计算机辅助药物分子设计乙酰胆碱酯酶抑制剂的合成

乙酰胆碱酯酶抑制剂的计算机辅助药物设计
一、立项依据
1.1阿尔茨海默氏病的危害及治疗现状
乙酰胆碱酯酶(AChE)是老年痴呆疾病阿尔茨海默氏病(AD)的一个酶抑制剂作用靶点,AChE催化乙酰胆碱的裂解反应,导致乙酰胆碱的缺失,直接造成神经信号传递失败,引起老年痴呆症[1]。

随着人口老龄化速度的快速增加,AD病人日益增多,已经成为继心血管疾病和肿瘤之后严重威胁老年人生命健康的主要疾病之一。

据预测,我国到21世纪中叶60岁以上的老龄人口将达到4亿左右,并将成为世界上老年人口最多的国家[2]。

抑制乙酰胆碱酯酶的活性可以明显改善和缓解病人的症状,乙酰胆碱酯酶抑制剂是美国FDA唯一允许作为治疗老年痴呆症的药物,且只有4种药物获得FDA 许可,分别为:Tacrine(他克林)、Donepezil(多奈哌齐)、Rivastigmine(利斯的明)、Ga-lantamine (加兰他敏)[3]。

老年痴呆症发病缓慢、持久、呈进行性发展,需长期服药才能见效,上述4种应用于临床的AChE抑制剂大多存在半衰期短、较严重的外周胆碱能系统副作用等缺点,不利于患者长期服用。

1.2乙酰胆碱酯酶抑制剂研究进展
多奈哌齐（Donepezil）是特异的可逆性中枢乙酰胆碱酯酶抑制剂，其具有较强的乙酰胆碱酯酶抑制作用，选择性强，作用时间长[4]。

多奈哌齐作为现阶段效果较好的临床抗 AD 药物。

苏慧，潘见等[5]拟用药效团构建和分子对接的方法设计新型乙酰胆碱酯酶抑制剂，增强其靶点性，简化分子结构，提高其药效。

刘艾林、光红梅等[6]利用AChE 抑制剂需具有疏水性和可离子化氮原子这一特性，通过对具有这种基本结构特性的新型化合物苯戊烯酮衍生物进行 AChE 活性抑制作用检测, 通过应用比较分子力场分析(CoMFA)方法, 研究化合物结构与活性之间存在的规律, 为设计合成具有较高 AChE 抑制活性的化合物和研发新型抗AD药物提供信息。

郅慧、陈兰妹、张琳琳等[7]应用虚拟筛选的方法,在自建的虚
拟化合物库中进行对接搜索,发现并设计了一系列5H-噻唑[3,2-a]并嘧啶类化合物,合成了10个未见文献报道的新化合物,其结构经红外光谱、质谱、核磁共振氢谱和碳谱确证。

1.3本项目的研究意义
近年来,随着分子生物学及计算信息化学等学科的不断发展及交融,计算机辅助药物设计的方法已经在全新药物设计及合理药物设计领域取得了极大进展,尤其是在受体及相应配体的结构信息及作用模式已知的情况下,采用计算机辅助药物设计的方法,设计和发现新先导化合物取得了许多成功的实例[8]。

研宄表明他克林二联体及其类似物分子同时占有催化位点和外周位点两个活性位点,相对他克林而言,在抑制活性和选择性上都有明显地提高,另外还可以起到抑制AP聚集的APP加工的作用。

他克林二联体从分子结构上分析是他克林自身通过亚甲基链与其它结构单元相连,同二联体是单元自身通过亚甲基链相连形成;若是杂合体则是与其他乙酰胆碱酷酶抑制剂药物或是抗AD其他祀点的活性药物相连形成。

一、研究内容及方法
2.1化合物及活性数据
本文研宄的61个他克林派生物AChE抑制剂分子来源于四篇文献且分子活性测定方法一致。

分子是以他克林活性值为标准,进行标准化,活性值IC50转化为PIC50(-loglCSO),作为QSAR建模中的活性参数。

使用Surflex-Dock分子对接获得活性构象,剔除3个不具有正确结构(此3个不正确的分子结构不是伸展的长链分子,且他克林结构不位于CASE,与其它58个分子结构不同)的他克林二联体AC hE抑制剂分子,最终得到58个结构符合要求(研究表明他克林二联体分子为长链伸展分子,且他克林结构位于CAS区,其他活性单位则位于PAS区)的分子。

按照结构和活性均匀分配的原则将58个分子分为训练集(49个)用于模型的建立和测试集(9个)用于检测模型的正确性[9]。

2.2分子三维结构的构建
采用Tripos公司SybylXl1.2软件包，Lirmx操作系统。

采用标准键长和键角使用Sketch Molecule模块构建抑制剂分子初始三维结构，电荷参数为Gaste iger-HUckel,以Powell能量梯度法，在Tripos力场下优化2000次,收敛标准为0.005kcal-mol"1,最终得到各个分子的低能稳定构想。

2.3分子对接和活性构象
分子的活性构象(化合物在体内发生作用时所采取的构象)由AChE晶体结构(PDB ;1 ODC，此晶体中配体分子结构与文中所研究分子结构相似)通过Surflex -Dock对接获得。

靶标蛋白(乙酞胆碱醋酶，AChE)的晶体结构(PDB;lODC)从PDB 数据库(http://www. rcsb. org/pdb/)中获得，导人Syby1X1.2，用biopolyme r菜单中的structureprepare选项对蛋白进行整体分析、错误修正、加氢及修正不完整的残基等处理。

使用晶体结构中的配体生成原型分子，获得对接口袋。

将AChE分子与对接口袋对接，参考分子为晶体中的配体分子，其余参数为默认值。

对接后每个小分子获得20个不同构象，打分最好的构象不一定是最接近活性构象的，因此，要对20个构象进行挑选。

研究发现他克林二联体分子活性构象为长链伸展分子，且他克林部位深人对接口袋的底部，即位于CAS区。

根据此原则对每个分子的20个不同构象进行挑选，其中只有58个分子的构象群中含有符合要求的构象，将其挑选出来并认为是活性构象。

2.4CoMFA和CoMSIA方法
所有分子按照分子对接得到的活性构象叠合，叠合好的分子被放置在一个三维网格中。

计算过程中网格区域应包含所有分子,网格间距为0.2nm默认值)，使用SYBYL中QSAR模块计算CoMFA场。

CoMFA模型分别用Lennard-Jones和Coul omb(常数介电函数)势能函数计算空间场和静电场，场能量由sp，杂化的Cf离子作为探针，使用Tripos力场，立体场和静电场的贡献截断值( cut-off)均为40kca1/mol。

柱滤值(column-$lte-ring)设定为1.0kcal/mol ,滤去能量变化值小于1.0kcal/mol的晶格点。

2.5偏最小二乘法
偏最小二乘(PLS)方法是多元回归方法的延伸，以CoMFA 和CoMSIA 描述符作为自变量，pIC50值作为因变量，用于3 D-QSAR 方法的建模分析。

由PLS 分析产生的最好的3 D-QSAR 模型，根据相关系数(r 2)排列，提交给一个标准内部验证技术即“留一法”交叉验证(L00-CV ) 可得到预测能力的统计指数r 2(q 2)。

三、技术路线图
I
II 乙酰胆碱酯酶抑制剂的分类模型
化合物分子结构计算 分子描述符 相关性分析 建立构效关系模型 ①多元线性回②支持向量机 ③自组织神经模型检验 ①划分训练集和测试集 ②交互检验 ③Y-randomization ④独立的外部测试集
分子对接
参考文献
[1] 李前,朱振霞,孙曼霁.乙酰胆碱酯酶与老年性痴呆关系的研究进展[J].中国老年学杂志,2002,22(4):325-326
[2] 陈科茂.乙酰胆碱酯酶抑制剂药物“激活”老年痴呆症市场[J].中国医药情报,2004,10(6): 支持向量机（SVM ）分类
Y-scrambling 检验 数据的收集和预处理
1.相关性分析和逐步线性回归
描述符的筛选 2.利用 F-score 选择描述符
3.利用 Weka 软件进行描述符选择
化合物分子结构的表征
2. MOE 描述符 符 1.ADRIANA.Code 描述符 结果与讨论
1.模型结果 (1)基于 ADRIANA.Code 描述符的模
(2)基于 MOE 描述符的模型 (3)基于混合描述符的模型
2.对模型的 Y-scrambling 检验
3.模型对外部测试集的预测效
4.描述符分析 (1)分子对接研究 (2)结合分子对接结果对描述符分析
48-50.
[3] 邹磊,全明海.乙酰胆碱酯酶抑制剂的研究进展[J].食品科学,2005,26(增刊):105-108.
[4] 王淑平，史宇翔. 治疗阿尔茨海默病的胆碱酯酶抑制剂的研究进展[J]. 中国药业，2005，14（10）:78- 79.
[5] 苏慧,潘见,甘昌胜等.新型乙酰胆碱酯酶抑制剂的分子对接研究[J].安徽化工，2011,37（3）:26-32
[6] 刘艾林、光红梅、朱莉亚等.新型乙酰胆碱酯酶抑制剂的三维定量构效关系研究[J].中国科学C 辑生命科学,2007,37(5):503-507.
[7] 郅慧、陈兰妹、张琳琳等.新型乙酰胆碱酯酶抑制剂5H-噻唑并[3,2-a]嘧啶类化合物的设计、合成与生物活性研究[J].中国药物化学杂志,2008,18(5):340-349
[8] 盛荣,申艳红,林肖,等.2-苯氧茚酮类乙酰胆碱酯酶抑制剂的3D-QSAR研究[J].中国药物化学杂志,2007,17(6):348-353
[9] 王文鹃,乙酰胆碱酯酶抑制剂的计算机辅助药物设计[D].北京，首都师范大学，2014.。