2-[(1H-吡唑-1-基)吡啶]衍生物作为有前景的抗癌候选物：合成、生物学研究及计算洞察

《Journal of Molecular Structure》：2-( 1H-Pyrazol-1-yl)pyrimidine Derivatives as Promising Anticancer Candidates: Synthesis, Biological Studies, and Computational Insights

本研究合成了27种2-(1H-吡唑-1-基)嘧啶衍生物，通过体外细胞增殖实验发现P24和P25对口腔鳞状细胞癌SCC-25细胞IC50分别为1.71和5.61 μM，且对HEK293T细胞毒性较低。分子对接显示其与EGFR蛋白结合稳定，SWISS ADME预测显示良好药代动力学特性，为新型抗癌药物开发提供候选化合物。

　　

马赫什·库马尔·塔拉马德拉（Mahesh Kumar Talamadla）| 斯雷亚什·拉詹德拉·莫哈里尔（Shreyash Rajendra Moharir）| 米希卡·卡特达雷（Mihika Katdare）| 苏里亚恩什·森加尔（Suryansh Sengar）| 斯瓦蒂（Swathi）| 维韦克·夏尔马（Vivek Sharma）| 桑卡兰纳拉亚南·穆鲁格桑（Sankaranarayanan Murugesan）| 康达帕利·文卡塔·高里·钱德拉·塞卡尔（Kondapalli Venkata Gowri Chandra Sekhar）

印度特伦甘纳邦梅德查尔区贾瓦哈尔纳格尔（Jawahar Nagar），卡普拉曼达尔（Kapra Mandal），皮拉尼（Pilani）的比拉拉理工学院与科学学院（Birla Institute of Technology and Science）化学系，邮编500078

摘要

小分子抑制剂为对抗癌症提供了一种有吸引力的方法。本研究重点介绍了2-（1H-吡唑-1-基）嘧啶衍生物的合成及其抗癌活性。该分子设计灵感来源于EGFR和CDK抑制剂的药效团模型，并结合了两种已知对多种癌症靶点具有显著生物活性的药效团：吡唑和嘧啶。共合成了27种衍生物（P1-P27），并对其进行了全面表征。实验使用了多种人类癌细胞系进行体外细胞增殖实验，包括口腔鳞状细胞癌（SCC-25）、乳腺癌（MCF-7）和肺癌（U87-MG）细胞系。人类胚胎肾细胞系（HEK293T）用于细胞毒性筛选。结果显示，几种衍生物具有抗增殖活性，其IC50值处于微摩尔范围内。其中，化合物P24和P25对SCC-25细胞系的IC50值为1.71±0.03 μM，对HEK293T细胞系的IC50值为5.61±0.38 μM；对HEK293T细胞的细胞毒性分别为58.46±2.80 μM和55.58±1.96 μM。后续研究进一步利用SCC-25细胞系进行了克隆形成实验、凋亡细胞死亡分析和细胞周期停滞研究。通过分子对接和动力学模拟研究（针对表皮生长因子受体EGFR激酶，PDB ID：4ZAU）验证了这些衍生物与受体的稳定结合亲和力。SWISS ADME软件预测了这些化合物的药代动力学和药物性质。综合合成、生物学和计算方法表明，2-（1H-吡唑-1-基）嘧啶衍生物具有作为抗癌候选药物的潜力。

引言

癌症是指异常细胞的无控制增殖和扩散，包括100多种不同的疾病，每种疾病都有其独特的分子特征和临床表现[1]。据估计，2022年全球有970万人死于癌症，由于人口老龄化和生活方式的变化，这一数字仍在上升，尽管在预防、早期诊断和治疗方面取得了进展[2]。虽然已有关于乳腺癌、肺癌、胃癌、宫颈癌和结直肠癌的报道，但最常见的恶性肿瘤是肺癌和乳腺癌，尤其是前者主要影响老年男性[3,4]。到2025年，癌症仍将是全球最大的健康问题之一，给人们、医疗系统和经济带来负担。得益于液体活检、下一代测序和人工智能等技术的发展，癌症的诊断和治疗正在不断进步[5,6]。然而，在低收入和中等收入国家，癌症护理仍存在不足，患者难以获得及时诊断和先进的治疗。

现有的癌症治疗方法存在诸多问题，如药物耐药性、药物的系统性毒性和药理效果不佳。杂环化合物因其能与多种生物靶点相互作用而成为有前景的抗癌剂。需要设计通过多重途径发挥作用的新型杂环分子。嘧啶和吡唑结构因其与酶、DNA及其他生物分子的相互作用能力而备受关注[7]。许多生物活性化合物中都含有嘧啶衍生物，包括临床批准的抗癌药物[8]。吡唑结构还表现出多种药理特性，如抗炎、抗菌和抗癌作用[9]。研究表明，由吡唑和嘧啶环融合形成的吡唑嘧啶结构具有靶向抗癌治疗的潜力[10]。据报道，这些物质能阻断包括EGFR和CDK在内的多种靶点，而这些靶点在癌症中常常发生异常调控[11]。

目前已有几种获得美国食品药品监督管理局（USFDA）批准的EGFR酪氨酸激酶抑制剂可用于临床[12]。第一代EGFR抑制剂如吉非替尼（Gefitinib）和厄洛替尼（Erlotinib）对非小细胞肺癌（NSCLC）有效，但容易产生耐药性[13]。帕利替尼（Pelitinib）和纳拉替尼（Neratinib）是第二代EGFR酪氨酸激酶抑制剂，旨在克服耐药性问题，但由于最大耐受剂量较低，治疗效果有限[14]。第三代药物（奥西替尼Osimertinib和奥卢替尼Olmutinib）则克服了前一代药物的毒性问题[15]。新型CDK抑制剂（如帕博西替尼Palbociclib）通过特定的药效团结构与目标蛋白结合位点的氨基酸相互作用[16]。图1展示了现有FDA批准药物的药效团特征。

根据先前报道，每种EGFR抑制剂分子都包含一些特定的药效团结构：疏水头部、芳香环系统、NH间隔基团和疏水尾部[17-20]。这些结构特征在结合活性位点时起关键作用，决定了其抑制活性。我们在设计这些新型4-氯-2-（3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基）-6-甲基嘧啶衍生物时，借鉴了这些特征，旨在开发潜在的抗癌剂[21]。首先使用2,4-二甲基嘧啶作为芳香环系统，并在疏水尾部引入3,5-二甲基-1H-吡唑基团，该基团是激酶抑制剂中的典型连接结构。吡唑环上的二甲基取代增强了分子的脂溶性，影响其空间和电子特性，从而影响结合亲和力和选择性。在NH间隔基团上引入氨基哌啶基团，提高了分子的构象适应性、药代动力学性质和激酶选择性。此外，还探索了多种EWG/EDG取代苯基作为疏水头部的可能性。

化学方法

所有化合物的合成均按照方案1中的步骤进行。在我们之前的研究中[21]，已经详细介绍了合成方法，这些方法也包含在支持信息的“通用程序”部分。所有最终化合物的结构通过1H NMR和13C NMR进行了确认。

中间体和最终化合物的合成标准程序

所有化合物的合成均遵循我们之前报道的标准程序[21]。中间体和最终衍生物的合成过程及分析数据详见补充信息部分。

细胞培养和处理

U87-MG、MCF-7和HEK293T细胞的培养方法如前所述[23]。细胞处理过程及所用化合物的剂量见图表和图例[24]。

结论

在本研究中，我们基于2-（1H-吡唑-1-基）嘧啶设计了15种哌啶基芳基甲酮衍生物和15种哌啶基苯甲酰胺衍生物作为抗癌剂。其中，化合物P24和P25对SCC-25细胞系表现出优异的抗增殖活性（IC50值为1.71±0.03 μM和5.61±0.38 μM），同时对HEK293T细胞系的毒性较低（IC50值为58.46±2.8 μM和55.58±1.96 μM）。这些化合物还表现出其他生物活性。

数据来源

本研究的相关数据（包括合成方法和光谱表征信息）见补充信息（SI）文件。

作者贡献声明

马赫什·库马尔·塔拉马德拉（Mahesh Kumar Talamadla）：撰写初稿、方法学设计、概念构思。 斯雷亚什·拉詹德拉·莫哈里尔（Shreyash Rajendra Moharir）：撰写初稿、数据整理。 米希卡·卡特达雷（Mihika Katdare）：数据验证、方法学设计、概念构思。 苏里亚恩什·森加尔（Suryansh Sengar）：数据验证、方法学设计。 斯瓦蒂（Swathi）：方法学设计、数据分析。 维韦克·夏尔马（Vivek Sharma）：撰写、审稿与编辑、数据分析。 桑卡兰纳拉亚南·穆鲁格桑（Sankaranarayanan Murugesan）：撰写、审稿与编辑。 康达帕利·文卡塔·高里·钱德拉·塞卡尔（Kondapalli Venkata Gowri Chandra Sekhar）：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者们声明不存在利益冲突。

致谢

比拉拉理工学院海得拉巴校区中央分析实验室以及新德里的科学技术部（DST）为ANRF-CRG项目（参考编号CRG/2022/001889和CRG/2022/005290）提供了资金支持，作者KVGCS和SM对此表示感谢。本研究还得到了比拉拉理工学院海得拉巴校区内部CHDR资助以及印度医学研究委员会（ICMR）的资助（编号2021-10878）。KVGCS感谢DST-FIST提供的HRMS设施。