药物设计|靛红骨架在抗病毒药物开发中的运用

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1. 简介

病毒性疾病是一类对人类健康具有重大威胁,并可以造成全球性影响的疾病。病毒是导致大量发病率和死亡率的许多流行病和大流行社区爆发的病原体。 例如2003年,有超过 800 人死于源自华南地区的严重急性呼吸系统综合症 (SARS) 流行病。 2012年,沙特阿拉伯王国报道了由中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-COV)引起的称为中东呼吸综合征(MERS)的急性呼吸道病毒性疾病,死亡率为 > 35%。 2019年末,最新的2019年开始,SARS-COV-2引发的COVID-19大流行逐渐成为全球关注的问题,已传播到超过 200 个地区,导致大量死亡。

疫苗接种和抗病毒化疗被认为是对抗病毒性疾病的基石。疫苗接种已被证明是根除致命病毒感染的有力工具。 1980年,天花疫苗在消灭病毒方面发挥了至关重要的作用,迄今为止,已有几种获批的疫苗可用于对抗超过15种病毒病原体。另一方面,抗病毒药物治疗可有效控制包括HIV在内的多种病毒感染。然而,对于许多严重的病毒性疾病,包括目前正在进行的大流行 COVID-19,还没有开发出抗病毒药物。此外,许多临床使用的抗病毒药物在效力、选择性和药代动力学方面存在广泛的缺点。在这方面,对目前批准的药物产生耐药性的病毒株的高比率以及新的致病病毒的不断出现,例如SARS-COV-2,决定了新的抗病毒疗法的发展。目前最流行的小分子抗病毒药物发现方法是“一种药物,多种病毒”,它依赖于开发能够抑制一系列人类病毒的广谱抗病毒药物 (BSAA)

靛红[Isatin (1H-indole-2,3-dione)]图1)是一种特殊的杂环结构,具有广谱的生物动力学活性,例如抗癌、抗结核、抗疟、抗菌、抗惊厥和抗病毒活性。此外,临床上成功的以靛红为基础的药物,如舒尼替尼、塞马尼布和托塞拉尼(图1),已应用于各种疾病的治疗。


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图1. 靛红、舒尼替尼、塞马尼布和托塞拉尼的化学结构

靛红在临床环境中的成功应用、其广泛的药理特性以及其可能的结构修饰的不同方法已引起药物化学家的注意。因此,在过去的几十年中,人们对探索针对多种致病病毒的靛红衍生物的兴趣激增。尽管有非常丰富的文献揭示了靛红衍生物对多种致病病毒的活性,但直到两年前才发表关于靛红抗病毒活性的单一报告。 2018 年底,Gomes等人简明地回顾了仅对虫媒病毒起作用的靛红的化学性质。本文将简单介绍最近报道的靛红化合物的抗病毒活性。

2. 靛红衍生物作为抗HIV药物

2019年,世界卫生组织估计全球约有3800万艾滋病毒/艾滋病病例,其中69万人死于艾滋病毒相关疾病。抗逆转录病毒疗法 (ART) 已被证明在 HIV/AIDS 患者的治疗中发挥关键作用。然而,耐药性的日益蔓延是ART失败的主要因素,因此,这就需要开发新的抗HIV 药物。 Pandeya等人受到氟喹诺酮类药物和靛红衍生物的有希望的抗病毒活性的启发。报道了新的诺氟沙星-靛蓝曼尼希碱的抗HIV活性。在九个测试碱基中,化合物1a1b图2)是最有效的HIV-1复制抑制剂,EC50值分别为11.3和13.9μg/mL,最大保护范围为70-95%。关于SAR,在靛红部分的 C-3 处安装甲氧苄啶和在C-5处安装吸电子基团似乎优于其他取代基。


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图2. 诺氟沙星-靛红曼尼希碱的化学结构

Pandeya等人合成了一组靛红N-Mannich碱基(图3)。 1999年。最初,作者用磺胺多辛合成了靛红的席夫碱,然后将其转化为曼尼希碱。使用MTT 测定法检查了这些碱基对 HIV-1 和 HIV-2 毒株的抗 HIV 活性。化合物 2a图3)被认为是最有效的,对两种菌株都表现出高达 16% 的相当大的活性(EC50 超过 2 μg/mL)。关于SAR,甲基取代化合物的活性低于未取代的化合物,并且在靛红部分1位的吗啉代甲基取代似乎优于其他化合物。


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图3. 靛红 N-曼尼希碱的化学结构

在一项独立研究中,受报道的氨基硫脲衍生物美沙酮(图4)的强效抗病毒活性,在预防天花中,一系列靛红和氨基氨基硫脲4的 Schiff 和 Mannich 碱基(图4)。由Pandeya等人开发筛选所得化合物在MT-4人类细胞中的抗HIV-1(III B) 活性。所研究的碱在低于其毒性阈值的浓度水平下均未显示出抗HIV活性。作者将如此低的活性归因于氨基硫脲基团末端相对较大的疏水性对氯苯基噻唑基部分。


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图4. 靛红和 N-[4-(4'-氯苯基) thiazol-2-yl] 氨基硫脲的 Mannich 碱基的化学结构

受报告的喹唑啉酮骨架的抗HIV活性的鼓舞,Pandeya 等人将喹唑啉衍生物与不同的靛红杂交,试图获得新的抗病毒席夫碱(图5)。作者还通过曼尼希反应衍生了获得的席夫碱,以产生各自的 N-曼尼希碱(图5)。在人MT-4细胞中检查所得碱基对HIV-1的抗病毒活性。所测试的化合物都没有表现出任何显著的抗HIV活性。


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图5. 杂化席夫和曼尼希碱基的化学结构

Teitz等人对两种氨基硫脲衍生物6和7(图6)进行了针对HIV的测试。它们的抗病毒功效与浓度有关,67的有效抗病毒浓度范围为0.17至2.04 μM,7的有效抗病毒浓度范围为 1.45 至 17.4 μM。据报道,在 0.34 和 2.9 μM 的浓度下,67的病毒抑制率分别为 50%。这两种氨基硫脲的这种抑制活性归因于它们抑制病毒结构蛋白合成的能力。确定了两种化合物的治疗指数值,发现67分别为20和30。


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图6. 氨基硫脲衍生物的化学结构

Banerjee 等人合成了 60 种靛蓝氨基硫脲衍生物(图7),试图获得治疗 HIV-TB 合并感染的有效化合物。化合物8a8b对 HIV-1 细胞的复制显示出有希望的活性(EC50 分别为 1.69 和 4.18 µM)。与羟基类似物相比,具有甲氧基的氨基硫脲具有更好的抗HIV活性。作者将此归因于甲氧基参与了与HIV-1逆转录酶 (RT) 的芳香族残基的空间相互作用,该逆转录酶是病毒复制生命周期中的一种必需酶,计算机研究进一步支持了这一点。 8a优于8b的抗HIV功效归因于与酶的疏水相互作用的建立,该酶由苯基哌嗪基甲基部分对位的氯原子和靛红 C-5 上存在的甲基提供戒指。关于靛红环C-5处衍生物的SAR,观察到较高的活性受F = CH3 > Cl的顺序控制。在靛红部分的 N1 处被一种氟喹诺酮类加替沙星取代似乎优于其他类似物。此外,发现 N1 处的 4-氯苯基哌嗪甲基取代基优于其他氨基甲基。为了深入了解可能的抗 HIV 活性模式,检查了8a抑制病毒RT的能力。在测试的衍生物中,化合物8a的抑制活性最高,IC50为11.5 ± 1.5 µM。


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图7. 靛红氨基氨基硫脲8和最有效的化合物8a8b的化学结构

氨基嘧啶亚氨基靛红衍生物对 MT-4 细胞中 HIV-1 复制的抑制活性也有所研究((图8)。化合物9e、i和 l-o 抑制病毒复制,EC50值范围为12.1 至 62.1 μg/mL。在这些衍生物中,化合物9l最有效,保护率>99%,SI > 13。化合物9l对HIV-1 RT酶有抑制作用(IC50 = 32.6 ± 6.4 μM)。这些衍生物的抗HIV活性与它们各自的logP值无关。针对HCV的抗病毒和细胞毒性测定显示,类似物9k是最活跃的,在50 μg/mL时显示100%的病毒复制抑制和最小的细胞毒性。此外,对合成的化合物对28种病原菌的体外抗菌活性进行了测试,结果显示所有衍生物对被测细菌均表现出轻度至中度的活性。含有4-氯苯基哌嗪甲基部分的化合物9e是最好的,它对20种测试微生物的抵抗力优于洛美沙星。此外,针对结核分枝杆菌菌株 H37Rv(浓度为 6.25 μg/mL)的初步筛选显示,带有氟喹诺酮部分 (9 l-o) 的化合物是最有效的,因为它们完全抑制分枝杆菌的生长,即 MICs = 3.13 µg/mL。


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图8. 氨基嘧啶亚氨基靛红衍生物9的化学结构

根据定义非核苷类逆转录酶抑制剂 (NNRTIs) 关键结构特征的报告,设计、合成了一系列靛红 β-氨基硫脲衍生物(图9),并研究了它们在 CEM 细胞系中的抗 HIV 活性。合成的化合物表现出对病毒复制的抑制作用,EC50值范围为2.62 至 >14.50 µM。化合物10c、f  i 是最有效的,EC50值在2.62–3.40 µM范围内。然而,它们不如阳性对照药物依非韦伦有效。其他化合物在其各自的毒性阈值以下无活性。


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图9. 靛红 β-氨基硫脲衍生物的化学结构

最高的活性和最低的细胞毒性与化合物10f相关(EC50 = 2.62 µM 和 SI > 17.41)。叠加技术表明氨基硫脲和依法韦仑之间具有良好的相关性,RMS 值在可接受的范围内。由于类似物的数量有限且替代模式似乎是随机的,因此很难就这些衍生物的SAR得出明确的结论。

塞尔瓦姆等人通过将靛红衍生物与磺胺脒反应合成了五种席夫碱(图10)。使用齐多夫定作为阳性对照,评估获得的衍生物在 MT-4 细胞中对 HIV-1 和 HIV-2 的抗 HIV 活性。 HIV-1和HIV-2抑制的 EC50值分别在8–15.3 µg/mL和41.5–125 µg/mL范围内。另一方面,标准药物对HIV-1和HIV-2的EC50值分别为1.2和0.62 ng/mL。细胞毒性研究表明,所研究化合物的毒性浓度 >125 µg/mL。虽然11e表现出最高的抗HIV-2活性(EC50 = 41.5 µg/mL),但化合物11ae表现出最有效的抗HIV-1 活性(EC50 = 8 µg/mL)。 SAR显示,在靛红基序的C-5上被供电子或吸电子基团取代不利于抗HIV-1活性,因此可能不会提供更有效的衍生物。另一方面,11a中位置1的 N-乙酰化使抗HIV-2活性增加了2倍,显示出进一步分子修饰的前景。最活跃的化合物的活性远低于参考药物;因此,它们仍然需要修饰。


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图10. 靛红磺胺嘧啶席夫碱的化学结构

三唑是一些临床上成功的抗病毒药物(如利巴韦林和他利巴韦)的结构亚基,可用于开发更有效的抗病毒药物。因此,Pandeya 等人设计并合成了靛红和氨基三唑 12 的席夫碱(图11)。接下来,这些碱与甲醛和各种仲胺反应以提供N-Mannich碱(图11)。测试了化合物 12a-c13a-i在MT-4细胞中的抗HIV-1活性。在低于毒性阈值(SI < 1)的浓度下,所有碱基都不能抑制HIV-1的复制。


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图11. 靛红和 (4'-吡啶基)-4-氨基-5-巯基-4-(H)-1,2,4-三唑的席夫碱 12 和曼尼希碱 13 的化学结构

塞尔瓦姆等人合成了一系列靛红-磺胺杂化物(图12),其抗HIV活性与化合物 11a,s 一起使用齐多夫定作为参考药物在MT-4 细胞中针对HIV-1 进行了研究。化合物14a–h的活性低于化合物11a(EC50 = 13.6–116.06 µg/mL)。此外,与阳性对照吡喃并嘧啶(IC50 = 0.03 µg/mL)相比,它们对HIV整合酶的抑制活性非常低(IC50 = 53.62–>250 µg/mL)。


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图12. 靛红-磺酰胺衍生物的化学结构

继续他们之前的工作,Sriram 等人设计和合成氨基嘧啶亚氨基靛红杂化物(图13)作为一类新型非核苷类逆转录酶抑制剂。


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图13. 氨基嘧啶亚氨基靛红杂化物的化学结构

在一项独立研究中,Sriram 等人合成了一组不同的氨基嘧啶亚氨基靛红拼合物 16图14)。在下一步中,评估了这些拼合物对MT-4 和 CEM 细胞系中 HIV-1 复制的抑制活性。含有环丙沙星的化合物16n最有效,EC50 = 9.4 μg/mL,SI > 19,最大保护率为101%。与其类似物9m图8)和15n图13)相比,化合物16n更有效,表明-Cl取代比-F或-Br更有用。化合物16a-c、h、mp在59-95% 的范围内表现出最大的保护作用,SI = 3。这些衍生物在CEM细胞系中的活性相对较低(20-48%)。


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图14. 氨基嘧啶亚氨基靛红衍生物的化学结构

Sriram 等人合成了不同的靛红-拉米夫定拼合物 17,18(图15)。获得的杂种在CEM细胞系中针对HIV-1进行了评估。其中,五个杂种显示出有效的抗病毒活性。结果表明化合物17b与拉米夫定等效,EC50为0.0742 µM,CC50>200 µM,SI>2100。 SAR表明,在靛红的 C-5位置引入 -F(17b18ch)提高了活性(EC50 = 0.0742–1.16 µM)并导致细胞毒性化合物减少(CC50 = 123–>200 µM) ,而 -Cl(18be-g)对CEM细胞系的活性(EC50 = 4.73–>12.5 µM)和毒性增加(CC50 = EC50 = 4.73–12.5 µM)有害。Mannich碱基的活性低于 Schiff碱基。在含有诺氟沙星18a-c的化合物与含有环丙沙星18de的化合物之间没有观察到活性的显著差异。化合物1718对浓度为 6.25μg/mL 的结核分枝杆菌 H37Rv 菌株的抗分枝杆菌活性进行了评估。席夫碱17ab中度抑制分枝杆菌生长(分别为 56% 和 82%),而曼尼希碱基18a-h显示出更高的抗分枝杆菌活性(92-100% 的生长抑制)。


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图15. 靛红-拉米夫定杂化物的化学结构

在他们寻求开发新的抗 HIV 疗法的过程中,Pawar 等人设计了各种靛红类似物(图16)。对与五种不同配体复合的 RT 的五种不同晶体结构进行了这些类似物的分子对接分析,即奈韦拉平、地拉韦利定、依非韦伦、依曲韦林和利匹韦林。 19a-c 的对接分数(图16)与这些参考配体的对接分数相当,表明它们对这种酶具有良好的结合亲和力。


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图16. 设计的靛红类似物

这里讨论的靛红衍生物,例如化合物 6、7、8a、10f 17b,表现出有效的抗HIV活性。图17所示的丰富 SAR 可能为进一步开发更有效的候选者提供新的见解。


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图17. 具有抗 HIV 活性的靛红衍生物的 SAR

3. 抗SARS-COV靛红衍生物

严重急性呼吸综合征(SARS)是一种病毒性非典型肺炎,伴有头痛、高烧、肌痛和头晕。肺泡损伤导致严重的呼吸衰竭可能导致死亡。人类冠状病毒 SARS-COV 属于冠状病毒科,被确定为病原体。 2005年,Chen等人制备了一组N-取代的靛红衍生物化合物20图18),并使用荧光共振能量转移(FRET)评估了它们的SARS-COV 3C样蛋白酶抑制活性,并通过HPLC分析进一步证实。化合物20a-k的IC50值在较低的微摩尔范围内(0.95-17.50 μM),其中最有希望的是20e、f h(IC50 = 2、0.98 和 0.95 μM)。


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图18. N-取代靛红衍生物的化学结构

SAR(图19)显示苯并噻吩甲基侧链优于靛红核心位置1的其他基团。此外,更好的活性与靛红部分中的吸电子基团取代有关,例如 7-溴 (20f)、5-碘 (20h) 或 7-硝基 [20e]。另一方面,供电子取代基如 OCH3、NH2 和CH3对活性有害。进一步的研究确定20h是SARS-COV蛋白酶与其他蛋白酶(如木瓜蛋白酶)相比具有选择性和强效的抑制剂。一项分子模型研究证明了化合物20h能够精确地融入SARS-COV蛋白酶结合口袋。此外,疏水和电子因素似乎是决定结合亲和力的关键因素。因此,化合物20h可以作为进一步研究的先导分子。


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图19. N-取代靛红衍生物作为SARS-COV 3C样蛋白酶抑制剂的SAR

在另一项工作中,周和他的同事设计了一系列 N-取代的5-甲酰胺-靛红衍生物(图20)作为潜在的SARS-COV 3C 样蛋白酶抑制剂。他们设计背后的基本原理是基于在酶结合口袋的P1位点上羧酰胺基团与Phe140和His163结合产生的潜在氢键。同时,靛红核心的C-2和C-3上的两个羰基与氨基酸残基His41和Cys145形成氢键。与靛红部分的N1相连的烷基将嵌入由Met49和Met165形成的结合袋的疏水S2位点。


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图20. N-取代的5-甲酰胺-靛红衍生物的化学结构

其他研究小组设计并合成了一系列 5-磺酰基靛红衍生物2223图21)。然后,使用荧光底物肽评估这些化合物对SARS-COV 3C 样蛋白酶的体外抑制作用。化合物22a-f 显示出有希望的抑制活性(IC50 = 1.18-12.66 μM),其中22d带有 4-甲基哌啶基部分,显示出最大的效力。SARs表明靛红核心在活性中起关键作用,取代基的相对贡献为哌啶>吗啉>哌嗪。在携带哌啶部分的化合物组中,哌啶环第4位的甲基取代对于最大活性是最佳的。对靛红核心进行修饰,即在 N-1 位置进行烷基化,以检查该位置的取代对效力的作用。化合物23a-k表现出中等至优异的酶抑制活性(IC50 = 1.04–17.82 µM)。


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图21. 5-磺酰基靛红衍生物的化学结构

2008年,Selvam等人在Huh 5-2细胞中筛选了化合物11a-e 和化合物 24图22)对抗 SARS-COV [56]。结果表明,化合物 24 是最有效的(在 125 μg/mL 时的最大保护为 45%),而其他化合物的效果要差得多(在125 μg/mL 时的最大保护为 0-22%)。作者声称 C-3 磺酰胺基团对于最佳抗病毒活性的重要性。


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图22. 化合物24的化学结构

这里讨论的受靛红启发的衍生物显示出有希望的SARS-COV抑制特性,其中一些可以作为潜在的先导化合物(20j、21f 和23g)。然而,旨在探索靛红核心以对抗SARS-COV的研究有限,需要进一步研究。为此,图23显示了构效关系 (SAR),以进一步合理开发对 SARS-COV具有更高效力的靛蓝衍生物。


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图23. 靛红衍生物作为 SARS-COV 抑制剂的 SAR

4. 抗SARS-COV-2 靛红衍生物

COVID-19造成了有害后果,有效的药物发现方法应侧重于开发能够调节对病毒生命周期至关重要的靶标的新化学实体。由于SARS-COV-2和SARS-COV非常相似,许多已发表作品围绕着基于其对SARS-COV开发药物来提高效率。SARS-COV-2主蛋白酶(也称为3C 样蛋白酶)在病毒复制和转录过程中起关键作用(图24),其对病毒的独特性使其成为合理药物设计的理想靶点。


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图24. Mpro在SARS-COV-2 生命周期的转录和复制过程中的关键作用。开放阅读框(ORF1a 和 ORF1ab)编码多蛋白(pp1a 和 pp1ab),这些多蛋白经受两种半胱氨酸蛋白酶(即主要蛋白酶 (Mpro) 和木瓜蛋白酶样蛋白酶 (PLpro))催化的蛋白水解反应。靛红衍生物可以抑制 Mpro 从而抑制病毒复制

目前,已经设计和合成了一系列 N-取代的靛红衍生物25图25),作为SARS-COV-2 主要蛋白酶的有效抑制剂。化合物25的酶抑制活性使用合成的肽-pNA作为底物和潮格鲁西作为阳性对照进行了评估。化合物25h、j、k、qw-ab在50 µM 时显示出 >50% 的抑制活性,而阳性对照的 IC50 = 1.91 µM。与Zhou等人报道的一致。在SARS-COV中,最大活性与在靛红核心 (25v–z)的C-5处带有羧酰胺基团的衍生物相关 (IC50 = 0.045–17.8 µM)。化合物25y、zv是最有希望的候选化合物(IC50 = 0.045、0.047 和 0.053 μM)。化合物 25g-n25r-u对SARS-COV-2主要蛋白酶的活性相对较低或无活性。考虑到冠状病毒主要蛋白酶结构之间的相似性,C-5 处不存在氢键形成基团(例如羧酰胺)可以解释上述衍生物的低活性,正如 Zhou 等人先前报道的那样。


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图25. N-取代靛红衍生物25的化学结构

活性最好的化合物 (25y) 的分子模型研究(图26)揭示了作为供体的羧酰胺部分与 Asn142和Glu166以及C-2 和C-3 处的两个羰基与Cys145作为受体之间的氢键相互作用。此外,刚性疏水萘环插入到由Met49和Met165形成的疏水结合隧道中,除了与His41芳族残基的π-π堆积相互作用。化合物25y、zv的效力比阳性对照高近40倍,可作为进一步开发有效抗冠状病毒药物的起点。为此,未来的研究应侧重于化学优化,以尽量减少其高细胞毒性并提高其细胞功效。


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图26. N-取代靛红衍生物25y与SARS-COV-2主要蛋白酶结合口袋的分子相互作用;键1 是H键;2是π-π堆积相互作用和3是疏水相互作用。

Badavath和他的同事对SARS-COV-2主要蛋白酶结合位点的一系列杂环衍生物进行了分子对接分析。其中,两种靛红衍生物2627图27)显示出与酶结合袋中最重要的结合残基更好的相互作用,其能量为 <-10 kcal/mol。此外,ADME分析显示化合物2627的性质在规定的范围内。


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图27. 设计的靛红衍生物2627的化学结构作为潜在的 SARS-COV-2 主要蛋白酶抑制剂。

5. 抗基孔肯雅病毒靛红衍生物

Mishra和他的同事合成了 2-甲基苯并咪唑和靛红-β-氨基硫脲的混合分子 (MBZM-N-IBT)(图28)。评估了该化合物的抗基孔肯雅病毒活性。化合物28显示出增强的抗病毒活性,因为它能够通过非常短的暴露时间显着抑制基孔肯雅病毒复制,同时降低病毒RNA水平,从而降低病毒结构和非结构蛋白 (NSP) 的表达。


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图28. MBZM-N-IBT的化学结构

6. 针对JEV、WNV和DENV的靛红衍生物

一组新的和报道的14种N-甲基靛红-β-氨基硫脲衍生物在体外针对某些黄病毒进行了测试,即日本脑炎病毒 (JEV)、西尼罗河病毒 (WNV) 和登革热病毒 2 (DENV-2)。其中包括SCH 16(图29),其确切结构令人困惑,因为作者绘制的结构与给定的化学名称不匹配,因为它缺少氨基硫脲部分。给定的化学名称与 Bal 等人首次报道的化合物10e匹配。并且使用的合成路线支持其中的绘制结构。似乎作者在他们的报告中错误地为 SCH16绘制了一个不正确的结构,因此在当前的审查中它被呈现为10e。化合物10e(SCH 16的正确结构)完全抑制JEV和WNV复制(IC50 = 16和4 μg/mL)。此外,在用JEV的LD50 进行腹膜内攻击的小鼠模型中进行的体内研究表明,500mg/kg 剂量的化合物10e能够完全抑制病毒复制,从而防止死亡。机理研究表明,抑制病毒早期蛋白质翻译是化合物10e的一种潜在作用方式。因此,它可以作为开发针对JEV和WNV的更有效的抗病毒药物的潜在先导。没有观察到该化合物对DENV-2的抗病毒活性。


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图29. N-甲基靛红-β-氨基硫脲的化学结构,10e (SCH 16)

登革热病毒 (DENV) 是目前人类最常见的节肢动物传播病毒性疾病的病原体,在全球 100多个国家流行。缺乏安全有效的疫苗和抗病毒药物限制了根除伊蚊媒介的控制措施。 Zou等人采用高通量表型筛选。合成了一系列螺吡唑并吡啶酮(图30)作为一类新的抗 DENV剂。图30中描绘的对映异构体是通过手性HPLC拆分其相应外消旋体获得的。化合物29a-w 对 DENV-2 具有良好的抗病毒活性(EC50 = 0.006-85.3 μM),其中化合物29q是最好的。SAR(总结在图31 中)显示,作为一般模式,R 对映体比 S 对映体更有效。总的来说,化合物29a可以作为进一步研究的先导化合物。


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图30. 螺吡唑并吡啶酮的化学结构



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图31. 螺吡唑并吡啶酮作为抗 DENV-2 的 SAR

基于图31所示的 SAR 研究,Xu 等人进行了进一步的优化工作。优化方法主要集中在吲哚酮部分的两个酰胺基团上,以探索化学空间以增强对所有四种DENV血清型的效力。因此,合成了一组取代的螺吡唑并吡啶酮类似物(图32),并针对四种 DENV 血清型进行了评估。在这些化合物中,30a (JMX0254) 显示出最有效和最广泛的抑制活性,对 DENV 血清型1-3有效(EC50 = 0.78、0.16 和 0.035 μM)。另一方面,化合物30b-h表现出相对中等至高的抗DENV活性,对四种菌株具有低微摩尔至纳摩尔的效力。机理研究证明,登革热 NS4B蛋白是这些化合物的分子靶标。此外,化合物30a在A129小鼠模型中显示出最佳的体内药代动力学特征,并伴有增强的功效。这些令人鼓舞的结果表明它作为抗DENV候选药物的潜在作用决定了进一步的药物开发过程。


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图32. 取代的 4,6-二氢螺环[(1-3)triazolo[4,5-b]pyridine-7,3'-indoline]-2',5(3H)-dione 类似物 30a-h的化学结构

7. 抗疱疹性靛红衍生物

单纯疱疹病毒 (HSV)是由HSV1和HSV2组成的双链RNA病毒,它们是全球人类严重健康问题的病原体。这两种病毒都属于人类疱疹病毒家族的α亚科,具有共同的结构特征。 HSV感染的主要特征是高发病率和高复发率。目前用于HSV治疗的药物为核苷类衍生物,其中阿昔洛韦最为常用。然而,耐药菌株的出现和菌株之间交叉耐药的普遍存在决定了新的非核苷类有效药物的开发。受报道的靛红-β-氨基硫脲在一系列病毒性疾病中的治疗作用的启发,Kang 等人设计并合成了一系列靛红-β-氨基硫脲(图33)。化合物31-33的SAR汇总在图34中,以帮助进一步合理开发。


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图33. 靛红-β-氨基硫脲的化学结构31–33


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图34. 靛红-β-氨基硫脲作为抗HSV药物的SAR

Jarrahpour及其同事设计并合成了十二种新的靛红双席夫碱(3435)(图35)作为广谱化疗剂。然后,筛选合成的化合物对一组DNA和RNA病毒(包括 HSV-1和HSV-2)的抗病毒活性。这些碱基均未显示出显着的抗病毒活性,表明它们无法在比最低细胞毒性浓度低≥5倍的浓度下抑制病毒复制。


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图35. 靛红 34 和 36 的双席夫碱的化学结构

基于核苷衍生物作为多种病毒性疾病的有效药物的潜在治疗特性,Oliveira等人合成了一系列新型取代的靛红核糖核苷(图36)。


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图36. 取代靛红核糖核苷 36 的化学结构

8. 抗呼吸道合胞病毒 (RSV) 的靛红衍生物

人呼吸道合胞病毒 (RSV) 是一种负链 RNA 病毒,是新生儿和幼儿严重急性下呼吸道感染的病原体。发生严重临床疾病的风险最高的人是 50 天以下或有心肺合并症的人。尽管广泛的研究已经揭示了病毒结构和功能特征的细节,但预防和治疗 RSV 感染的策略非常有限。目前的治疗策略仅限于非特异性和致畸药物利巴韦林的气雾剂给药。因此,开发有效和选择性的RSV抑制剂至关重要。基于强效RSV融合抑制剂 BMS-433771图37)的结构,Sin等人开发了一系列苯并咪唑-靛红肟(图37-39),它们被设想为 BMS-433771中固有的 bezimidazol-2-one结构的等排体。


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图37. 苯并咪唑-靛红肟的化学结构 37


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图38. 硝酮 38a-c 的化学结构


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图39. 苯并咪唑-氮杂印肟39的化学结构

在此之后,该研究针对药代动力学特性的优化。选择化合物37hm进行进一步优化,因为它们表现出良好的RSV抑制 (EC50 < 100 nM),与适中的寿命和更好的细胞通透性相关。苯并咪唑-靛红肟37-39的SAR 汇总在图40 中。


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图40. 苯并咪唑-氮杂/靛红肟作为强效 RSV 抑制剂的SAR。

9. 抗柯萨奇病毒的靛红衍生物

柯萨奇病毒 (CVs) 是与致命的人类疾病有关的肠道病毒,包括病毒性心肌炎和脑炎,尤其是在儿童和青少年中。尽管CV可能引起严重的发病率和死亡率,但仍然没有有效的许可药物可有效治疗急性CV感染。因此,Zhang等人采用高通量筛选方法的新型CV抑制剂。在这种情况下,并且受到靛红衍生物的强效抗病毒活性的鼓舞,合成了四种基于靛红的类似物40和41(图41),并使用美沙酮作为阳性对照评估了它们对柯萨奇病毒B3复制(CVB3)的活性。


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图41. 抗 CVB3 靛红衍生物的化学结构

10. 作为抗痘病毒剂的靛红衍生物

天花是一种由痘病毒引起的严重且致命的人类疾病,在20世纪导致全球超过3亿人死亡。痘病毒是属于正痘病毒家族的DNA病毒,能够在细胞质中复制。由于成功的疫苗接种计划,天花在全球范围内被根除,自1978年以来没有一个病例被登记。尽管如此,旨在开发疫苗和药物的研究仍在进行中,以在将天花用作生物威胁剂时提供针对天花的保护。50 年前,靛红衍生物如甲沙松(图4)已被证明可作为天花化学预防剂发挥作用。然而,它们的作用方式尚未确定。据报道,在易感接触者中预防性使用美沙酮可降低疾病发病率和死亡率。然而,缺乏治疗效果限制了它的使用,并且不再作为药物制造。在这方面,Pirrung及其同事采用组合方法优化了靛红-β-氨基硫脲的基本结构,以增强其抗病毒活性。因此,合成了一系列靛红-β-氨基硫脲,并使用甲沙酮和西多福韦(一种最近批准的抗痘病毒药物)作为阳性对照,检查了牛痘病毒和牛痘病毒感染的人类细胞的抗病毒活性和细胞毒性。化合物42a-d图42)确实抑制牛痘病毒斑块形成(EC50s' = 6 ± 2.9-6.2 ± 1.6 μM,SI > 8),其效力比甲氧沙宗(EC50s' = 14 ± 0.3 μM)和西多福韦(EC50 ' = 38 ± 1.9 µM)。关于它们对牛痘病毒斑块形成的活性,这些化合物表现出增强的功效(EC50s' = 0.6 ± 6.8 µM,SI > 35)并且比标准药物西多福韦更有效(EC50s' = 27 ± 7.8 µM)。此外,化合物 42a、cd对痘苗病毒斑块形成的抑制活性优于甲沙松(EC50s' = 3.3 ± 3.2 μM)。 SAR将5-bromoisatin确定为设计库中更好的抗病毒功效的关键药效团。携带无环仲胺的化合物42d成为对抗两种测试菌株最有效的类似物。由于确定了有效且更具选择性的抗痘病毒靛红-β-氨基硫脲衍生物,因此需要进一步的药物发现过程。


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图42. 靛红-β-氨基硫脲衍生物41a-d的化学结构

11. 作为抗流感病毒剂的靛红衍生物

流感病毒属于正粘病毒科,是上呼吸道传染病的主要病原体,与人类相当高的发病率和死亡率有关。疫苗和速效抗病毒药物是预防和治疗流感病毒疾病的基石。疫苗接种的效率受到病毒包膜糖蛋白持续抗原变异的限制。此外,用于预防和治疗的可用抗流感病毒药物相当稀缺,耐药株的开发是一项严峻的挑战。因此,需要付出巨大的努力来开发具有改进治疗特性的新抗病毒药物,以克服对目前使用的药物的耐药性。鉴于靛红衍生物的广谱抗病毒活性,Selvam等人使用利巴韦林和奥司他韦作为阳性对照,评估了化合物 11a-e图10)对甲型流感(H1N1、H3N2 和 H5N1)和乙型病毒的抗病毒活性。这些化合物对所有测试菌株的功效与利巴韦林相似,但低于奥司他韦。


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图43. 双螺环化合物 43 和 44 的化学结构

在另一项工作中,Karki和他的同事合成了一组靛红-β-氨基硫脲 (45a-j)。然后,在 MDCK 细胞培养物中针对一组病毒测试抗病毒活性,包括 (i)甲型流感病毒H1N1亚型、甲型流感病毒H3N2亚型和乙型流感病毒; (ii) CRFK 细胞培养物中的副流感3病毒 (PI-3 V) 猫冠状病毒 (FIPV) 和猫疱疹病毒; (iii) HEL 细胞培养物中的 HSV-1、HSV-2、牛痘病毒 (VV)、水泡性口炎病毒 (VSV) 和单纯疱疹病毒-1 TK KOS ACVr (HSV-1 TK KOS ACVr); (iv) HeLa 细胞培养物中的 VSV、柯萨奇病毒 B4 (CV-B4) 和呼吸道合胞病毒 (RSV); (v) Vero 细胞培养物中的呼肠孤病毒 1 (RV-1)、辛德比斯病毒 (SV)、CV-B4 和蓬塔托罗病毒 (PTV)。化合物 45b、45c、45d 和 45f(图44)相对于标准药物(EC50s' = 29、10、>250 和 >布立夫定、西多福韦、阿昔洛韦和更昔洛韦分别为 100 µM)。另一方面,化合物45a-j在 CRFK、MDCK 或Vero细胞培养物中没有明显的抗病毒作用。


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图44. 靛红-β-氨基硫脲45a-j的化学结构

12. 抗鼻病毒靛红衍生物

人鼻病毒 (HRV) 是主要影响上呼吸道的感冒样疾病的主要病原体。尽管几乎没有直接的医疗影响,但 HRV 感染在错过工作和多余的医疗护理方面与严重的经济影响有关。 HRV 包括三组,称为A、B和C,属于肠道病毒属和小核糖核酸病毒科。已努力开发有效的疫苗接种;然而,具有遗传变异的大量血清型(>100)的存在限制了有效疫苗的开发。此外,没有单一的临床批准药物用于治疗 HRV 感染,目前的治疗策略只是支持性的。因此,加速了研究以发现有效的和选择性的抗鼻病毒剂。因此,韦伯等人采用基于结构的药物发现策略以及分子建模和 SAR,以开发基于靛红核心的新型非肽鼻病毒3C蛋白酶可逆抑制剂。在这方面,合成了一系列靛红衍生物,即化合物46图45),并检查了它们对纯化的HRV-14 3CP 的潜在抑制作用。


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图45. 靛红衍生物 46a–aa 的化学结构

13. 具有抗脊髓灰质炎病毒活性的靛红衍生物

脊髓灰质炎病毒是一种在世界范围内广泛分布的单链RNA肠道病毒,在20世纪初曾引起公众健康关注。尽管大多数感染是亚临床感染,但只有极少数散发病例会导致麻痹性脊髓灰质炎。由于WHO于1988年发起的大规模疫苗接种运动,野生型脊髓灰质炎病毒几乎完全根除。提供强效抗脊髓灰质炎病毒药物的研究工作正在进行中,试图获得至少两种具有不同作用模式的抗病毒药物。1987年发现以靛红为特权核心的新型抗脊髓灰质炎药物。为此,合成了十二个靛红N-Mannich 碱基47a-1图46),并检测了它们对脊髓灰质炎病毒II 复制的潜在抑制作用。当使用改进的噬斑抑制方法进行测试时,化合物47a-e、g j-l对脊髓灰质炎病毒 II 具有活性。此外,化合物47a显示出抗HSV、麻疹和副流感3病毒的活性。需要进一步研究来研究它们的确切EC50及其潜在的分子靶点。


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图46. 靛红 N-Mannich 碱基 47a-l 的化学结构

14. 抗水疱性口炎病毒 (VSV) 的靛红衍生物

水疱性口炎是一种古老的人畜共患病毒性疾病,主要影响牲畜,并能够感染直接与VSV 流行地区受感染动物接触的人类。对VSV发病机制和免疫学的大量研究并未导致开发出有效的疫苗。迄今为止,尚无特异性抗病毒疗法,治疗策略是支持性的。因此,Abbas和他的同事进行了一项研究,通过探索靛红环系统来开发抗VSV药物。在这项研究中,合成了一系列氟化靛红衍生物,即化合物4849图 47),并使用干扰素作为阳性对照,评估了它们对VSV分离株的细胞毒性和抗病毒活性。


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图47. 氟化靛红衍生物47a-e48a-f的化学结构

15. 展望

在本综述中,几种靛红衍生物(图48)对多种致病病毒表现出优异的抗病毒活性。本文描述的 SAR 得到了丰富,因此激发了设计新型和广谱抗病毒类似物的创新思想。一般来说,在大多数报道的抗病毒靛红中,靛红环 C-5 上的非体积电子拉动基团与适当的 N-1 取代一起与更好的活性有关。然而,值得一提的是,靛红环的几个位置,如 C-2、C-4、C-6 和 C-7,尚未得到很好的探索,因此显然为设计预期化合物提供了一个有价值的平台.吡啶取代靛红部分中的苯环将改善药代动力学特性、细胞通透性和代谢稳定性。然而,发现这种替代物会降低抗病毒功效,如化合物 39n 所示。因此,未来旨在开发基于靛红的抗病毒类似物的研究应侧重于通过遵循逐步优化策略来平衡不同的特性。此外,尚未研究靛红环结构完整性在抗病毒活性中的本质,因此是进一步研究的主题。分子杂交策略已被公认为构建新型生物活性分子的有力工具[122]。仅在本综述的一份报告中发现了这种策略的实施,该报告涉及靛红部分与 FDA 批准的药物拉米夫定的杂交 [44]。获得的杂合分子是高效的(17b;EC50 = 0.0742 μM),表明分子杂交策略在未来开发有效的抗病毒疗法中的潜在作用。最有效的抗 SARS-COV 和抗 SARS-COV-2 化合物是 25 年(图48)。它是一种非常有效的冠状病毒主要蛋白酶抑制剂;同时,它具有很强的细胞毒性,阻碍了它的进一步发展。因此,通过利用靛红环合成修饰的便利性,结构优化是必要的。在 C-3 处插入亚胺、腙和氨基硫脲官能团可能会减轻化合物 25y 的细胞毒性。考虑到鼻病毒和冠状病毒主要蛋白酶的相似性,在46s中可以采用与化合物25y相同的修饰策略。在这种情况下可以采用的另一种有吸引力的方法是前药策略,因为已获得足够的水解能力[123]。化合物 37aa(图48)对 RSV 非常有效(EC50 = 5 nM);然而,较差的物理化学和药代动力学特征阻碍了其在药物开发过程中的进一步考虑。通过将化合物 37aa 与适当的载体结合来采用药物递送系统,可以防止异位代谢生物转化。在 C-5 处引入吸电子基团可以进一步增强化合物10e图48)对西尼罗河病毒 (WNV) 的效力(EC50 = 4 μg/mL)。对于化合物42d,氨基硫脲的烷基化以及用F基团等小基团取代C-5 Br 可以增强效力。最后,可以考虑提高图48所示的最有效抗病毒靛红的活性和选择性的一种有吸引力的方法是金属络合物的形成。金属离子为生物分子提供了一个额外的结合位点,从而实现了进一步的相互作用,它们似乎有望用于开发具有独特作用机制的有效抗病毒药物。因此,本文讨论的未来观点将为进一步合理设计基于靛红核心的更有效的类似物提供新的见解。


药物设计|靛红骨架在抗病毒药物开发中的运用  第48张


图48. 最有效的抗病毒靛红

16. 小结

近几十年来,以 COVID-19 为代表的大规模病毒爆发已经造成了灾难性的影响。这促使全世界的研究人员使用多种杂环寻找有前景的抗病毒药物。为此,靛红是一种吲哚类似物,已被广泛研究。这篇综述突出强调了靛红衍生物作为抗病毒剂的最新发展,重点是它们的 SAR,以指导进一步合理地发现更有效的类似物。一般而言,本文所述的几种候选物已显示出针对不同病原病毒的有希望的活性。例如,靛红17b25y被发现与用于抑制HIV和 SARS-COV-2的相关标准等效或更好,IC50值分别为0.0742和0.045 µM。要开发一种理想的抗病毒药物,不仅要考虑效力,还要考虑细胞毒性。本文回顾的一些有效衍生物表现出低选择性指数 (SI),这阻碍了它们的进一步发展。此外,物理化学性质和药代动力学特征已被证明是与某些强效抗病毒药靛红相关的其他缺点。例如,37hm的使用受限于它们的代谢不稳定性和渗透性差,尽管它们具有强大的抗病毒功效(EC50 < 100 nM对抗RSV)。在当前的审查中,已广泛讨论和介绍了靛红衍生物的SAR,以激发新颖和创造性的设计方法,以消除突出的缺点。靛红衍生物已显示出广泛的生物活性。乍一看,这对药物开发过程可能不是好兆头,因为这意味着衍生物可能会产生许多副作用。尽管如此,基于SAR对靛红功能化的微调将有助于在这方面开发理想的先导。已经确定了有趣的研究空白,包括 (i)关于详细作用机制的研究,这可能有助于合理的药物设计和发现过程;(ii)对具有相似靶标的病毒的强效抗病毒靛红的研究非常有限;(iii)缺乏分子模型研究。解决这些差距突出了未来探索靛红核心作为有前途的抗病毒核心的方式。

参考文献

Elsaman, Tilal, et al. "Isatin derivatives as broad-spectrum antiviral agents: the current landscape." Medicinal Chemistry Research (2022): 1-30.


标签: 药物设计

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