《Bioorganic Chemistry》：Multi-targeted quinoline-sulfonamide-chalcone hybrids: novel candidates for anti-quorum sensing, anti-biofilm, and anticancer activities
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本研究设计并合成了九种新型喹啉-磺酰胺-查耳酮（QCSa-i）杂合物，通过实验和计算方法评估其多靶点治疗潜力。化合物在抗菌、抗生物膜和抗胃癌/肠癌方面表现突出，其中QCS-h展现出显著的广谱抗菌活性（IC50低于标准药）和超过80%的抗生物膜效果。分子对接显示其对EGFR的高亲和力（结合能-11.25 kcal/mol），DFT分析支持其电子特性和药效团构效关系，ADME评估证实其药物潜力，为开发新型多靶点抗癌及抗菌药物提供依据。
阿尔帕斯兰·阿塔汉（Alparslan Atahan）、艾哈迈德·巴德雷丁·穆萨塔特（Ahmad Badreddin Musatat）、伊尔克尔·基利奇奥卢（Ilker Kiliccioglu）、阿伊塞古尔·阿科尤恩卢（Aysegul Akkoyunlu）、戈尔凯姆·杜尔杰（Gorkem Dulger）
土耳其杜兹切大学（Düzce University）科学与艺术学院化学系，邮编81620，杜兹切（Düzce）
摘要
本研究合理设计、合成并全面评估了一类新型喹啉-磺酰胺-查尔酮（QCSa-i）杂化物，作为潜在的多靶点治疗剂。通过杂化方法，研究了这些化合物的抗菌、抗群体感应、抗生物膜和抗癌活性，并结合了广泛的计算机模拟分析（包括密度泛函理论（DFT）计算和针对关键致癌靶点（Bcl-2、EGFR、Survivin）的分子对接模拟，以及药代动力学（ADME）分析。研究结果表明，这些化合物具有优异的生物活性，其中QCS-h作为先导化合物，对B. cereus、P. aeruginosa和C. glabrata表现出广谱抗菌活性，其IC50值远低于常用的四环素和制霉菌素。此外，QCS-h在所有测试浓度下均表现出优异的抗生物膜活性，对强生物膜形成菌Escherichia coli的抑制率超过80%。分子对接研究表明，QCS-h对表皮生长因子受体（EGFR）具有显著的结合亲和力，结合能为?11.25 kcal/mol，理论抑制常数为5.68 nM，显著优于对照化合物（1.85 μM）。DFT计算有助于理解其电子性质。有利的药代动力学特性进一步支持了这些化合物作为药物的潜力。这种综合方法突显了喹啉-磺酰胺-查尔酮杂化物，特别是QCS-h，在对抗抗菌耐药性和胃肠道恶性肿瘤方面的治疗前景，为未来的合理药物设计策略提供了宝贵见解。
引言
不断寻找新的治疗剂是现代医学的基石，尤其是在癌症这一充满挑战的领域。尽管取得了显著进展，但耐药性的出现以及对更有效和更具选择性的治疗方法的持续需求，推动了对新分子实体的广泛研究。癌症涉及遗传和表观遗传变化，导致细胞无控制地增殖和转移。开发既能靶向恶性细胞又能保护正常组织的选择性抗癌药物仍然是重要的制药目标，这解决了传统广谱细胞毒性药物的局限性[1]。现代抗癌药物发现已从抑制DNA合成转向靶向调节细胞周期调节因子、生长因子受体和凋亡途径，从而实现选择性治疗并降低全身毒性[2]。胃癌是全球第五大常见癌症，也是癌症相关死亡的主要原因之一，在东亚地区的发病率和死亡率尤其高[3]，大多数患者在晚期才被诊断出来，由于缺乏典型临床症状，预后较差[4]。因此，新的精准医疗策略可以通过选择对特定个体更有益的药物来改善患者预后，从而减少标准化疗的需求，后者往往具有更广泛且更严重的副作用[5]。另一方面，寻找新的抗菌剂以防止病原体产生耐药性仍然是对抗感染的重要任务。群体感应（QS）是一种细菌通信系统，使细菌能够以协调的方式形成生物膜结构并发展毒力特征。它还有助于调节基因表达和修饰表面抗原，从而逃避宿主的免疫反应。位于生物膜细胞外基质中的细菌群落能够抵抗恶劣的环境条件和营养缺乏。在生物膜内，它们处于休眠状态，免受免疫系统的攻击，并可能引发复发或急性感染[6]、[7]。查尔酮及其衍生物表现出显著的抗生物膜、抗群体感应（QS）和抗菌活性，使其成为对抗抗生素耐药性的有希望的候选药物[8]、[9]。含喹啉的衍生物已被评估为抗群体感应剂，磺酰胺和磺酰脲衍生物则代表了一种专门针对病原体的新策略[10]、[11]、[12]，这为开发具有相同核心的新候选药物提供了可能性。在抗癌活性方面，最近有几种创新药物被批准用于治疗胃肠道（GI）癌症，反映了向精准医疗和免疫治疗的转变，包括针对EGFR、HER2、VEGF/VEGFR、HGF/c-MET和Claudin 18等关键分子的研究，例如用于转移性结直肠癌的fruquintinib[5]、用于KRAS G12C突变结直肠癌的adagrasib与cetuximab联合使用[14]，以及用于CLDN18阳性[15]和HER2阴性胃或食管交界腺癌的zolbetuximab与化疗联合使用[16]。其他进展还包括tislelizumab，一种PD-1抑制剂，既可作为单药使用也可与化疗联合用于食管鳞状细胞癌[17]；针对胆道癌的HER2靶向双特异性抗体zanidatamab[18]；以及抗体-药物偶联物trastuzumab deruxtecan，已被批准用于不可切除或转移性HER2阳性实体瘤[3]。这些批准突显了通过靶向和免疫治疗策略在胃肠道肿瘤学方面取得的治療进展，同时也强调了开发能够应对耐药机制并扩大治疗选择的新骨架的必要性。另一方面，合理的药物设计通过基于已知情况的创新视角提供了新的思考方向。众所周知，磺酰胺结构单元在药物化学中具有优势，既可作为药效团也可作为分子连接器，促进与多种生物靶点的相互作用[19]。许多FDA批准的治疗药物都含有磺酰胺功能，对芳香族和杂芳香族磺酰胺库的高通量筛选产生了许多生理活性化合物，例如已建立的抗生素、抗肿瘤剂和抗结核剂[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。基于这些情况，我们可以认识到磺酰胺和喹啉药效团的策略性融合在发现治疗相关分子骨架方面具有巨大潜力。这种方法已被证明是有效的，因为一些含磺酰胺和喹啉核心的药物的生物学重要性在文献中有充分记载，如图1所示。
近年来，基于喹啉的化合物在药物化学中受到了广泛关注，因为它们具有多样的生物活性，应用于抗疟疾、抗菌、抗真菌、抗癌和抗炎等多种领域[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。它们的结构多样性促进了化学空间的探索，使喹啉成为药物发现的理想骨架。抗癌药物设计旨在针对细胞增殖、存活和凋亡途径。EGFR酪氨酸激酶、Bcl-2和Survivin是多种恶性肿瘤的验证治疗靶点[29]、[30]、[31]。异常表达与肿瘤进展和治疗耐药性相关，因此需要开发具有更高选择性和耐药性规避机制的改进抑制剂。文献分析显示，对于喹啉-磺酰胺骨架的系统结构-活性关系，特别是在电子性质、多靶点结合亲和力和群体感应机制方面，理解仍然有限。结合DFT计算、分子对接和多靶点结合评估的综合性计算研究尚未得到充分探索，为开发基于喹啉的抗癌剂提供了机会。在这里，我们全面研究了一类新合成的喹啉基磺酰胺查尔酮衍生物（QCSa-i）。为了阐明它们的物理化学和电子性质，采用了密度泛函理论（DFT）计算，提供了关于电子结构、反应性描述符以及取代基和溶剂环境影响的见解。该分析包括前沿分子轨道（FMOs）、分子静电势（MEP）图、通过简化密度梯度（RDG）分析的非共价相互作用（NCI）、电子局域化函数（ELF）、局域轨道定位器（LOL）图和平均局域化离子化能（ALIE）表面。还进行了补充的分子对接研究，以预测化合物与关键致癌靶点（包括Bcl-2、EGFR和Survivin）的结合亲和力并定义相互作用机制。为了进一步评估其药物潜力，进行了ADME（吸收、分布、代谢和排泄）分析，确保对其作为可行治疗候选物的适宜性进行综合评估。
基于骨架的设计策略如图2所示，强调了将喹啉和磺酰胺等具有生物优势的药效团纳入α-β系统中，形成了查尔酮框架，这建立在先前研究的持续努力基础上（a）针对EGFR抑制表现出最强和最有希望的细胞毒性活性的化合物在MCF-7癌细胞系中的验证[32]；（b）通过类似方法发现其对AGS胃癌细胞具有更强的细胞毒性[33]。采用杂化方法将喹啉药效团纳入，得到了多种强效的抗有丝分裂剂和微管聚合抑制剂（见c）[34]、[35]。最后，如（d）所示，这些分子杂化物表现出广谱抗菌活性和对胃肠道癌细胞（如AGS、HepG2和HCT116）的选择性、强效的抗增殖活性，通常优于奥沙利铂[36]，这种分子杂化概念使得系统探索和优化结构-活性关系（SARs）和物理化学多样性成为可能。基于这一原理，设计并合成了一系列九种衍生物，以实现双重抑制、抗群体感应和抗生物膜活性，以及对胃肠道癌症的选择性抗增殖效果。为了进行生物学评估，选择了AGS（胃癌腺癌）、HepG2（肝细胞癌）和HCT-116（结直肠癌）细胞系作为成熟且遗传稳定的人类癌症模型，为比较不同肿瘤来源的细胞毒性和治疗效果提供了坚实的基础。为了合理解释观察到的SAR并确定先导化合物，将实验结果与计算分析相结合，包括基于DFT的电子特性分析、分子对接、ADME筛选和计算机预测（SwissTargetPrediction）。这种综合策略旨在识别具有有利多参数特性的新型抗癌衍生物，结合了电子可行性、选择性细胞毒性和有希望的药代动力学特性。通过这项工作，我们报告了九种喹啉-磺酰胺-查尔酮衍生物的合理设计、合成和系统评估，这些衍生物作为针对胃肠道恶性肿瘤和癌症相关炎症微环境的潜在多靶点治疗剂。
部分摘录
概述
合理设计的杂化物（QCSa-i）是通过Claisen-Schmidt缩合反应合成的，如方案1所示，采用了文献中的方法[33]。所有试剂和化学品均从Sigma-Aldrich和Merck公司购买，纯度为AR级，溶剂未经进一步纯化即可使用。反应通过Silica Gel TLC板60进行监测，粗产物通过重结晶或柱层析纯化。NMR光谱数据已记录。
化学
喹啉-磺酰胺-查尔酮杂化物（QCSa-i）的合理设计和合成是通过采用Claisen-Schmidt缩合方法的策略性计划合成路线成功完成的，如图1所示。这种合成方法利用了三种具有优势的药效团——喹啉、磺酰胺和查尔酮的模块化组装，每种药效团都为药物提供了独特的药理特性。
结论
在这项全面研究中，我们成功设计、合成并彻底评估了一类九种喹啉-磺酰胺-查尔酮（QCSa-i）衍生物，旨在开发多靶点治疗剂。我们的综合实验和计算方法提供了关于它们的物理化学性质、电子结构和生物活性的深刻见解，特别是针对微生物病原体和癌症靶点。QCS衍生物表现出显著的
作者贡献声明
阿尔帕斯兰·阿塔汉（Alparslan Atahan）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、方法学、资金获取、数据管理、概念化。艾哈迈德·巴德雷丁·穆萨塔特（Ahmad Badreddin Musatat）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件、方法学、研究、形式分析、数据管理、概念化。伊尔克尔·基利奇奥卢（Ilker Kiliccioglu）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法学、研究、数据管理、概念化。阿伊塞古尔·阿科尤恩卢（Aysegul Akkoyunlu）：方法学
伦理标准遵守情况
本文不包含任何涉及动物或人类参与者的研究。
资助
本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）的支持（项目编号：124Z612）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢杜兹切大学和萨卡里亚大学的化学系提供的实验室设施。
