靶向胆碱酯酶的抗阿尔茨海默病分子骨架*

关 丽，杨翠倩，银瑞佳，赵惠茹，劳可静，李伟泽**

(1.西安医学院 药学院，陕西 西安 710021；2.西安医学院 基础医学与转化研究所陕西省脑疾病防治重点实验室，陕西 西安 710021)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s diseae,AD)是痴呆的最常见形式，其特征是记忆力和神经功能下降，会干扰日常生活，严重导致死亡[1]。根据胆碱能假说，AD与大脑海马区和皮质区的乙酰胆碱(ACh)下降水平有关[2]。ACh在1936年由科学家Henry Dale和Otto Loewi首次发现并鉴定，作为一种重要的神经递质，如果缺失会直接影响人体记忆和认知功能[3]。乙酰胆碱酯酶(AChE)可以催化神经递质ACh水解，在结构上有2个主要结合位点即催化活性位点(CAS)和外周阴离子位点(PAS)，中间由一峡谷相连[4]。此外，丁酰胆碱酯酶(BuChE)作为一种非特异性的胆碱酯酶也可以水解ACh[5]。

截止目前，有4个乙酰胆碱酯酶抑制剂(他克林、多奈哌、利斯的明和加兰他敏)已经成功在美国食品药品监督管理局(FDA)上市用于治疗AD；同时，大量的胆碱酯酶抑制剂被设计合成用于开发可能的抗AD药物[6]。其中，对于胆碱酯酶抑制剂的活性评价，常常会同时考察化合物对AChE和BuChE这2种酶的抑制活性。作者综述了近十年来广泛报道的八大类胆碱酯酶抑制剂骨架，这些骨架的设计或来源于已上市的药物如多奈哌齐、他克林、利斯的明、加兰他敏；或来源于天然产物如黄酮类、香豆素类、咔唑/吲哚类和喹啉类。通过对胆碱酯酶骨架的全面系统介绍旨在为广大从事药物化学的科研人员提供一些药物研发新思路。

1 基于上市药物的胆碱酯酶抑制剂结构骨架

1.1 多奈哌齐骨架

多奈哌齐的商品名为Aricept，是一种胆碱酯酶抑制剂，用于AD的姑息治疗。这种药物不能治愈AD，但其化学结构可以用于设计和合成各种胆碱酯酶抑制剂。多奈哌齐的分子骨架可分为3个部分A、B、C(见图1)，被用来设计衍生物。例如，已经根据多奈哌齐的化学结构制备了化合物1～7。在胆碱酯酶抑制剂中，对该系列化合物的分析表明，多奈哌齐衍生物显示出对AChE中等至良好的抑制活性。例如，以邻苯二甲酰亚胺为主要成分的化合物1～3的IC50分别为34、0.13和0.067 μmol/L[7]。在另一项研究中，Rampa等报道了多奈哌齐的一些衍生物，其A、B和C部分发生了变化，其中化合物7被认为是最有效的乙酰胆碱酯酶抑制剂(AChEI)，IC50为0.18 μmol/L[8]。此外，随着多奈哌齐B部分和C部分的变化，化合物4、6和7的IC50分别为0.03、0.05和0.1 μmol/L[9]。总的来说，考虑到多奈哌齐的化学结构，似乎烷基环胺侧链在抑制AChE活性中起着重要作用。由于这一部分的重要性，已经基于烷基环胺侧链设计并合成了多种分子[10]。

图1 基于多奈哌齐骨架的胆碱酯酶抑制剂

1.2 他克林骨架

他克林(Tacrine，商品名为Cognex)可归入吖啶家族，被认为是一种具有中枢作用的间接胆碱能激动剂，起AChE抑制作用。自2013年以来，由于有关其肝毒性的报道，该药物已撤市。此外，迄今为止，他克林母核已被用于设计和合成多种具有AChE抑制活性的化合物如8～14(见图2)。化合物14[11]、8[12]、13[13]和9[14]的活性优于其他化合物，IC50分别为0.253、2.6、2.73和13.0 nmol/L。由于4H-吡喃作为生物活性化合物非常重要，因此人们进行了许多尝试设计和合成该化合物[15-16]。Fang等报道了一种新设计的他克林衍生物，其中化合物11表现出更好的AChE抑制活性，IC50为0.08 μmol/L[17]。在另一项研究中，Oset-Gasque等人介绍了一类他克林衍生物，含有4H-吡喃和吡唑环，具有抗AChE的活性，其中化合物12被选为活性化合物，IC50为0.17 μmol/L[18]。化合物10由他克林和1,2,3-三唑基序制成，显示IC50为0.52 μmol/L[19]，此外该化合物有着良好体内抗AD效果。

图2 基于他克林骨架的胆碱酯酶抑制剂

1.3 利斯的明骨架

利斯的明(Rivastigmine，商品名为Exelon)是一种AChEI，用于治疗轻至中度的AD。氨基甲酸酯部分是利斯的明化学结构中的主要官能团，这一结构激发了新型AChEI的设计和合成。一些基于利斯的明骨架设计的化合物见图3。

图3 基于利斯的明骨架的胆碱酯酶抑制剂

例如，Shtyrlin等报道了新型有效的含有氨基甲酸酯官能团的AChEI和丁酰胆碱酯酶抑制剂(BuChEI)，其中化合物15作为AChEI活性较好，IC50为0.46 μmol/L[20]。为了进一步测试其抑制剂的安全性，研究者在体内进行了小鼠急性毒性评估。结果表明，化合物的毒性明显低于阳性对照药[20]。Malawska等设计合成了新的烷基和芳基氨基甲酸酯衍生物，作为AChEIc(化合物16)=100 μmol/L时抑制率为19.21%[21]。另外，将衍生自利斯的明的苯酚与苯丙胺骈合可以得到带有氨基甲酸酯部分的新型胆碱酯酶抑制剂；其中17是有效的AChEI(IC50为131 nmol/L)[22]。此外，化合物18为苯氨基甲酸酯衍生物，体外实验筛选发现其为最有效的AChEI，IC50为7.0 nmol/L[23]。c(化合物19)=100 μmol/L，对AChE的抑制率经测量为(40±5.0)%[24]。化合物20是一种2,3-二氢-1H-苯并[c]氮杂-7-基二甲基氨基甲酸酯，对AChE表现出良好的活性(IC50为14 nmol/L)[25]。从图3代表的化合物中，分别选择18和19作为最佳和最差的AChEI。对AChE的活性增加的顺序为18>20>17>15>16>19。

1.4 加兰他敏骨架

加兰他敏(Galatamine,商品名为Nivalin或Razadyne)为一种天然产物，从高良姜的鳞茎和花中分离，属于生物碱，也可以通过人工合成的方法生产[26]。该物质是一种很好的AChEI，可作为治疗AD和其他一些记忆障碍的轻度至中度药物。迄今为止，已经设计并合成了许多化合物(见图4)，这些化合物基于加兰他敏和其他生物碱样支架，具有抑制乙酰胆碱酯酶的活性。例如，属于生物碱家族的双-(-)-去甲美普他酚21已被合成作为一种新型的纳米摩尔胆碱酯酶抑制剂[27]。化合物对小鼠脑的AChE IC50测量值为3.9 nmol/L[28]。(-)-去甲肾上腺素22是另一种生物碱样化合物，对AChE具有活性，IC50值为201.5 μmol/L[29]。在另一项研究中，Brunhofer等筛选了一个类固醇生物碱Sevedindione 23被评估为有效的BuChEI，对BuChE的IC50为0.27 μmol/L[30]。化合物24是一种分离自柳氏肉瘤的甾体生物碱，能显著抑制AChE和BuChE活性(AChE IC50为5.2 μmol/L，BuChE IC50为2.49 μmol/L)。在这种生物碱中，芳香族峡谷区域内的疏水相互作用已被确定为酶抑制剂复合物中最重要的稳定因子。此外，对所提出的复合物的分子动力学模拟表明，配体结合并没有极大地改变酶的结构，但是减轻了峡谷的灵活性[31]。

图4 基于加兰他敏骨架的胆碱酯酶抑制剂

2 基于天然产物的胆碱酯酶抑制剂结构骨架

2.1 黄酮类

黄酮(Flavone)由2-苯基色原酮组成，其衍生物为类黄酮。许多重要的生物活性化合物的设计和合成都受到了黄酮的启发。由黄酮骨架形成的一系列胆碱酯酶抑制剂见图5。例如，有学者设计，合成并评估了70种7-氨基烷基取代的类黄酮衍生物，并认为是潜在的胆碱酯酶抑制剂。化合物25显示出对AChE的良好活性，可以作为AChEI的合适候选药[32]。Tan等在2017年设计并合成了一系列新颖的类黄酮化合物，并在体外测试了该类化合物抑制AChE和BuChE的活性；化合物26表现出比阳性药更好的AChE抑制活性(IC50为0.87 μmol/L)[33]。此外，一种类油菜素被设计并以高收率合成，其中Gulcin等在2018年报道的化合物27是另一种AChEI，该化合物表现出良好的AChE抑制作用(IC50为0.139 μmol/L)[34]。Deng等于2017年报道了一系列同型异黄酮曼尼希碱衍生物，并将其评估为抗AD的多功能药物。结果表明，大多数衍生物是具有多功能的选择性AChEI。化合物28和29是AChEI的代表结构，其IC50值分别为0.85和0.14 μmol/L，据报道，这2种化合物均在体内显示出改善认知作用[35]。

2.2 香豆素类

香豆素(Coumarine)又被称为苯并吡喃酮，归类于α，β-不饱和δ-内酯类，是一种重要的生物活性化合物，存在于许多中草药中。这类天然产物吸引了化学家和药理学家的注意，这些化学家设计并合成了许多基于香豆素骨架的潜在有趣生物活性化合物(见图6)[36]。这类化合物在抗肿瘤、细胞毒性和抗胆碱酯酶方面均有报道。Alipour等合成了一些新颖的7-羟基香豆素衍生物作为AChEI；其中，N-(1-苄基哌啶-4基)乙酰胺衍生物30被选为对抗AChE的有效化合物，IC50为1.6 μmol/L[37]。化合物31是另一种7-取代的香豆素衍生物，结果表明可以抑制AChE的活性(IC50为1.58 μmol/L)[38]。除了7-取代香豆素外，3-取代的香豆素也被合成并评估了抗胆碱酯酶活性。化合物32和33是这类化合物的代表，对AChE的IC50分别为0.71和2.8 μmol/L[39]。数据表明，32是比33更有效的AChEI。34和35也是由7-羟基香豆素制成的ChEI。化合物34和35与其他化合物相比，AChEI活性较强，IC50分别为0.095和0.12 μmol/L[40]。30、31和32也是强力化合物，其结构中带有烷基胺侧链。这一事实可以揭示出烷基胺侧链的重要性以及这些官能团在各种有机化合物和杂环中的使用[41]。

图6 基于香豆素骨架的胆碱酯酶抑制剂

2.3 咔唑/吲哚类

吲哚(Indol)是一种双环杂环化合物，从天然产物中分离得到，也可以由多种细菌产生，这个杂环可以调节细菌多样性生理学。此外，还是氨基酸色氨酸的核心结构。咔唑(Carbazole)是基于吲哚结构的三环杂环化合物，其中第2个苯环在2～3位稠合到吲哚的吡咯环上。这些化合物显示出广泛的生物学活性，包括抗AChE治疗AD的活性[42]。一些基于具有AChEI活性的吲哚和咔唑衍生物的选定化合物见图7。Ramsay等评估了含有吲哚基序的化合物36的AChEI活性，结果表明该化合物的IC50为0.81 μmol/L[43]。此外，含咔唑骨架的化合物37显示出AChEI活性，IC50为3.39 μmol/L[44]。通过将异噁唑啉和咔唑部分结合在一起已经合成了另一类AChEI。例如，化合物39是一种功能强大且有效的AChEI(IC50为0.08 μmol/L)，由吲哚与烷基胺和芳基胺部分的结合制成[45]。此外，化合物40被认为是中等AChEI，IC50为0.19 μmol/L。同样，带有吲哚或吲哚生物电子等排体部分的化合物38也显示出AChE抑制活性，IC50为0.79 μmol/L[46]。

图7 基于吲哚或咔唑骨架的胆碱酯酶抑制剂

2.4 喹啉类

基于喹啉骨架的胆碱酯酶抑制剂是苯并吡啶的杂环芳香族有机化合物；喹啉由稠合在吡啶环上的苯环组成。Refouvelet及其同事报道了二氢喹啉-3-羧酰胺和二氢喹啉-3-羧酰肼衍生物作为胆碱酯酶抑制剂(见图8)。在其系列中，化合物41表现出强大的AChE抑制活性，IC50为6 μmol/L[47]。此外，在基于喹啉基序的抗AD的药物中，42是三唑并嘧啶-喹啉化合物，被称为AD治疗的多功能药物。该化合物针对AChE抑制活性强，IC50为42 nmol/L。此外，该化合物被认为是对BuChE具有12倍选择性的最具潜力分子[48]。由Butini等人设计并合成的喹啉样化合物43是一种有效的AChEI，IC50为29 nmol/L，可为新型抗AD药物的开发提供思路。

图8 基于喹啉骨架的胆碱酯酶抑制剂

3 结束语

目前在FDA上市的药物，有4个均为胆碱酯酶抑制剂，即多奈哌齐、他克林、利斯的明和加兰他敏。在药物化学领域，围绕这4个化合物的骨架开展了大量的胆碱酯酶抑制剂的设计与合成，其中不乏已经进入临床研究的化合物，如GLN-1062是一种加兰他敏类似物，目前处于临床Ⅰ期研究[49]。此外，天然产物作为胆碱酯酶抑制剂骨架也越来越被药物化学家重视。目前围绕黄酮类、香豆素类、吲哚/咔唑类以及喹啉类的胆碱酯酶抑制剂研究也取得了一定的进展。由于当前对AD的发病机制尚不清楚，神经递质乙酰胆碱的缺乏、Aβ的大量沉积、Tau蛋白的过度磷酸化以及氧化应激等都会使得AD患者病情加剧；因此靶向胆碱酯酶兼具多功能抗阿尔茨海默病的药物成为研究的热点。八大类靶向胆碱酯酶的骨架分子中，不乏多功能抗AD药物，这为今后药物化学家们开发抗AD药物提供了新思路。