗增殖活性.據(jù)此在分子16基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)2個化合物(表1中第24、25號化合物)：24號取代基為—SO3H，25號為—C(CN)3.訓(xùn)練集CoMFA模型給出的pMG預(yù)測值依次為：5.239、5.285，雖均小于16號的5.483(預(yù)測值)，但與其很接近.對新設(shè)計(jì)的24、25號化合物有待予以合成，期待在生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證.

4 結(jié)論

1)采用Sybylx2.1.1分子模擬軟件研究喹唑啉衍生物分子對人胃癌細(xì)胞(MGC-803)的抗增殖活性，訓(xùn)練集pMG的CoMFA模型：N=4，Q2=0.312，R2=0.854，F(xiàn)=21.876.顯示良好的相關(guān)性、穩(wěn)定性與預(yù)測能力.

2)據(jù)CoMFA模型的三維等勢圖及貢獻(xiàn)率可知，影響喹唑啉衍生物分子對人胃癌細(xì)胞(MGC-803)抗增殖活性的主要因素是空間位阻、疏水性作用，其次是庫侖力、氫鍵與配位作用.

3)按照在苯環(huán)的3-位上引入大體積、近正遠(yuǎn)負(fù)(電性)基團(tuán)原則，設(shè)計(jì)2個分子，其pMG與模板分子的pMG非常接近.