Aβ顯像劑2-苯基苯并噻唑衍生物的定量構效關系

王武尚，高 敏，劉伯里

1.西北核技術研究所，陜西 西安 710024；2.西安交通大學 理學院 應用化學系，陜西 西安 710049；3.北京師范大學 化學學院，北京 100875

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是最常見的老年性癡呆病。它是由于大腦細胞退化而導致思維能力逐漸喪失的一種疾病。人類已經進入老齡化社會，隨著老年人年齡的增長，AD發病率急劇升高，因此，AD的發病機理和早期無損傷診斷受到人們高度重視。腦中Aβ(β-amyloid)斑塊的積聚是AD的病理特征之一[1-2]，所以，Aβ斑塊是AD病的一種生物標志物，對AD的早期診斷和病情監測而言，Aβ放射性顯像劑具有潛在的應用價值[3]。

剛果紅、硫磺素S和硫磺素T是臨床AD病理組織學尸檢常用的熒光染料，可以作為藥效基團進一步設計、篩選更好的Aβ顯像劑。文獻報道的剛果紅類顯像劑有柯胺-G(Chrysamine-G)[4]、X-34[5]、[125I]ISB和[125I]IMSB[6]；硫磺素類顯像劑有[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]已成功地應用于臨床顯像AD病人腦中的Aβ斑塊。在文獻報道的各類Aβ顯像劑中，BTA(2-(4′-aminophenyl)benzothiazole，2-(對氨基苯基)苯并噻唑)類似物具有很大的發展潛力。Wang等[14]報道了一系列BTA類化合物對Aβ1-40纖維的親和性，并指出碘代化合物的親和性與其脂溶性存在較強的相關性。優良的Aβ顯像劑必須具有很高的親和性，親和性是篩選Aβ顯像劑的必要指標之一。目前，有關Aβ顯像劑的文獻主要集中在其生物特性研究方面，很少研究生物特性與分子結構之間的定量構效關系。因此，本工作擬以親和性參數——抑制常數(Ki)為因變量，以分子結構參數為自變量進行定量構效關系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)研究，以便指導開發更優異的Aβ顯像劑。

1 計算方法

采用G98W程序在B3LYP水平上對所選Aβ顯像劑的分子結構進行優化，N、O、S原子采用6-31G+*基組，I原子采用Lanl2DZ基組，其它原子采用6-31G*基組[15]。從結構優化后的輸出文件中得到參數：最高占據軌道能量(EHOMO，1 a.u(原子單位)=4.359 81×10-18J)、最低空軌道能量(ELUMO，a.u)、偶極距(Dp，Deby)；將G98W優化的結構輸入HyperChem 7.0軟件包[16]中計算出分子氫化能(He)、分子體積(Vm)。抑制常數(Ki)和脂溶性參數(lgP)來自文獻[14]。

以Aβ顯像劑抑制常數的對數lgKi為因變量，分子結構參數lgP、Vm、He、Dp、EHOMO、ELUMO為自變量進行多元線性回歸分析，得到Aβ顯像劑生物活性與分子結構的定量構效關系。

2 結果和討論

2.1 分子結構優化結果的可靠性

以文獻[14]報道的28個2-苯基苯并噻唑類衍生物為研究對象，采用G98W程序對其進行了分子結構優化，得到需要的分子結構參數。另外，制備了其中一個化合物2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑的晶體，利用單晶X衍射測定了其晶體結構[17]，表1和表2分別列出了2-(3′-碘-4′-氨基苯基)苯并噻唑分子結構的鍵長和鍵角的測量值和計算值。從表中數據可知，計算值和測量值基本一致，說明分子結構優化的方法正確，優化結果可靠。

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

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

2.2 定量構效關系

優良的Aβ顯像劑必須具有高的初始腦攝取、高的Aβ親和性和低的非特異親和性。Aβ親和性是篩選Aβ顯像劑的重要指標之一。一般認為，含有給電子基團(-NH2,-NHMe,-NMe2,-OH,-OMe)并且有大共軛體系的化合物具有高的Aβ親和性，但一些類似的化合物Aβ親和性較低。對文獻[14]報道的28個2-苯基苯并噻唑類Aβ顯像劑進行定量構效關系研究。2-苯基苯并噻唑衍生物的分子結構示于圖1。生物特性參數和分子結構參數列于表3。

圖1 2-苯基苯并噻唑衍生物的分子結構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-苯基苯并噻唑類化合物在其氨基或甲氨基的鄰位引入碘原子，可提高其Aβ親和性，并且其Aβ親和性隨脂溶性的增大而提高。利用其文獻數據，以lgKi為因變量、lgP為自變量進行線性回歸分析，得到定量構效關系如下：

lgKi=1.843-0.382lgP

(1)

(n=28，r=0.782，s=0.325 2，

F1,26=40.869，Sig=0.000)

以lgKi為因變量，lgP、Vm、He、Dp、EHOMO、ELUMO為自變量進行多元線性回歸，采用逐個剔除、逐步回歸等方法建立多元線性回歸方程如下：

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)

對回歸方程的檢驗包括：方差分析(統計量F檢驗)、偏回歸系數的顯著性檢驗(統計量t檢驗)和相關系數r。回歸方程中各參數的物理意義如下：n，參與回歸的化合物的數量；r，相關系數；s，標準偏差；Fdf1,df2，回歸自由度df1和剩余自由度df2下的F值，df1等于方程中的變量數，df2=n-df1-1；Sig，F檢驗的顯著性水平；自變量剔除標準為Sig<0.05時自變量保留，Sig>0.1時則自變量剔除。

表3 2-苯基苯并噻唑衍生物定量構效關系研究用參數數據Table 3 Data of parameters of 2-arylbenzothiazole derivaties used in the QSAR analysis

通過統計量F檢驗和t檢驗，方程(1)和方程(2)都具有統計學意義。定量構效關系研究表明，lgKi與lgP呈負相關，即化合物的脂溶性越大，其抑制常數越小，Aβ親和性就越大。方程(1)的相關系數為0.782，方程(2)的相關系數為0.861，說明脂溶性是影響2-苯基苯并噻唑衍生物Aβ親和性的主要因素，另外，Vm、He、EHOMO等分子結構參數也對Aβ親和性有影響，所以方程(2)的相關性比方程(1)明顯提高。

根據方程(2)計算得到28個2-苯基苯并噻唑衍生物的lgKi值與其lgKi實驗值的關系示于圖2。由圖2可知，計算值與實驗值基本吻合，說明得到的定量構效關系可靠，可用于對2-苯基苯并噻唑衍生物Aβ親和性進行預測。

圖2 方程(2)的計算值與實驗值的比較Fig.2 Comparison of experimental lg Ki,exp with calculated lg Ki,cal obtained from equation (2)

3 結 論

11C或123I標記的含有給電子基團的2-苯基苯并噻唑衍生物是一類潛在的Aβ顯像劑。本工作對其定量構效關系進行了研究，結果表明，Aβ親和性與化合物的lgP、Vm、lgVm、He和EHOMO呈線性相關，其中脂溶性參數lgP是影響Aβ親和性的主要因素。得到的定量構效關系可用于對新的類似化合物的Aβ親和性的預測。

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