喹唑啉衍生物抗胃癌活性的CoMFA模型

2022-05-17冯长君

徐州工程学院学报(自然科学版) 2022年1期

冯长君

(徐州工程学院材料与化学工程学院,江苏徐州 221018)

喹唑啉(Quinazoline)可看做萘环的两个CH被N原子替换(称为萘啶)，化学式C8H6N2，属于杂环化合物.含有喹唑啉(Quinazoline)的化合物通常具有抑制胆碱酯酶、抗惊厥、抗疟、抗炎、抗菌、抗糖尿病、抗高血压和抗肿瘤等多种药理特性[1-3].将三氟甲基引入杂环骨架可以增强化合物的代谢稳定性、生物利用度和抗增殖活性.刘宏民等[4]利用药效团的拼合原理，将三氟甲基基团引入含喹唑啉骨架的分子中，设计、合成了23种新型的含三氟甲基的2,4,6-三取代喹唑啉衍生物，简称“喹唑啉衍生物”，并通过 MTT(3-(4,5)-dimethylthiahiazo (-z-y1)-3,5-di-phenytetrazoliumromide) 法测定其在体外对人胃癌细胞(MGC-803)的抗增殖活性，以“MG”表示，单位为μmol·dm-3.

常用的定量构效关系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)分为二维-定量构效关系(2D-QSAR)[5-8]与三维-定量构效关系(3D-QSAR)[9-13]，后者引入分子的三维构象信息，通常能够获得更优的相关模型.唐自强等[14]基于比较分子力场分析(CoMFA)方法，建立了噻吩并嘧啶衍生物抗胃癌活性的QSAR模型，显示良好的稳定性、拟合性与预测能力.因此，本文根据3D-QSAR方法[9-14]研究喹唑啉衍生物抗胃癌活性(MG)[4]，以揭示影响其抗胃癌活性的三维空间结构因素，并探讨抗胃癌作用的微观机理.

1 数据来源

刘宏民等[4]合成的喹唑啉衍生物分子的基本结构见图1，他们采用MTT法测定的对人胃癌细胞(MGC-803)的抗增殖活性(MG)见表1.通常取MG的负对数用于建模，即

pMG=-lg(MG/mol·dm-3) ，

(1)

pMG越大，其抗增殖活性越强.

图1 喹唑啉衍生物分子的基本结构

表1 喹唑啉衍生物的分子结构与抗增殖活性(pMG)

2 建模方法

使用Tripos公司Sybylx2.1.1分子模拟软件建立喹唑啉衍生物对人胃癌细胞(MGC-803)的抗增殖活性(pMG)的CoMFA模型，各项参数除特别指明外均采用缺省值.

2.1 构建喹唑啉衍生物分子的生物活性构象及分子叠合

以喹唑啉衍生物分子的最低能量构象代替其药效活性构象.23个喹唑啉衍生物分子的初始构象以Sketch molecule模块予以搭建，使用TRIPOS力场获取喹唑啉衍生物分子的最低能量构象，并作为生物活性构象用于分子叠合.

根据随机原则把23个喹唑啉衍生物分子分为2组，其中训练集用于建模，测试集(表1中带“*”号分子)用于验证.以活性最强的16号分子为模板，基于原子契合方式获得训练集、测试集的叠合图如图2所示.

图2 训练集和测试集的叠合图

2.2 建立CoMFA模型的方法

依据训练集中每个叠合分子周围的立体场(Steric，St)及静电场(Electrostatic，El)能为自变量，pMG为因变量建立基于配体的CoMFA模型.其一，当逐一剔除法(Leave-one-out，LOO)的交叉验证系数Q2>0.3的模型，其预测能力具有95%的可信度，所含随机性小于5%[15].其二，通过非交叉验证回归，获得模型的判定系数R2.最后，影响喹唑啉衍生物的pMG[4]是以立体场和静电场的三维等势图直观反映.

3 结果与分析

3.1 训练集的CoMFA模型

在最佳主成分数N=4时，Q2=0.312>0.3，显示较优的稳健性和预测能力.如表1中“pMG.cal”均与相应实验值基本吻合，体现良好的预测能力.R2=0.854>0.8，说明良好的相关性[16]；R2亦称为削减误差比例，因此，该模型揭示了影响喹唑啉衍生物pMG的85.4%，未知因素仅占14.6%.

3.2 CoMFA等势图

CoMFA的立体等势图见图3，体积较大的取代基位于绿色区域，体积小的基团位于黄色区域，均有助于提高化合物的生物活性.CoMFA的静电等势图中的蓝色区域表示引入正电性基团，而红色区域是引入负电性有利于提高生物活性.

图3 CoMFA模型的立体场与静电场等势图

图3(a)为取代基的立体作用分布图，绿色主要分布在远离苯环的3-位置上；2个小黄色区域分布在苯环1,2-位及2,3-位之间.在3号～8号分子中苯环的2-位有取代基，其pMG均较小；且体积越大，pMG越小，如8号分子取代基最大，其pMG=4.395，为最小.对应9号～17号中苯环的3-位有取代基(2-位上无取代基)，其pMG均较大.

图3(b)为化合物周围的静电场分布，在苯环4-位的两边各有个蓝色区域，较远离3-位上有个大红色区域.因此，在3-位上具有近正远负的基团，如—CN、—CF3、—NO2等的pMG较大，分别为5.445、5.252、5.191；而在3-位上具有近负远正的基团，如—CH3、—OCH3等的pMG较小，分别为4.841、4.965.在4-位上连有负电基团，如—F的pMG很小，仅为4.714.

训练集的CoMFA模型给出的立体场和静电场对pMG的贡献分别为62.6%和37.4%，静电作用弱于立体作用.空间位阻及疏水作用隐含于立体场，库仑力、氢键、配位作用对应静电场.因此，喹唑啉衍生物分子对人胃癌细胞(MGC-803)发生抗增殖作用的机理可能是化合物的亲脂疏水性越大，就越容易穿过胃癌细胞膜进入细胞内，在细胞内累积的浓度就越大；在累积的过程中与靶标蛋白形成库仑力、氢键及配位等作用，致使胃癌细胞受到抑制，丧失生长能力而凋亡.

3.3 分子设计

QSAR研究目的之一是根据所建模型中隐含的影响生物活性的主要结构信息进行分子设计.由3.2分析可知，在苯环的3-位上引入大体积、近正电性远负电性的基团，类似于氰基—CN(即直接连接在苯环上的原子带部分正电荷，与此原子相连的原子带部分负电荷)，有利于增强喹唑啉衍生物分子对人胃癌细胞(MGC)的抗增殖活性.据此在分子16基础上设计2个化合物(表1中第24、25号化合物)：24号取代基为—SO3H，25号为—C(CN)3.训练集CoMFA模型给出的pMG预测值依次为：5.239、5.285，虽均小于16号的5.483(预测值)，但与其很接近.对新设计的24、25号化合物有待予以合成，期待在生物医学实验中得到验证.