三氮唑类α-葡萄糖苷酶抑制剂研究进展

张子沛，薛婉莹，熊德彩，吴艳芬

(北京大学医学部药学院，北京 100191)

α-葡萄糖苷酶抑制剂(AGIs)是一类重要的口服类2型糖尿病用药，其通过抑制位于小肠黏膜细胞表面刷状缘微绒毛上的α-葡萄糖苷酶活性，降低餐后血糖水平[1]。α-葡萄糖苷酶抑制剂与α-葡萄糖苷酶上的活性位点结合，竞争性地抑制底物与酶活性位点接触。AGIs-糖苷酶复合物之间的亲和力常常强于糖底物-糖苷酶复合物。因此，AGIs可以显著抑制α-葡萄糖苷酶活性，减少摄入体内的淀粉降解为葡萄糖，进而直接降低餐后血糖水平[2]。α-葡萄糖苷酶抑制剂的优势是作用机制独特，可用于单独用药、联合用药，并且不会出现低血糖等副作用[3]。但目前已上市的AGIs药物仅4种：阿卡波糖、伏格列波糖、米格列醇和乙格列酯[4]。三氮唑是药物化学研究中重要的结构单元，常见于许多药物分子和活性分子中，是药物化学中快速偶联和结构修饰的有效策略[5]。由于氮原子的强偶极矩，三氮唑可以积极地参与氢键形成、偶极-偶极相互作用和范德华力等多种非共价键作用。此外，三氮唑类化合物对水解、氧化、还原等条件都有很好的耐受性[6]。因此，三氮唑类化合物在α-葡萄糖苷酶抑制剂的研究中引起了广泛的关注。近年来，药物化学家对三氮唑类化合物在α-葡萄糖苷酶抑制剂领域的应用进行了系统深入地研究，得到了许多具有良好α-葡萄糖苷酶抑制活性的化合物。本文将重点介绍近年来，三氮唑类化合物在α-葡萄糖苷酶抑制剂领域的研究，并对其构效关系进行总结。根据其核心结构不同，可将其分为三种类型：糖-1,2,3-三氮唑杂合体，芳基-1,2,3-三氮唑杂合体和1,2,4-三氮唑衍生物。

1 糖-1,2,3-三氮唑杂合体

糖骨架和三氮唑结构融合在糖苷酶抑制剂研究中有很多相关报道。Perion等[7]构建了一系列1,4,5-三取代的1,2,3-三氮唑化合物，其中三氮唑一位和α-甲苷-6-脱氧-D-葡萄糖四位碳偶联的化合物1表现出对酵母α-葡萄糖苷酶最好的抑制活性(IC50=73 μmol·L-1)，是阳性对照阿卡波糖的两倍(IC50=148 μmol·L-1)。而化合物2的6-脱氧葡萄糖一位替换为β-甲苷时，抑制活性消失。通过延长糖链或在三氮唑四位羟甲基上进行糖基化修饰的其他化合物均没有表现出对α-葡萄糖苷酶的抑制活性。Zhou等[8]将5-芳基-1,2,3-三氮唑和氮杂糖1-野尻霉素杂合合成了3个不同长度连接臂的化合物3。活性评价结果显示，抑制活性随链长增长而增强，相隔8个碳原子的化合物表现出最强的抑制活性(IC50=1.15 μmol·L-1)，活性强于三氮唑修饰前的野尻霉素。而不含氮杂糖结构的1,2,3-三氮唑-甲氧基苯杂合体对α-葡萄糖苷酶没有抑制活性。Ferreira等[6]合成了一系列4-取代的糖-1,2,3-三氮唑化合物，其中1-环己烯基取代的核糖-三氮唑杂合物4对酵母麦芽糖酶表现出最好的抑制活性(IC50=3.8 μmol·L-1)，强于阿卡波糖25倍。当化合物四位是其他取代基团，如苯基、苯氧甲基、乙酯基和1-环己醇基也表现出较好的抑制活性(IC50分别为14.9，5.7，15.1，5.2 μmol·L-1)。研究也发现其他糖型衍生物，如D-木糖、D-半乳糖、D-阿洛糖等抑制活性低于D-核糖衍生物4。在以酵母麦芽糖酶为模型的分子对接研究中，其结合模式和过渡态模拟理论一致。进一步的，作者通过小鼠模型验证了这系列化合物体内的降糖效果，可能为新型的降糖药提供潜在的化学结构。在后续的工作中[9]，Ferreira在这一系列化合物糖环的三位引入苯基，得到了一系列新的1,2,3-三氮唑糖衍生物5，其中只有1-环乙烯基取代(IC50=247.4 μmol·L-1)和苯基取代(IC50=119.5 μmol·L-1)的化合物表现出与阿卡波糖相当的抑制活性，而其他基团取代的化合物均未表现出明显的抑制活性。这类化合物的抑制活性较未引入苯基时有一定幅度的减弱，因此在糖环上引入苯基并非成功的修饰策略。Ajish等[10]通过钯催化和click反应合成了一系列亚烷基环戊烯糖-1,2,3-三氮唑杂合体，在活性评价中，半乳糖杂合体6表现出对α-葡萄糖苷酶最好的抑制活性(IC50=0.075 μmol·L-1)。其他糖型的化合物如葡萄糖、甘露糖型杂合体则只表现出中等或较差的抑制活性。另外，与亚烷基相连的环己基也是优势基团，当替换为二苯甲基时，抑制活性明显降低。Thakur等[11]通过铜催化的Click反应合成了一类含有双碱(嘧啶和1,2,3-三氮唑)和糖的核苷类似物。在这一系列的化合物中，化合物7表现出最好的抑制活性，在10 μmoL·L-1的浓度下对α-葡萄糖苷酶的抑制率达到47.4%。构效关系显示，对于这类化合物，脱除糖环上的乙酰基的化合物活性高于乙酰基保护的化合物。葡萄糖型的化合物活性高于其他糖型，如半乳糖、甘露糖、呋喃糖。另外，在嘧啶两个氮原子上都引入三氮唑-糖支链得到的化合物，如8抑制活性也较弱。Zamoner等[12]以1,2,3-三氮唑作为连接臂，将糖和氮杂糖偶联成伪二糖。这类化合物中，化合物9表现出最好的抑制活性，但大部分偶联的伪二糖抑制活性都不理想，甚至没有明显的抑制活性。化合物抑制活性和三氮唑与糖环的连接位置有关，此外，当氮杂糖环扩大为七元环或环上没有羟甲基时活性明显减弱。分子对接研究发现这些伪二糖氮杂糖保留了一部分典型的氮杂糖类化合物和酶之间的结合模式，三氮唑基团通过与酶Phe-444之间产生疏水作用增加亲和力。Chavan等[13]设计了一类螺环氮杂糖-1,2,3-三氮唑杂合体10和11，两者均表现出较好的抑制活性(IC50= 0.075 μmol·L-1和0.036 μmol·L-1，羟甲基有利于提高抑制活性。在氮杂位进行烷基化修饰，如乙基、正丁基等，都可以明显提高其抑制活性。但相对化合物10和11来说，取代后的化合物对酶的抑制选择性下降(即对其他不同类型的糖苷酶的抑制活性也提高，如β-葡萄糖苷酶、α-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶和α-甘露糖苷酶等)。Shinde等[14]合成了一类含有二茂铁的噻唑烷二酮糖-1,2,3-三氮唑化合物，这是将无机金属元素引入糖苷酶抑制剂研究领域的有益尝试。其中，糖环三位为苄基取代的化合物12表现出较好的α-葡萄糖苷酶抑制活性(IC50=0.85 mg·mL-1)，而裸露的羟基或者乙酰基、苯甲酰基等其他基团取代时，抑制活性消失。Santhanam等[15]设计了一类并环结构的1,2,3-三氮唑-五元环氮杂糖杂合物，通过内酰胺键形成三个并环。其中化合物13对酵母α-葡萄糖苷酶较好的抑制活性(IC50=112 μmol·L-1)。当在化合物13的三氮唑四位引入羟甲基，活性消失。其活性也与氮杂糖环上羟甲基的立体构型密切相关，与化合物13羟甲基的构型翻转的化合物14不能表现出明显的抑制活性。分子对接研究进一步揭示了这类分子中内酰胺羰基氧可以与酶Asp-212形成氢键，对于抑制活性非常重要。化合物1～14的化学结构式见图1。

2 芳基-1,2,3-三氮唑杂合体

近年来，一些不含糖类或类糖结构的芳基-1,2,3-三氮唑杂合体在α-葡萄糖苷酶抑制剂的研究中表现出较好的活性。Chinthala等[16]合成了一系列噻唑烷二酮-1,2,3-三氮唑杂合体衍生物，其中对异丙基和邻硝基取代的化合物15和苯乙基取代的化合物16表现出最好的抑制活性(IC50=0.1、0.3、0.3 μg·mL-1)。Gonzaga等[17]参照糖-1,2,3-三氮唑型抑制剂，设计合成了一系列1-苯、2-苯取代的4-取代1,2,3-三氮唑衍生物17和18，对苯环的取代基和4取代的基团进行了系统的研究。对氟代苯基的化合物，2-取代的化合物18活性略高于1-取代的化合物17。对于R2基团，醛基、亚胺、苯腙和肟等取代基有利于提高抑制活性。此后，1,4-双取代的芳基-1,2,3-三氮唑杂合体作为α-葡萄糖苷酶抑制剂引起了广泛的研究兴趣。Jabeen等[18]通过一价铜催化的click反应构建了一系列1,4-双取代的1,2,3-三氮唑，其中1-环己醇取代的化合物19表现出最好的抑制活性(IC50=49.7 μmol·L-1)。在苯环区域，2′-氯原子，2′-乙酰基， 3′-甲氧基，4′-硝基等单取代化合物已知活性均低于2′-氰基和4′-硝基双取代化合物。另外，三氮唑四位基团换为苯基时，活性也大幅降低。通过分子对接研究发现，这类化合物与酶的结合模式主要为氢键和疏水作用。Wang等[19]合成了一系列新型的2,4,5-三芳基咪唑-1,2,3-三氮唑杂合体，其中邻溴代苯基和2-氧乙基取代的化合物20表现出最好的抑制活性(IC50=15.16 μmol·L-1)。3-溴苯基是这类化合物的最优取代基团，如果将3-溴苯基替换为氟代苯基、氯代苯基、甲氧基苯基或者噻吩环都会导致活性降低。分子对接研究揭示了化合物20的乙氧基苯基在酶口袋的底部通过范德瓦尔斯力紧密结合，而在酶口袋顶部的三苯基咪唑则贡献较弱的结合力。Wang等[20]也合成了一系列三嗪-三氮唑衍生物，并评价了其α-葡萄糖苷酶抑制活性。其中，含有2.5-二氯苯基取代的化合物21表现出最好的抑制活性(IC50=37.44 μmol·L-1)。这类化合物中，在苯环上引入给电子基团如甲基、甲氧基、乙氧基等，相较于未取代的苯环活性略微提高，但邻位甲基取代例外。Gong等[21]合成了一系列苯并噻唑-1,2,3-三氮唑杂合体22，其中R为对位叔丁基的化合物表现出最强的抑制活性(IC50=20.7 μmol·L-1)。这类化合物中，在苯环的对位引入吸电子基团，活性明显提高，而在邻位引入吸电子基团则会使活性下降。此外，将苯并噻唑环上的氯原子换成氢原子也会使活性略微减弱。分子对接的研究发现，苯并噻唑基团位于疏水口袋，被Phe-157,Phe-310 和 Phe-311残基包围，4-叔丁基苯基部分与Phe-157,Phe-177 和 Phe-300形成了稳定的疏水结合。Iqbal等[22]设计并合成了一类咔唑-三氮唑杂合体衍生物23，研究苯环上取代基团对抑制活性的影响。其中，3′-溴、4′-羟基双取代的化合物表现出最好的抑制活性(IC50=1.0 μmol·L-1)。当将苯环换为3-吡啶基时，活性进一步提高，达到0.8 μmol·L-1。Avula等[23]设计并合成了一系列1,4-双取代的芳基-1,2,3-三氮唑杂合体24，首先对四位苯基上的取代基团进行研究，发现三氟甲基、氟原子取代都有较好的活性。随后，以三氟甲基取代的化合物24为底物合成一系列芳基取代的化合物25。其中，当Ar为对甲氧基苯基时，化合物表现出最好的抑制活性(IC50=14.2 μmol·L-1)。构效关系显示，在苯环对位引入甲氧基、硝基和三氟甲基等可以提高抑制活性，或与氢键形成有关。Saeedi等[24]融合前人工作的优势骨架，设计合成了一类新颖的喹唑啉酮-1,2,3-三氮唑杂合体26，对苯环上取代基团R1和R2进行构效关系的探究。构效关系显示，苯环上取代基团R1为氢原子或甲氧基时，活性差异不大，甲氧基取代的活性略低于不取代的化合物。苯环上取代基团R2为对位取代的溴原子时，抑制活性最高(IC50=181.0 μmol·L-1)。分子对接结果显示喹唑啉酮部分和His-279之间形成氢键和π-π相互作用，苯基和硫原子与Arg-312相互作用，三氮唑环和Pro-309之间则存在疏水作用。化合物15～26的合学结构式见图2。

图1 糖-1,2,3-三氮唑杂合体

3 1,2,4-三氮唑衍生物

1,2,4-三氮唑结构在α-葡萄糖苷酶抑制剂的研究也有很多应用。Balba等[25]合成了4,5-二苯基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇27和4-苯基-5-(2-羟基苯基)-1,2,4-三氮唑-3-硫醇28，化合物27可竞争性抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶(兔肝脏来源)，具有很好的亲和力，Ki值达到10-5数量级。与此同时，化合物28对α-淀粉酶并不表现出抑制活性，但对α-葡萄糖苷酶是一种与化合物27活性水平相当的竞争性抑制剂，其Ki值也达到10-5数量级。Bekircan等[26]设计合成了一类1,2,5-三取代的1,2,4-三氮唑衍生物，化合物29表现出最好的α-葡萄糖苷酶抑制活性(IC50=4.36 μmol·L-1)。将与哌嗪相连的甲基换成苯基，抑制活性略微下降。Aziz等[27]构建了一系列哌啶-1,2,4-三氮唑杂合体30和31，在三氮唑三位引入不同的烷基或芳基进行修饰。在化合物30中，优势取代基有异丙基和仲戊基，抑制活性高于乙基、正丙基、正丁基、正戊基等基团。在化合物31中，优势取代基有对甲苯基、邻乙苯基、对乙苯基和对乙氧苯基。分子对接研究解释了这类化合物与酶之间通过氢键、π-π、π-阳离子相互作用。其中磺酰基氧原子和Lys-422之间形成很强的氢键作用。Mermer等[28]合成了一系列含有哌嗪的1,2,4-三氮唑衍生物，并对其进行了α-葡萄糖苷酶抑制活性评价。化合物32表现出最好的抑制活性(IC50=64.56 μmol·L-1)，将硫原子连接部分的羟基变为羰基或在其上引入芳基化修饰，活性均下降。此外，硫原子连接部分的苯环上2′-氯原子也会提高抑制活性。三氮唑四位的苯基变为苄基，抑制活性消失。Channar等[29]合成了一系列噻唑并1,2,4-三氮唑杂合物，其中间硝基苯基和间甲苯基取代的化合物33对α-淀粉酶表现出最好的抑制活性(IC50=1.1 μmol·g-1)。构效关系研究显示，噻唑环相连的苯环上，间位取代的硝基增加了电子分布，有利于提高活性。与三氮唑环相连的苯环上的卤素原子对提高α-葡萄糖苷酶抑制活性有利。Pillai等[30]合成了两种新型结构的席夫碱-1,2,4-三氮唑杂合体34和35，其分别对α-葡萄糖苷酶36.76和43.38 μmol·L-1的半抑制浓度。苯对位为甲氧基的化合物活性略高于二甲氨基取代的化合物。化合物27～35的化学结构式见图3。

图2 芳基-1,2,3-三氮唑杂合体

图3 1,2,4-三氮唑衍生物

4 结语

本文对截至2019年5月前三氮唑类α-葡萄糖苷酶抑制剂的研究进展和构效关系进行了综述。可以看出，三氮唑作为药物化学研究中一种重要的结构单元，以糖-1,2,3-三氮唑杂合体、芳基-1,2,3-三氮唑杂合体和1,2,4-三氮唑衍生物这三类形式，在α-葡萄糖苷酶抑制剂的研究领域中发展了许多具有良好抑制活性的抑制剂。这些研究为进一步探究与α-葡萄糖苷酶相关的生理过程提供了分子工具，同时也可能成为下一代新型降糖药的候选分子。我们相信，以三氮唑为骨架进行结构修饰改造有望得到更多新的高效安全的α-葡萄糖苷酶抑制剂。