新型HIV-1非核苷类逆转录酶抑制剂的设计、合成和活性研究

【摘要】艾滋病(AIDS)是当今世界严重威胁人类生命健康的传染性疾病,其病原体为人类免疫缺陷病毒(HIV),其中RNA逆转录病毒HIV-1是致病主要的病毒亚型。而HIV-1逆转录酶(reversetranscriptase,RT)在该病毒的复制周期中具有关键性的作用,使其成为抗HIV-1药物研发的重要靶点。作用于RT的抑制剂主要分为核苷类逆转录酶抑制剂(NucleosideReverseTranscriptaseInhibitors,NRTIs)和非核苷类逆转录酶抑制剂(NNRTIs)。其中,NNRTIs由于其活性高、选择性强、毒性低等诸多优点,是目前治疗艾滋病高效抗逆转录病毒疗法(HAART)重要组成部分。但是NNRTIs在临床治疗出现的耐药性、毒副作用以及药代动力学性质差的问题在一定程度上限制了其临床应用。因此,研发新型高效低毒、广谱抗耐药以及具有良好药代动力学性质的新型NNRTI是目前抗艾滋病药物研究的重要方向之一。本论文第一部分研究将选取对HIV-1病毒具有高效抗耐药性NNRTIs—二芳基嘧啶类(Diarylpyridine,DAPY)上市药物TMC125(Etrivirine)和3-碘基-4-苯氧基吡啶酮类(3-iodo-4-phenoxy-2-pyridinones,IOPY)衍生物R221239为先导,基于两者结合模式和药效基团的类似性,根据它们与RT结合的晶体复合物分子叠合结果,运用分子杂合的药物设计策略,将两类抑制剂的优势结构片段进行合理组合,设计了一类新型DAPY-IOPY杂合体:NNRTIs:(1)以IOPY类衍生物的2-吡啶酮为母核,以保持其与K101和K103氨基酸残基骨架的氢键作用,同时在2-吡啶酮3位上引入卤素,以与V179和Y188形成静电作用；(2)将DAPY类化合物右翼的苯胺基团迁移到吡啶酮6位,并在芳环对位引入不同的取代基,考察其对活性的影响；(3)将DAPY类化合物的优势取代基—2,4,6-三取代苯氧基和IOPY类化合物的优势取代基—3,5-二甲基苯氧基分别迁移2-吡啶酮的4位。由此设计了一系列3-卤代-4-苯氧基-6-苯胺基-1H-2-吡啶酮衍生物(SeriesIA)。同时,对SeriesIA化合物右翼芳环与中心杂环之间的NH接基团以CH2取代,设计了第二系列DAPY-IOPY杂合体衍生物—3-碘-4-苯氧基-6-苄基-1H-2-吡啶酮衍生物(SeriesIB)。经过定向合成我们得到了两个系列31个目标化合物,活性结果显示,大部分SeriesIA化合物对野生型HIV-1(ⅢB)毒株表现出亚微摩尔到微摩尔水平的活性,其中活性最好的化合物IA-7d对野生型HIV-1IIIB毒株的EC5o值为0.15μM,优于DLV(EC50=0.91μM)、ddC(EC50=1.39μM)和NVP(EC50=0.113DAPY-IOPY杂合衍生物SeriesIA的构效关系研究显示：(1)2-吡啶酮母环对保持活性非常重要,以2-氯吡啶或2-甲氧基吡啶取代吡啶酮环活性降低,在吡啶酮3位上引入卤素活性下降,3位取代基对活性的贡献顺序为H>I>Br/Cl;(2)两翼取代基的SAR特征同DAPY类化合物一致,与IOPY类化合物不同：右翼芳环上活性最高的取代基为CN,左翼芳环的最优取代基为TMC125的活性取代基—4-氰基-2,6-二甲基,但被R221239的优势取代基—3,5-二甲基取代时化合物活性完全丧失。与SeriesIA不同,SeriesIB化合物表现出与IOPY类衍生物类似的构效关系。尤其左翼芳环为3,5-二甲基取代的化合物IB-7a(EC50＝0.22μM),不仅其抗HIV-ⅢB活性高于2,4,6-三甲基取代的化合物IB-7b(EC50＝0.32μM),而且对RES056(K103N+Y181C)双突变严重耐药毒株也具有较好的活性(EC50=1.71μM)。我们对DAPY-IOPY杂合体衍生物SeriesIA和SeriesIB代表性化合物进行了分子对接研究,结果发现SeriesIANNRTIs衍生物与RT的结合模式更加类似于TMC125,而SeriesIB杂合体NNRTIs与RT的结合模式基本与R221239相一致,与构效关系研究的结论相互印证。我们对DAPY-IOPY杂合体NNRTIs体外抗HIV-1ⅢB活性最好的4个化合物,进行了进一步的活性研究。在脐带血单个核细胞系(cordbloodmononuclearcells,CBMC)的抗HIV-1活性测试表明,IA-7d、IA-7c、IB-7a和IB-7b对病人体内分离的原始R5毒株和R4毒株的活性处于亚微摩尔级；ELISA双抗夹心法抗HIV-1逆转录酶活性测试显示,化合物IA-7d和IA-7c对RT的抑制活性分别为5.2μM和39μM；定量PCR分析MT-4细胞单轮感染HIV-1NL4-3毒株后细胞内病毒总DNA含量表明,化合物IA-7d、IA-7c、IB-7a或IB-7b浓度为10μM时,对病毒逆转录晚期DNA产物的抑制率达99.2%,88.6%,98.3%和97.5%,验证了本研究所设计DAPY-IOPY杂合化合物的通过抑制RT逆转录过程而发挥抗HIV-1活性。本论文第二部分研究根据DAPY类化合物与NNIBP晶体结构的解析和分子对接模拟研究,在对NNIBP中可容纳区域Ⅰ和可容纳区域Ⅱ两个结构修饰有利位点的契合适配性分析基础上,通过在吡啶类DAPY衍生物的右翼芳环和中心毗啶环之间插入哌啶胺极性基团,并在右翼末端芳环上引入-SONH2等极性基团,以开发与NNIBP中可容纳区域Ⅰ周围氨基酸残基的氢键作用力,并改善药物溶解度,设计了一系列具有哌啶胺柔性侧链的吡啶类DAPY衍生物(SeriesIIA)。同时,本研究在嘧啶和吡啶类DAPY衍生物的中心杂环和右翼芳环上位于NNIBP可容纳区域Ⅰ和可容纳区域Ⅰ的位置,引入水溶性较高的吗啉或哌嗪基团,设计了第二系列吗啉和哌嗪基团修饰的吡啶和嘧啶类DAPY衍生物(SeriesIIB),并分别用分子对接研究验证了SeriesIIA和SeriesIIB化合物设计的合理性。对定向合成得到的两个系列29个化合物的体外抗HIV-1病毒活性测试结构表明,化合物IIA-8c2,IIA-8c3,IIA-8c4和IIA-8b3抑制HIV-1NL4-3毒株的ECso值分别为0.1rM、0.05nM、0.8nM和0.3nM(SI=20349-242800);对HIV-ⅢB野生毒株的活性分别为9.1nM、7.4nM、9.3nM和7.8nM(SI=168-1283),远远好于上市药物NVP、3TC与DLV(EC50=0.29μM,3.1μM,0.61μM),并与上市药物ETV、AZT和EFV的活性(EC50=7.0nM,6.8nM,9.5nM)相当。此外,化合物IIA-8b2、ⅡA-8b3对具有严重耐药性的RES056(K103N+Y181C)毒株也表现出一定的活性(EC50=6.2μM,6.8μM)。SeriesIIA衍生物的构效关系研究表明,左翼苯环上取代基R1对活性的贡献顺序为4-CN-2,6-二甲基>2,4,6-三甲基；吡啶环6位取代基R3对活性的贡献顺序为C1>OCH3;右翼哌啶胺基团N1位取代基R2对活性的贡献顺序为4-S02NH2-苯基>4-SO2Me-苯基>吡啶-4-基>4-CONH2-苯基>苯基>环丙基或环丁基。SeriesⅡB化合物的抗病毒活性结果表明,在NNIBP的可容纳区域Ⅰ和Ⅱ引入水溶性较好的吗啉或者哌嗪基团,基本上可以保持先导化合物原有的活性。该系列活性最好的化合物IIB-8b抑制HIV-1NL4-3毒株的EC5o值为9.1nM(SI=2596),同时有望具有改善的药代动力学性质。本论文第三部分工作是在本课题组前期N2,N4-双取代-吡咯[1,2-b][1,2,4,6]噻三嗪-1,1,3-三酮衍生物(PTTDs)研究的基础上,进一步探讨该类化合物N2位上多样性取代基引入对构效关系的影响(SeiresⅢ)。本研究尝试对PTTD类化合物合成采用了新的合成路线,阐明了其可能的反应机制。对所合成PTTD类目标化合物进行了体外抗HIV活性试验。结果表明化合物ⅢB-10a10具有抗野生型HIV-1毒株的活性,其N2位的3,5-二甲基丙烯基为已报道的多种活性NNRTI分子结构中的普遍存在的优势基团。分子对接研究显示,ⅢB-10a10N2位上的3,5-二甲基丙烯基与TIBO化合物的3,5-二甲基丙烯基在NNIBP中的位置基本叠合,都处于Y181和Y188形成疏水亚口袋中。该研究结果体现了NNRTIs优势结构片段的类似性和结合模式的类似性之间具有内在联系,为下一步继续基于NNRTIs的分子结构多样性以及结合模式和优势结构基团的类似性,进行PTTD类衍生物的结构优化提供了重要思路。综上所述,本课题设计以先导化合物/RT复合物的三维结构解析和构效关系为研究起点,充分考虑先导化合物与结构多样的NNRTIs药效团上类似性,以优势结构片段为导向,变换中心杂环的骨架结构、修饰侧链取代基及边链,以开发与RT结合位点的附加作用力,并提高溶解度；药物设计综合运用生物电子等排体、分子杂合、片段迁移等经典药物设计手段,并与计算机辅助药物设计的应用相结合。最后经定向合成了三个系列75个化合物,经过活性测试发现了多个抗HIV-1活性达到纳摩尔甚至皮摩尔水平的抑制剂,并有3个化合物(IB-7a、IIA-8b2、IIA-8b3)对多药耐药毒株RES056(K103N+Y181C)表现出良好的活性。同时,本课题在优化抗病毒活性和抗耐药性的同时,通过引入哌啶胺、吗啉、哌嗪等水溶性较好环杂烷基团以提高化合物的溶解度。因此所获得的化合物在具有高效抗HIV-1活性的同时,有望获得改善的药代动力学性质,具有进一步研究开发的价值。
【作者】陈文敏；
【导师】刘新泳；
【作者基本信息】山东大学，药物化学，2014，博士
【关键词】HIV-1；非核苷类逆转录酶抑制剂；2-吡啶酮；哌嗪；吗啉；吡咯并噻三嗪；

【参考文献】
[1]王涵宁.影子银行在中国的发展及其对经济影响的研究[D].吉林大学,金融学,2014,硕士.
[2]张丽媛.复杂偏好下多属性大群体决策方法研究[D].中南大学,2013.
[3]刘柏希.考虑运动副阻尼的弹性机构系统动力学研究[D].西安理工大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[4]张跃.蜂胶降血糖有效部位化学成分研究[D].吉林农业大学,野生动植物保护与利用,2012,硕士.
[5]谢笑艳.政和县林屯村休闲农业发展研究[D].福建农林大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[6]种莉萍.基于内容分析法的IPO招股说明书中的风险信息披露研究[D].山东财经大学,金融学,2012,硕士.
[7]顾金赟.粮食应急物流中的优化调度问题研究[D].南京财经大学,企业管理,2012,硕士.
[8]王志英.普高学生数学解题错误的成因分析与对策研究[D].杭州师范大学,教育（专业学位）,2012,硕士.
[9]孟志青.一类相邻时态关联规则的知识发现问题[J].模式识别与人工智能,2001,04:458-462.
[10]李常磊.曳引电梯能效评价方法研究[D].长安大学,交通信息工程及控制,2014,硕士.
[11]邵天宇.低压电力线噪声及信道特性的研究[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2014,硕士.
[12]霍永.兰州城投房地产公司项目管理现状分析与对策研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[13]查恋池.挖泥船电磁流量计的电池供电系统设计研究[D].华中科技大学,工程力学,2013,硕士.
[14]周懋姬.家务劳动补偿法律制度研究[D].贵州民族大学,民商法学,2014,硕士.
[15]吴春辉.湖北省普通高校武术教学环境的调查研究[D].华中师范大学,体育教育训练学,2014,硕士.
[16]罗娟.双亲性纳米TiO_2复合粒子改性聚偏氟乙烯超滤膜的研究[D].湖南工业大学,材料学,2012,硕士.
[17]王聪.销售人员自我监控人格对工作倦怠的影响机制研究[D].西南财经大学,企业管理,2014,博士.
[18]易川江.协同入侵防御系统树型管理模型与协议流分析[D].华中科技大学,2004.
[19]范少东.顾长卫导演电影作品中的悲剧性研究[D].西北大学,戏剧与影视学,2013,硕士.
[20]霍静.考虑价格—质量效应的商誉的动态定价模型[D].中国科学技术大学,工商管理,2014,硕士.
[21]于辉.内蒙古男子古典式摔跤队体能训练的实验研究[D].北京体育大学,体育教学训练学,2013,硕士.
[22]华怡.中小企业融资租赁的风险控制[D].上海外国语大学,企业管理,2013,硕士.
[23]谢延涛.基于多示例学习的图像显著性分析[D].北京交通大学,2014.
[24]刘宝峰.基于OPLC技术的智能用电小区设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[25]陈东彦,司玉琴.具有饱和状态反馈离散时滞系统的渐近稳定性[J].自动化学报,2008,11:1445-1448.
[26]刘晓欢.《唐文粹》文学思想研究[D].沈阳师范大学,中国古代文学,2014,硕士.
[27]岳训,迟忠先,莫宏伟,郝艳友.基于免疫网络聚类算法的特征垃圾邮件获取技术[J].计算机工程与应用,2005,35:12-14.
[28]宋红兵.碱性离子液体的合成、表征及其在催化反应中的应用研究[D].华南理工大学,2012.
[29]邢广旭.氟喹诺酮类药物多残留免疫学检测技术研究[D].河南农业大学,预防兽医学,2013,博士.
[30]冯鑫.利用相转移技术辅助的溶剂热法对单分散铁氧体纳米颗粒的可控合成及其催化效应的研究[D].华东师范大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[31]李春萍.臭鳜鱼发酵中营养和风味变化的研究[D].浙江工商大学,食品科学与工程,2014,硕士.
[32]王如玥.基于ARM的多通道液压伺服控制系统设计[D].西南交通大学,精密仪器及机械,2013,硕士.
[33]李海凤.民国时期小学校歌研究[D].华东师范大学,教育史,2013,硕士.
[34]王黎曼.纯经济上损失及其赔偿制度浅析[D].苏州大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[35]彭川.碳纳米管力学行为的分子动力学模拟[D].南昌航空大学,2012.
[36]刘长跃.秸秆(牧草)压缩设备及压块饲料前景广阔[J].中国乡镇企业技术市场.2004(11)
[37]李卫东,高婉.“第二届北京交通大学运输与时空经济论坛”会议综述[J].经济与管理研究,2014,12:102-103.
[38]杨莉.荧光静脉留置针的研制及不同光亮环境下应用的实验研究[D].中国人民解放军医学院,护理学,2013,硕士.
[39]张刚,马宗民.一种采用Gabor小波的纹理特征提取方法[J].中国图象图形学报,2010,02:247-254.
[40]陈新晖.论创新型幼儿教师的成长与培养[D].广西师范大学,教育经济与管理,2003,硕士.
[41]马跃.CSAMT法在高速公路隧道勘察中的应用与研究[D].成都理工大学,固体地球物理学,2013,硕士.
[42]徐君翔.骨密度相关危险因素的临床调查分析[D].苏州大学,骨外科学（专业学位）,2014,硕士.
[43]程乾生.新的地震记录褶积模型[J].石油地球物理勘探,1982,03:16-24.
[44]张春雨,高露双,赵亚洲,贾玉珍,李金鑫,赵秀海.东北红豆杉雌雄植株径向生长对邻体竞争和气候因子的响应[J].植物生态学报,2009,06:1177-1183.
[45]邓砚.中国地震应急的区域差异规律研究[D].中国地震局地质研究所,构造地质学,2003,硕士.
[46]张海峰.全球变暖背景下基于SMOS卫星和Argo数据的温盐模态结构的垂直变化研究[D].中国海洋大学,地图学与地理信息系统,2014,硕士.
[47]叶飞,金鑫,朴林,肖小刚.基于电力调度数据网双平面的主站控制多机多链路采集方案[J].电力系统自动化,2015,08:155-158.
[48]齐红鸽.民族地区异质性自然旅游资源的开发与旅游经济竞争优势研究[D].广东技术师范学院,民族学,2013,硕士.
[49]陈英楠.2，4，6-三吡啶基三嗪—稀土金属配合物的合成、结构及荧光性质[D].内蒙古大学,化学,2013,硕士.
[50]仝建波.低度白酒稳定性研究及其应用[D].山西大学,有机化学,2004,硕士.