Aβ显像剂2-苯基苯并噻唑衍生物的定量构效关系

王武尚，高 敏，刘伯里

1.西北核技术研究所，陕西 西安 710024；2.西安交通大学 理学院 应用化学系，陕西 西安 710049；3.北京师范大学 化学学院，北京 100875

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是最常见的老年性痴呆病。它是由于大脑细胞退化而导致思维能力逐渐丧失的一种疾病。人类已经进入老龄化社会，随着老年人年龄的增长，AD发病率急剧升高，因此，AD的发病机理和早期无损伤诊断受到人们高度重视。脑中Aβ(β-amyloid)斑块的积聚是AD的病理特征之一[1-2]，所以，Aβ斑块是AD病的一种生物标志物，对AD的早期诊断和病情监测而言，Aβ放射性显像剂具有潜在的应用价值[3]。

刚果红、硫磺素S和硫磺素T是临床AD病理组织学尸检常用的荧光染料，可以作为药效基团进一步设计、筛选更好的Aβ显像剂。文献报道的刚果红类显像剂有柯胺-G(Chrysamine-G)[4]、X-34[5]、[125I]ISB和[125I]IMSB[6]；硫磺素类显像剂有[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]已成功地应用于临床显像AD病人脑中的Aβ斑块。在文献报道的各类Aβ显像剂中，BTA(2-(4′-aminophenyl)benzothiazole，2-(对氨基苯基)苯并噻唑)类似物具有很大的发展潜力。Wang等[14]报道了一系列BTA类化合物对Aβ1-40纤维的亲和性，并指出碘代化合物的亲和性与其脂溶性存在较强的相关性。优良的Aβ显像剂必须具有很高的亲和性，亲和性是筛选Aβ显像剂的必要指标之一。目前，有关Aβ显像剂的文献主要集中在其生物特性研究方面，很少研究生物特性与分子结构之间的定量构效关系。因此，本工作拟以亲和性参数——抑制常数(Ki)为因变量，以分子结构参数为自变量进行定量构效关系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)研究，以便指导开发更优异的Aβ显像剂。

1 计算方法

采用G98W程序在B3LYP水平上对所选Aβ显像剂的分子结构进行优化，N、O、S原子采用6-31G+*基组，I原子采用Lanl2DZ基组，其它原子采用6-31G*基组[15]。从结构优化后的输出文件中得到参数：最高占据轨道能量(EHOMO，1 a.u(原子单位)=4.359 81×10-18J)、最低空轨道能量(ELUMO，a.u)、偶极距(Dp，Deby)；将G98W优化的结构输入HyperChem 7.0软件包[16]中计算出分子氢化能(He)、分子体积(Vm)。抑制常数(Ki)和脂溶性参数(lgP)来自文献[14]。

以Aβ显像剂抑制常数的对数lgKi为因变量，分子结构参数lgP、Vm、He、Dp、EHOMO、ELUMO为自变量进行多元线性回归分析，得到Aβ显像剂生物活性与分子结构的定量构效关系。

2 结果和讨论

2.1 分子结构优化结果的可靠性

以文献[14]报道的28个2-苯基苯并噻唑类衍生物为研究对象，采用G98W程序对其进行了分子结构优化，得到需要的分子结构参数。另外，制备了其中一个化合物2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑的晶体，利用单晶X衍射测定了其晶体结构[17]，表1和表2分别列出了2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑分子结构的键长和键角的测量值和计算值。从表中数据可知，计算值和测量值基本一致，说明分子结构优化的方法正确，优化结果可靠。

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

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

2.2 定量构效关系

优良的Aβ显像剂必须具有高的初始脑摄取、高的Aβ亲和性和低的非特异亲和性。Aβ亲和性是筛选Aβ显像剂的重要指标之一。一般认为，含有给电子基团(-NH2,-NHMe,-NMe2,-OH,-OMe)并且有大共轭体系的化合物具有高的Aβ亲和性，但一些类似的化合物Aβ亲和性较低。对文献[14]报道的28个2-苯基苯并噻唑类Aβ显像剂进行定量构效关系研究。2-苯基苯并噻唑衍生物的分子结构示于图1。生物特性参数和分子结构参数列于表3。

图1 2-苯基苯并噻唑衍生物的分子结构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-苯基苯并噻唑类化合物在其氨基或甲氨基的邻位引入碘原子，可提高其Aβ亲和性，并且其Aβ亲和性随脂溶性的增大而提高。利用其文献数据，以lgKi为因变量、lgP为自变量进行线性回归分析，得到定量构效关系如下：

lgKi=1.843-0.382lgP

(1)

(n=28，r=0.782，s=0.325 2，

F1,26=40.869，Sig=0.000)

以lgKi为因变量，lgP、Vm、He、Dp、EHOMO、ELUMO为自变量进行多元线性回归，采用逐个剔除、逐步回归等方法建立多元线性回归方程如下：

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)

对回归方程的检验包括：方差分析(统计量F检验)、偏回归系数的显著性检验(统计量t检验)和相关系数r。回归方程中各参数的物理意义如下：n，参与回归的化合物的数量；r，相关系数；s，标准偏差；Fdf1,df2，回归自由度df1和剩余自由度df2下的F值，df1等于方程中的变量数，df2=n-df1-1；Sig，F检验的显著性水平；自变量剔除标准为Sig<0.05时自变量保留，Sig>0.1时则自变量剔除。

表3 2-苯基苯并噻唑衍生物定量构效关系研究用参数数据Table 3 Data of parameters of 2-arylbenzothiazole derivaties used in the QSAR analysis

通过统计量F检验和t检验，方程(1)和方程(2)都具有统计学意义。定量构效关系研究表明，lgKi与lgP呈负相关，即化合物的脂溶性越大，其抑制常数越小，Aβ亲和性就越大。方程(1)的相关系数为0.782，方程(2)的相关系数为0.861，说明脂溶性是影响2-苯基苯并噻唑衍生物Aβ亲和性的主要因素，另外，Vm、He、EHOMO等分子结构参数也对Aβ亲和性有影响，所以方程(2)的相关性比方程(1)明显提高。

根据方程(2)计算得到28个2-苯基苯并噻唑衍生物的lgKi值与其lgKi实验值的关系示于图2。由图2可知，计算值与实验值基本吻合，说明得到的定量构效关系可靠，可用于对2-苯基苯并噻唑衍生物Aβ亲和性进行预测。

图2 方程(2)的计算值与实验值的比较Fig.2 Comparison of experimental lg Ki,exp with calculated lg Ki,cal obtained from equation (2)

3 结 论

11C或123I标记的含有给电子基团的2-苯基苯并噻唑衍生物是一类潜在的Aβ显像剂。本工作对其定量构效关系进行了研究，结果表明，Aβ亲和性与化合物的lgP、Vm、lgVm、He和EHOMO呈线性相关，其中脂溶性参数lgP是影响Aβ亲和性的主要因素。得到的定量构效关系可用于对新的类似化合物的Aβ亲和性的预测。

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