靶向膽堿酯酶的抗阿爾茨海默病分子骨架*

關 麗，楊翠倩，銀瑞佳，趙惠茹，勞可靜，李偉澤**

(1.西安醫學院 藥學院，陜西 西安 710021；2.西安醫學院 基礎醫學與轉化研究所陜西省腦疾病防治重點實驗室，陜西 西安 710021)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s diseae,AD)是癡呆的最常見形式，其特征是記憶力和神經功能下降，會干擾日常生活，嚴重導致死亡[1]。根據膽堿能假說，AD與大腦海馬區和皮質區的乙酰膽堿(ACh)下降水平有關[2]。ACh在1936年由科學家Henry Dale和Otto Loewi首次發現并鑒定，作為一種重要的神經遞質，如果缺失會直接影響人體記憶和認知功能[3]。乙酰膽堿酯酶(AChE)可以催化神經遞質ACh水解，在結構上有2個主要結合位點即催化活性位點(CAS)和外周陰離子位點(PAS)，中間由一峽谷相連[4]。此外，丁酰膽堿酯酶(BuChE)作為一種非特異性的膽堿酯酶也可以水解ACh[5]。

截止目前，有4個乙酰膽堿酯酶抑制劑(他克林、多奈哌、利斯的明和加蘭他敏)已經成功在美國食品藥品監督管理局(FDA)上市用于治療AD；同時，大量的膽堿酯酶抑制劑被設計合成用于開發可能的抗AD藥物[6]。其中，對于膽堿酯酶抑制劑的活性評價，常常會同時考察化合物對AChE和BuChE這2種酶的抑制活性。作者綜述了近十年來廣泛報道的八大類膽堿酯酶抑制劑骨架，這些骨架的設計或來源于已上市的藥物如多奈哌齊、他克林、利斯的明、加蘭他敏；或來源于天然產物如黃酮類、香豆素類、咔唑/吲哚類和喹啉類。通過對膽堿酯酶骨架的全面系統介紹旨在為廣大從事藥物化學的科研人員提供一些藥物研發新思路。

1 基于上市藥物的膽堿酯酶抑制劑結構骨架

1.1 多奈哌齊骨架

多奈哌齊的商品名為Aricept，是一種膽堿酯酶抑制劑，用于AD的姑息治療。這種藥物不能治愈AD，但其化學結構可以用于設計和合成各種膽堿酯酶抑制劑。多奈哌齊的分子骨架可分為3個部分A、B、C(見圖1)，被用來設計衍生物。例如，已經根據多奈哌齊的化學結構制備了化合物1～7。在膽堿酯酶抑制劑中，對該系列化合物的分析表明，多奈哌齊衍生物顯示出對AChE中等至良好的抑制活性。例如，以鄰苯二甲酰亞胺為主要成分的化合物1～3的IC50分別為34、0.13和0.067 μmol/L[7]。在另一項研究中，Rampa等報道了多奈哌齊的一些衍生物，其A、B和C部分發生了變化，其中化合物7被認為是最有效的乙酰膽堿酯酶抑制劑(AChEI)，IC50為0.18 μmol/L[8]。此外，隨著多奈哌齊B部分和C部分的變化，化合物4、6和7的IC50分別為0.03、0.05和0.1 μmol/L[9]。總的來說，考慮到多奈哌齊的化學結構，似乎烷基環胺側鏈在抑制AChE活性中起著重要作用。由于這一部分的重要性，已經基于烷基環胺側鏈設計并合成了多種分子[10]。

圖1 基于多奈哌齊骨架的膽堿酯酶抑制劑

1.2 他克林骨架

他克林(Tacrine，商品名為Cognex)可歸入吖啶家族，被認為是一種具有中樞作用的間接膽堿能激動劑，起AChE抑制作用。自2013年以來，由于有關其肝毒性的報道，該藥物已撤市。此外，迄今為止，他克林母核已被用于設計和合成多種具有AChE抑制活性的化合物如8～14(見圖2)。化合物14[11]、8[12]、13[13]和9[14]的活性優于其他化合物，IC50分別為0.253、2.6、2.73和13.0 nmol/L。由于4H-吡喃作為生物活性化合物非常重要，因此人們進行了許多嘗試設計和合成該化合物[15-16]。Fang等報道了一種新設計的他克林衍生物，其中化合物11表現出更好的AChE抑制活性，IC50為0.08 μmol/L[17]。在另一項研究中，Oset-Gasque等人介紹了一類他克林衍生物，含有4H-吡喃和吡唑環，具有抗AChE的活性，其中化合物12被選為活性化合物，IC50為0.17 μmol/L[18]。化合物10由他克林和1,2,3-三唑基序制成，顯示IC50為0.52 μmol/L[19]，此外該化合物有著良好體內抗AD效果。

圖2 基于他克林骨架的膽堿酯酶抑制劑

1.3 利斯的明骨架

利斯的明(Rivastigmine，商品名為Exelon)是一種AChEI，用于治療輕至中度的AD。氨基甲酸酯部分是利斯的明化學結構中的主要官能團，這一結構激發了新型AChEI的設計和合成。一些基于利斯的明骨架設計的化合物見圖3。

圖3 基于利斯的明骨架的膽堿酯酶抑制劑

例如，Shtyrlin等報道了新型有效的含有氨基甲酸酯官能團的AChEI和丁酰膽堿酯酶抑制劑(BuChEI)，其中化合物15作為AChEI活性較好，IC50為0.46 μmol/L[20]。為了進一步測試其抑制劑的安全性，研究者在體內進行了小鼠急性毒性評估。結果表明，化合物的毒性明顯低于陽性對照藥[20]。Malawska等設計合成了新的烷基和芳基氨基甲酸酯衍生物，作為AChEIc(化合物16)=100 μmol/L時抑制率為19.21%[21]。另外，將衍生自利斯的明的苯酚與苯丙胺駢合可以得到帶有氨基甲酸酯部分的新型膽堿酯酶抑制劑；其中17是有效的AChEI(IC50為131 nmol/L)[22]。此外，化合物18為苯氨基甲酸酯衍生物，體外實驗篩選發現其為最有效的AChEI，IC50為7.0 nmol/L[23]。c(化合物19)=100 μmol/L，對AChE的抑制率經測量為(40±5.0)%[24]。化合物20是一種2,3-二氫-1H-苯并[c]氮雜-7-基二甲基氨基甲酸酯，對AChE表現出良好的活性(IC50為14 nmol/L)[25]。從圖3代表的化合物中，分別選擇18和19作為最佳和最差的AChEI。對AChE的活性增加的順序為18>20>17>15>16>19。

1.4 加蘭他敏骨架

加蘭他敏(Galatamine,商品名為Nivalin或Razadyne)為一種天然產物，從高良姜的鱗莖和花中分離，屬于生物堿，也可以通過人工合成的方法生產[26]。該物質是一種很好的AChEI，可作為治療AD和其他一些記憶障礙的輕度至中度藥物。迄今為止，已經設計并合成了許多化合物(見圖4)，這些化合物基于加蘭他敏和其他生物堿樣支架，具有抑制乙酰膽堿酯酶的活性。例如，屬于生物堿家族的雙-(-)-去甲美普他酚21已被合成作為一種新型的納米摩爾膽堿酯酶抑制劑[27]。化合物對小鼠腦的AChE IC50測量值為3.9 nmol/L[28]。(-)-去甲腎上腺素22是另一種生物堿樣化合物，對AChE具有活性，IC50值為201.5 μmol/L[29]。在另一項研究中，Brunhofer等篩選了一個類固醇生物堿Sevedindione 23被評估為有效的BuChEI，對BuChE的IC50為0.27 μmol/L[30]。化合物24是一種分離自柳氏肉瘤的甾體生物堿，能顯著抑制AChE和BuChE活性(AChE IC50為5.2 μmol/L，BuChE IC50為2.49 μmol/L)。在這種生物堿中，芳香族峽谷區域內的疏水相互作用已被確定為酶抑制劑復合物中最重要的穩定因子。此外，對所提出的復合物的分子動力學模擬表明，配體結合并沒有極大地改變酶的結構，但是減輕了峽谷的靈活性[31]。

圖4 基于加蘭他敏骨架的膽堿酯酶抑制劑

2 基于天然產物的膽堿酯酶抑制劑結構骨架

2.1 黃酮類

黃酮(Flavone)由2-苯基色原酮組成，其衍生物為類黃酮。許多重要的生物活性化合物的設計和合成都受到了黃酮的啟發。由黃酮骨架形成的一系列膽堿酯酶抑制劑見圖5。例如，有學者設計，合成并評估了70種7-氨基烷基取代的類黃酮衍生物，并認為是潛在的膽堿酯酶抑制劑。化合物25顯示出對AChE的良好活性，可以作為AChEI的合適候選藥[32]。Tan等在2017年設計并合成了一系列新穎的類黃酮化合物，并在體外測試了該類化合物抑制AChE和BuChE的活性；化合物26表現出比陽性藥更好的AChE抑制活性(IC50為0.87 μmol/L)[33]。此外，一種類油菜素被設計并以高收率合成，其中Gulcin等在2018年報道的化合物27是另一種AChEI，該化合物表現出良好的AChE抑制作用(IC50為0.139 μmol/L)[34]。Deng等于2017年報道了一系列同型異黃酮曼尼希堿衍生物，并將其評估為抗AD的多功能藥物。結果表明，大多數衍生物是具有多功能的選擇性AChEI。化合物28和29是AChEI的代表結構，其IC50值分別為0.85和0.14 μmol/L，據報道，這2種化合物均在體內顯示出改善認知作用[35]。

2.2 香豆素類

香豆素(Coumarine)又被稱為苯并吡喃酮，歸類于α，β-不飽和δ-內酯類，是一種重要的生物活性化合物，存在于許多中草藥中。這類天然產物吸引了化學家和藥理學家的注意，這些化學家設計并合成了許多基于香豆素骨架的潛在有趣生物活性化合物(見圖6)[36]。這類化合物在抗腫瘤、細胞毒性和抗膽堿酯酶方面均有報道。Alipour等合成了一些新穎的7-羥基香豆素衍生物作為AChEI；其中，N-(1-芐基哌啶-4基)乙酰胺衍生物30被選為對抗AChE的有效化合物，IC50為1.6 μmol/L[37]。化合物31是另一種7-取代的香豆素衍生物，結果表明可以抑制AChE的活性(IC50為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評估了抗膽堿酯酶活性。化合物32和33是這類化合物的代表，對AChE的IC50分別為0.71和2.8 μmol/L[39]。數據表明，32是比33更有效的AChEI。34和35也是由7-羥基香豆素制成的ChEI。化合物34和35與其他化合物相比，AChEI活性較強，IC50分別為0.095和0.12 μmol/L[40]。30、31和32也是強力化合物，其結構中帶有烷基胺側鏈。這一事實可以揭示出烷基胺側鏈的重要性以及這些官能團在各種有機化合物和雜環中的使用[41]。

圖6 基于香豆素骨架的膽堿酯酶抑制劑

2.3 咔唑/吲哚類

吲哚(Indol)是一種雙環雜環化合物，從天然產物中分離得到，也可以由多種細菌產生，這個雜環可以調節細菌多樣性生理學。此外，還是氨基酸色氨酸的核心結構。咔唑(Carbazole)是基于吲哚結構的三環雜環化合物，其中第2個苯環在2～3位稠合到吲哚的吡咯環上。這些化合物顯示出廣泛的生物學活性，包括抗AChE治療AD的活性[42]。一些基于具有AChEI活性的吲哚和咔唑衍生物的選定化合物見圖7。Ramsay等評估了含有吲哚基序的化合物36的AChEI活性，結果表明該化合物的IC50為0.81 μmol/L[43]。此外，含咔唑骨架的化合物37顯示出AChEI活性，IC50為3.39 μmol/L[44]。通過將異噁唑啉和咔唑部分結合在一起已經合成了另一類AChEI。例如，化合物39是一種功能強大且有效的AChEI(IC50為0.08 μmol/L)，由吲哚與烷基胺和芳基胺部分的結合制成[45]。此外，化合物40被認為是中等AChEI，IC50為0.19 μmol/L。同樣，帶有吲哚或吲哚生物電子等排體部分的化合物38也顯示出AChE抑制活性，IC50為0.79 μmol/L[46]。

圖7 基于吲哚或咔唑骨架的膽堿酯酶抑制劑

2.4 喹啉類

基于喹啉骨架的膽堿酯酶抑制劑是苯并吡啶的雜環芳香族有機化合物；喹啉由稠合在吡啶環上的苯環組成。Refouvelet及其同事報道了二氫喹啉-3-羧酰胺和二氫喹啉-3-羧酰肼衍生物作為膽堿酯酶抑制劑(見圖8)。在其系列中，化合物41表現出強大的AChE抑制活性，IC50為6 μmol/L[47]。此外，在基于喹啉基序的抗AD的藥物中，42是三唑并嘧啶-喹啉化合物，被稱為AD治療的多功能藥物。該化合物針對AChE抑制活性強，IC50為42 nmol/L。此外，該化合物被認為是對BuChE具有12倍選擇性的最具潛力分子[48]。由Butini等人設計并合成的喹啉樣化合物43是一種有效的AChEI，IC50為29 nmol/L，可為新型抗AD藥物的開發提供思路。

圖8 基于喹啉骨架的膽堿酯酶抑制劑

3 結束語

目前在FDA上市的藥物，有4個均為膽堿酯酶抑制劑，即多奈哌齊、他克林、利斯的明和加蘭他敏。在藥物化學領域，圍繞這4個化合物的骨架開展了大量的膽堿酯酶抑制劑的設計與合成，其中不乏已經進入臨床研究的化合物，如GLN-1062是一種加蘭他敏類似物，目前處于臨床Ⅰ期研究[49]。此外，天然產物作為膽堿酯酶抑制劑骨架也越來越被藥物化學家重視。目前圍繞黃酮類、香豆素類、吲哚/咔唑類以及喹啉類的膽堿酯酶抑制劑研究也取得了一定的進展。由于當前對AD的發病機制尚不清楚，神經遞質乙酰膽堿的缺乏、Aβ的大量沉積、Tau蛋白的過度磷酸化以及氧化應激等都會使得AD患者病情加劇；因此靶向膽堿酯酶兼具多功能抗阿爾茨海默病的藥物成為研究的熱點。八大類靶向膽堿酯酶的骨架分子中，不乏多功能抗AD藥物，這為今后藥物化學家們開發抗AD藥物提供了新思路。