通过模块化点击化学技术，以多样性为导向合成对芳基磺胺类药物，这些药物可作为强效的人类碳酸酐酶抑制剂

《Bioorganic Chemistry》：Diversity-oriented synthesis of Para-aryl Sulfonamides as potent human carbonic anhydrase inhibitors via modular click chemistry

本研究采用模块化点击化学策略，在96孔板上合成401种结构多样的芳磺酰胺三唑衍生物，经酶活性筛选发现16个高活性抑制剂，其中3o和3h对hCA II抑制活性显著（Ki分别为1.65和2.26 nM），部分化合物（如3e）对CA同工酶具有选择性，且显示良好药效学性质。

　　

Xinmo Gui|Jie Wang|Xian Wang|Min Xie|Guangyuan Yin|Liangkai Shao|Liqing Zheng|Peixin Han|Jiong Zhang

中国安徽省医科大学药学院炎症与免疫介导疾病实验室，合肥市

摘要

碳酸酐酶是药物发现中一个极具前景的靶点，因为其在人体内的各种异构体的失调或过度表达与多种疾病密切相关。碳酸酐酶抑制剂可以调节人体碳酸酐酶的活性，从而发挥利尿、抗青光眼、抗癫痫、镇痛、抗肿瘤和抗肥胖的作用。在这项研究中，为了获得结构多样化的碳酸酐酶抑制剂，我们采用模块化点击化学库策略在96孔板中构建了401种对氨基苯磺酰胺-三唑类化合物。通过这种以多样性为导向的点击化学方法并结合酶活性筛选，我们发现了16种对hCA II具有强抑制活性的化合物，并且这些化合物在结构上具有相当大的多样性。其中，化合物3o和3h对hCA II的抑制活性特别强，其Ki值分别为1.65 nM和2.26 nM，而化合物3e在不同hCA异构体之间也表现出一定的选择性。此外，这些化合物还显示出良好的药物样性质。

引言

碳酸酐酶（CAs）是一类依赖锌的金属酶，在生物体内广泛存在。它们主要催化二氧化碳可逆地水解为碳酸氢盐和质子，在维持生理pH平衡、促进物质运输和实现气体交换中起着关键作用[1]、[2]。目前已知的碳酸酐酶可以分为八个不同的家族：α、β、γ、δ、ζ、η、θ和ι。在人类体内，已知的15种碳酸酐酶异构体都属于α-CA家族。它们参与调节pH值和CO?平衡、呼吸作用、CO?和HCO??的运输、组织和器官中的电解质分泌、骨骼吸收、钙化过程以及利用HCO??作为底物的各种生物合成反应（如糖异生、脂质合成和尿素生成）[3]。 在人类碳酸酐酶（hCAs）中，有12种异构体具有催化活性（I、II、III、IV、VA、VB、VI、VII、IX、XII、XIII和XIV）。尽管这些异构体在亚细胞定位、组织和器官分布、表达水平、活性和动力学性质上存在显著差异，但它们具有相似的催化功能，并且拥有高度保守的活性位点[2]。hCAs参与许多生理和病理过程。它们的异常表达或活性失调与多种疾病相关，包括青光眼、癫痫、高原反应、癌症、肥胖、疼痛和神经退行性疾病[1]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。因此，设计和开发高效且选择性的hCAs抑制剂具有重要的应用前景[8]、[9]、[10]、[11]。 碳酸酐酶抑制剂已有数十年的临床应用历史。早在20世纪50年代，就开发出了针对碳酸酐酶的利尿剂乙酰唑胺（AZA，图1）。尽管其利尿效果不是特别显著，但它作为先导化合物促进了氢氯噻嗪和呋塞米等优秀利尿剂的研发。最近发现，乙酰唑胺还具有新的治疗作用，与其他药物联合使用时可用于治疗急性失代偿性心力衰竭[12]。碳酸酐酶抑制剂也用于青光眼的治疗，例如甲唑胺（MTZ）和乙氧唑胺（图1）是全身作用的抗青光眼药物。相比之下，多佐拉胺和布林佐胺（图1）作为眼药水局部使用，具有较少的全身副作用[10]。此外，SLC-0111（图1）是一种正在临床试验中的碳酸酐酶抑制剂，目前正在进行Ib/II期临床试验，用于治疗晚期转移性实体瘤[13]、[14]。 在传统的药物发现过程中，研究人员从先导化合物开始设计并合成一系列衍生物，评估它们的生物活性，并通过多轮迭代最终阐明结构-活性关系并确定候选化合物。然而，这种策略的主要限制在于合成和纯化衍生物所需的大量资源和努力，加上合成效率较低，导致结构多样性有限。点击化学是由诺贝尔化学奖得主Karl Barry Sharpless（2001年和2022年）提出的一种合成方法，旨在通过快速、简单和高效的连接反应来制备功能性分子[15]。该方法已在化学、材料科学、生命科学和药物研究等多个领域得到广泛应用[16]、[17]、[18]、[19]。我们之前的研究[20]、[21]、[22]表明，使用点击化学策略可以直接在96孔微孔板中模块化合成三唑类衍生物。每种衍生物只需合成100 μL的粗产物，这些产物可以直接用于后续的生物活性筛选，无需分离或纯化。这种以多样性为导向的点击化学方法能够快速且廉价地生成结构多样的先导化合物，适用于进一步的药物开发或作为研究生物过程的工具分子。 在对hCA抑制剂的研究中，对氨基苯磺酰胺是最常见的锌结合基团。基于对氨基苯磺酰胺骨架设计高效且选择性的碳酸酐酶抑制剂已成为一个活跃且不断发展的研究热点[1]、[3]。最近的一些优秀研究（如Buza等人[23]、[24]和Kakakhan等人[25]的工作）通过引入三唑连接基团成功开发出了高效且中等选择性的hCAs抑制剂。然而，这些研究主要集中在特定尾部结构的优化上。为了更系统地探索尾部化学空间的巨大可能性，并充分利用点击化学在构建多样化分子库方面的优势，本研究采用了模块化策略。为了高效获得结构多样性和高效活性的碳酸酐酶抑制剂，我们使用叠氮磺酰胺作为点击化学的前体，并实施了模块化点击化学库方法，构建了一个高度多样化的末端结构衍生物库，旨在系统地探索更广泛的化学空间。总共在96孔板中模块化合成了401种结构多样的三唑类衍生物，随后进行了酶活性筛选，成功鉴定了16种具有良好活性的结构多样化的碳酸酐酶抑制剂。这些对氨基苯磺酰胺三唑类化合物还对不同的碳酸酐酶异构体（如hCA I、II和IX）表现出一定的选择性。

部分内容

通过点击化学模块化制备对氨基苯磺酰胺三唑

碳酸酐酶的催化结构中，活性位点位于一个深度约为15 ?的圆锥形腔体的底部，其中心有一个具有催化活性的Zn2?离子[2]。这个锌离子由三个保守的组氨酸残基（His94、His96和His119）和一个水分子/氢氧根离子以四面体结构配位[26]、[27]。活性位点腔体可以分为两个区域：一个主要由疏水性氨基酸组成的疏水区，以及另一个...

结论

人类碳酸酐酶具有多样的药理功能，并具有显著的生物医学潜力，包括利尿、抗青光眼、抗癫痫、镇痛、抗肿瘤和抗肥胖作用。尽管数十年的研究已经产生了多种hCA抑制剂类型，如金属离子结合剂、锚定在锌配位水分子上的化合物、阻断活性位点入口的抑制剂、别构抑制剂等[10]，以及超过700种hCA/抑制剂复合物...

化学品和方法

所有试剂和溶剂均来自商业供应商，按原样使用。核磁共振（NMR）谱（1H和13C）在Bruker AVANCE光谱仪上于300、400或500 MHz的频率下获得。化学位移（δ）以百万分之一（ppm）为单位报告，并参照氘代溶剂的残余信号进行校准。偶联常数（J）以赫兹（Hz）表示，多重性分别用s（单峰）、d（双峰）、t（三峰）、q（四峰）和m表示...

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本手稿时，作者使用ChatGPT对英文文本进行了润色和修改。使用后，作者对内容进行了彻底审查和必要的修订，并对最终发表的文章版本负全责。

CRediT作者贡献声明

Xinmo Gui：撰写——初稿、验证、方法学、实验设计、资金获取、数据分析。Jie Wang：撰写——初稿、验证、实验设计、数据分析。Xian Wang：验证、实验设计、数据分析。Min Xie：验证、实验设计。Guangyuan Yin：实验设计。Liangkai Shao：实验设计。Liqing Zheng：实验设计。Peixin Han：实验设计。Jiong Zhang：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（82204206）、安徽省教育厅自然科学项目（2024AH040094）、安徽医科大学的科学研究资助（IMMDL-RP0002）以及安徽医科大学研究生创新研究与实践项目（YJS20240066）的支持。