新型2,5-二酮哌嗪衍生物的设计、合成及多方面研究：超分子结构、抗癌活性、ctDNA结合能力及抗氧化特性

《Journal of Molecular Structure》：Design, Synthesis, and Multifaceted Exploration of Novel 2,5-Diketopiperazine Derivatives: Supramolecular framework, Anticancer Activity, ctDNA Binding, and Antioxidant Properties

新型2,5-二酮哌嗪衍生物的合成、晶体堆积及抗肿瘤抗氧化活性研究。该系列化合物通过N-烷基化（ allyl基团）和杂环替换（苯基哌嗪环）改善溶解性，其中化合物10f的晶体堆积主要依赖N-H…O、C-H…O及C-H…π氢键/π-π相互作用。抗癌测试显示10b和10d IC50值分别为91.81±3.90和105.1±4.75 μM，且10b的DNA结合能力与其抗癌活性显著相关。抗氧化实验表明10b IC50为7.68 μM，接近抗坏血酸水平。

　　

Brilliant N. Marak | Fanai Nghakliana | Lalremruati | Zothansiama | Biswajit Saha | Ved Prakash Singh

印度米佐拉姆大学物理科学学院化学系，艾佐尔，796004

摘要

本文设计、合成并表征了一系列新型的2,5-二酮哌嗪衍生物。对化合物10f的超分子结构和能量框架进行了研究，发现其晶体堆积主要受到N–H···O、C–H···O和C–H···π相互作用的稳定作用。所有合成的化合物均经过了抗癌活性、ct-DNA结合能力和抗氧化潜力的评估。在细胞毒性实验中，化合物10b和10d表现出最强的活性，24小时处理后的IC₅₀值分别为91.81 ± 3.90 μM和105.1 ± 4.75 μM。紫外-可见光谱研究证实了这些化合物与小牛胸腺DNA（ctDNA）的结合，光谱数据表明大多数衍生物的结合机制为沟槽结合或静电结合，而化合物10d则表现出典型的插入式结合特征。值得注意的是，化合物10b的DNA结合亲和力与其抗癌效果相关。此外，化合物10b在系列中显示出最高的抗氧化活性（IC₅₀ = 7.68 μM），与L-抗坏血酸（IC₅₀ = 5.53 μM）相当。

引言

癌症仍然是一种威胁生命的疾病，也是全球主要的健康负担，是仅次于心血管疾病的第二大死亡原因[1]。在各种癌症类型中，肝癌尤为普遍，是全球第六大常见癌症，男性中第五大常见癌症，女性中第九大常见癌症[2]。传统的化疗是癌症治疗的主要策略之一，主要通过非特异性细胞毒性作用于快速分裂的细胞。然而，这种缺乏选择性的方法常常导致严重的副作用、健康组织损伤以及多药耐药性的产生，尤其是在长期治疗期间[1]。这些限制大大降低了治疗效果和患者的生活质量，因此迫切需要开发更安全、更具选择性和更有效的抗癌药物，这一目标持续推动着药物研究的发展。 2,5-二酮哌嗪（DKPs）是一类具有重要结构的天然环状二肽，具有多样化的结构和广泛的生物活性[3]。由于其能够与多种生物靶点相互作用，DKPs在药物化学中被视为理想的骨架[4,5]。它们良好的物理化学性质、构象刚性以及类似药物的特性进一步增强了其作为药物设计的模板潜力。一个显著的例子是普利那布林（Plinabulin，图1），它是天然产物苯基组胺的合成衍生物，最初被开发为血管破坏剂（VDA）。目前普利那布林正在进行III期临床试验，用于与多西他赛（Docetaxel）联合治疗非小细胞肺癌（NSCLC）[6]。最近的研究还表明，普利那布林通过类似秋水仙素的微管解聚机制表现出强大的抗微管活性[7]。然而，未保护型DKP衍生物的一个显著缺点是溶解度低，这主要是由于酰胺官能团和芳香基团之间的强分子间氢键和π–π堆叠相互作用所致。这些相互作用促进了固态下的超分子组装，从而降低了生物利用度[3],[8],[9],[10]。Liao等人和Li等人的先前研究表明，对DKP酰胺氮进行N-烷基化（特别是用烯丙基取代）可以有效破坏这些分子间相互作用并改善其物理化学性质[10,11]。值得注意的是，含有烯丙基的化合物（如S-烯丙基半胱氨酸）表现出广谱抗癌活性，其中烯丙基基团在其治疗效果中起着关键作用[12],[13],[14]。 引入亲水性杂环（如吗啉和咪唑）在抗癌药物设计中也具有重要意义。例如，含有吗啉的化合物吉非替尼（Gefitinib）、卡纳替尼（Canertinib）和科阿帕尼西布（Coapanlisib）已获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准用于癌症治疗[15]（图1）。同样，基于咪唑的抗癌药物如达卡巴嗪（Dacarbazine）、巯嘌呤（Mercaptopurine）、替吡法尼（Tipifarnib）和替莫唑胺（Temozolomide）目前也在临床用于治疗多种癌症[16]。 DNA是许多临床有效抗癌药物的主要细胞内靶点，无论是直接作用还是通过干扰DNA相关过程。小分子可以通过共价或非共价机制与DNA相互作用，其中非共价作用（如插入、静电吸引和沟槽结合）最为常见[17]。单独使用或联合使用时，针对DNA的药物显著提高了患者的生存率，这突显了理解药物-DNA相互作用对于合理设计抗癌药物的重要性[18,19]。 因此，本研究报道了新型普利那布林基2,5-DKP衍生物的合成，其中咪唑基团被苯基吗啉和苯基-1H-咪唑单元取代。此外，在DKP酰胺氮上引入烯丙基取代基以改善其物理化学性质。通过结构分析和Hirshfeld表面研究对这些化合物进行了全面表征，并系统评估了它们的抗癌活性、与小牛胸腺DNA（ctDNA）的结合行为以及抗氧化潜力。

化合物的合成与表征

化合物的合成与表征

通过多步骤程序合成了一系列新型DKP衍生物，具体过程如方案1所示。合成始于商业可获得的4-氟苯甲醛（1），在室温下，它在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中与吗啉和咪唑在K₂CO₃存在下发生亲核取代反应，生成氨基取代的醛类化合物（3a和3b）（方案1.1）。在方案1.2中，甘氨酸酐（4）在过量...

结论

成功合成并表征了六种新型的基于普利那布林的2,5-二酮哌嗪（DKP）衍生物。对化合物10f的超分子分析表明，其晶体堆积主要受经典的N–H···O和非经典的C–H···O氢键以及C–H···π相互作用的影响。Hirshfeld表面分析和2D指纹图谱进一步阐明了其自组装的分子间相互作用类型。能量框架计算表明...

材料与方法

除非另有说明，所有化学品和试剂均从商业供应商处购买，按原样使用，无需进一步纯化。产品表征采用¹H NMR、¹³C NMR和高分辨率质谱（HRMS）进行。HRMS数据在SCIEX Model X500R QTOF仪器上以正离子模式记录，并进行内部校准。¹H NMR在DMSO-d₆或CDCl₃介质中进行，¹³C NMR在500 MHz或600 MHz频率下采集。

作者贡献声明

Brilliant N Marak：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、可视化处理、软件应用、数据管理、概念构思。 Fanai Nghakliana：实验研究、方法学设计、数据分析、可视化处理、数据管理。 Lalremruati：实验研究、数据分析。 ZothansiamaBiswajit SahaVed Prakash Singh

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的研究结果。

致谢

作者感谢印度米佐拉姆大学艾佐尔分校的化学系、工业化学系和动物学系以及DST-FIST提供的研究设施。作者衷心感谢班纳拉斯印度教大学（Banaras Hindu University）的中央仪器设施（CIF）提供的NMR和HRMS设备和技术支持。Brilliant N. Marak和Lalremruati还感谢部落事务部（Ministry of Tribal Affairs）的大学拨款委员会提供的支持。