揭示新型烷氧基和甲硫基查尔酮衍生物的抗癌潜力：合成、计算机模拟与体外评价 中文标题：新型烷氧基与甲硫基查尔酮衍生物的合成及其对乳腺癌和宫颈癌细胞的抗癌活性与机制研究

《Natural Sciences》：Unveiling the Anticancer Properties of New Synthesized Alkoxy- and Methyl Thio-Chalcone Derivatives

（编辑推荐）本研究采用绿色化学方法微波辅助有机合成(MAOS)，高效合成了六种新型查尔酮衍生物。通过MTT实验评估其对T47D、MCF-7(乳腺癌)及HeLa(宫颈癌)细胞的抑制活性，并结合分子对接探讨其与关键靶点(如SIRT1、ERα、Caspase-3)的结合机制。结果显示，部分化合物(1、2、4、b>6)展现出强效且选择性良好的抗癌潜力，为开发新型抗癌先导化合物提供了重要依据。

　　

¹引言：癌症治疗的挑战与查尔酮的机遇

乳腺癌和宫颈癌是当今女性面临的主要健康威胁，寻找高效、低毒的新型抗癌药物是当前研究的热点。查尔酮是一类具有广泛生物活性的天然产物骨架，其衍生物因其易于修饰的结构和多样的药理活性而备受关注。已有研究表明，查尔酮及其衍生物具有抗真菌、抗病毒、抗炎、抗氧化和抗癌等多种药理活性，尤其显示出抑制癌细胞增殖的潜力。其苯环上的取代基类型和数量，如羟基(─OH)、甲氧基(─OCH₃)、卤素(─X)等，对其生物活性起着决定性作用。其中，烷氧基(─OAlkyl)和甲硫基(─SMe)的引入，因其对增强代谢稳定性和抗癌活性的积极影响，成为研究者关注的焦点。

本研究聚焦于设计、合成并评估一系列带有甲氧基(─OMe)、烯丙氧基(─OAllyl)和甲硫基(─SMe)的新型查尔酮衍生物，并首次结合微波辅助有机合成(MAOS)这种高效、环保的绿色合成方法，系统研究其对特定乳腺癌(T47D和MCF-7)和宫颈癌(HeLa)细胞系的抗癌活性。研究还采用计算机模拟方法，对合成的六种查尔酮(命名为查尔酮1至6)进行分子对接研究，分析其与三个关键癌症靶点蛋白的相互作用：组蛋白去乙酰化酶SIRT1抑制剂(PDB: 4I5I，与T47D细胞相关)、雌激素受体α配体结合域Y537S突变体(PDB: 6CBZ，与MCF-7细胞相关)以及HeLa细胞系蛋白Caspase 3 V266A突变体(PDB: 5I9B，与HeLa细胞相关)。这项研究旨在填补该领域的研究空白，为开发新型抗癌药物提供理论和实验基础。

²实验部分：合成、表征与生物活性评估

本研究首先通过克莱森-施密特缩合反应，在室温下合成了六种查尔酮衍生物。为了追求高效和绿色化学，合成过程主要采用了微波辅助有机合成(MAOS)方法。实验系统考察了微波功率(400、600、800 W)和反应时间(10、15、20分钟)对产率的影响。结果表明，在800 W功率下反应20分钟，所有目标查尔酮(1-6)的产率均达到87%–90%，证明了MAOS方法在显著缩短反应时间的同时，仍能保持高收率的优势。所有产物均通过红外光谱(IR)、核磁共振氢谱和碳谱(¹H NMR和¹³C NMR)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)和高分辨质谱(HRMS)进行了充分的结构表征与确认。

1–6及MTT实验的通用流程示意图。">

抗癌活性评估采用标准的MTT实验法，测定了六种查尔酮衍生物及阳性对照药物阿霉素对三种人癌细胞系(T47D、MCF-7、HeLa)和一种正常细胞系(Vero)的半抑制浓度(IC₅₀)值。根据通用的活性评判标准(IC₅₀< 30 μg/mL为强活性；30–100 μg/mL为中等活性；> 100 μg/mL为低活性)，研究结果揭示了具有前景的抗癌候选物：查尔酮1对HeLa细胞显示出最强的抗宫颈癌活性(IC₅₀为28.47 ± 0.41 μg/mL)；查尔酮2和6对T47D细胞显示出强抗乳腺癌活性(IC₅₀分别为17.85 ± 0.84 μg/mL和29.09 ± 0.37 μg/mL)；查尔酮4对MCF-7细胞显示出强抗乳腺癌活性(IC₅₀为15.89 ± 0.79 μg/mL)。此外，所有查尔酮对正常Vero细胞的IC₅₀值均远高于100 μg/mL，表明其具有较低的细胞毒性，选择性指数(SI)计算进一步证实了它们对癌细胞的良好选择性，其中多个化合物的SI值大于3，提示其作为抗癌药物的良好安全性潜力。

³计算机模拟研究：从分子层面理解作用机制

为了从分子水平探究活性差异的原因并预测其成药性，研究进行了系统的计算机模拟分析。首先，利用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G(d, p)水平上对六个查尔酮分子进行了结构优化和前线分子轨道(HOMO和LUMO)计算。分析显示，活性较好的查尔酮1、2、4、6的HOMO-LUMO能隙(ΔE)与阳性药阿霉素接近，表明它们具有相似的化学活性和稳定性。

1(A)、2(B)、3(C)、4(D)、5(E)、6(F)。">

1–6及阿霉素的HOMO轨道图。">

1–6及阿霉素的LUMO轨道图。">

其次，通过Lipinski五规则评估了所有化合物的类药性。结果显示，所有查尔酮衍生物均符合口服药物候选物的标准，包括分子量小于500 g/mol、脂水分配系数Log P小于5、氢键供体数小于5、氢键受体数小于10，以及摩尔折射率在40–130之间，表明它们具有良好的口服吸收潜力。

研究的核心模拟部分是分子对接。研究将六个查尔酮配体分别与三个关键的癌症相关靶点蛋白进行对接：SIRT1 (PDB: 4I5I，针对T47D细胞)、突变雌激素受体α (PDB: 6CBZ，针对MCF-7细胞)和Caspase-3 V266A (PDB: 5I9B，针对HeLa细胞)。对接结果显示，所有查尔酮衍生物与三种靶蛋白均表现出良好的结合亲和力，结合能均为负值(普遍低于-5 kcal/mol)。具体而言，查尔酮4与SIRT1的结合能最低(-9.76 kcal/mol)，查尔酮1与ERα突变体和Caspase-3的结合能分别为-7.93和-7.39 kcal/mol。这些负的结合能值表明配体-受体复合物的形成是自发的且结合稳定。对接可视化分析揭示，查尔酮与受体之间的相互作用力类型丰富，包括范德华力、常规氢键、碳氢键、Pi-Sigma、Pi-Pi T型堆积、烷基和Pi-烷基相互作用。此外，由于特定取代基的存在，还观察到了一些特征性相互作用，如Pi-硫、硫-X、Pi-孤对电子和Pi-供体氢键等。这些相互作用的详细分析为理解查尔酮衍生物的抗癌作用机制提供了分子层面的见解。

⁴结果讨论：结构、活性与机制的关联

综合实验和计算数据，本研究对结构与活性的关系进行了深入讨论。MTT实验结果显示，含有烷氧基(─OMe和─OAllyl)取代基的查尔酮(2、4、6)普遍表现出更强的抗癌活性，而含有甲硫基(─SMe)的查尔酮(1、3)活性相对较弱(除1对HeLa细胞外)。这可能归因于烷氧基的两个关键作用：一是增强分子的亲脂性，使其更容易穿透癌细胞的脂质膜，从而提高细胞内药物浓度和作用效率；二是其强大的抗有丝分裂活性，能有效抑制微管蛋白聚合，将癌细胞阻滞在G₂/M期，从而诱导细胞凋亡。甲硫基虽然也能通过形成疏水相互作用增强与受体口袋的结合，但其在本系列化合物中表现出的整体活性提升不如烷氧基显著。

分子对接的结果与体外细胞活性数据具有良好的一致性。例如，对T47D细胞活性最强的查尔酮2和6，与SIRT1蛋白(4I5I)的结合能也较为优越(-9.28和-9.04 kcal/mol)。对MCF-7细胞活性最强的查尔酮4，与ERα突变体(6CBZ)的结合能(-7.29 kcal/mol)也处于较好水平。对HeLa细胞活性最强的查尔酮1，与Caspase-3 (5I9B)的结合能(-7.39 kcal/mol)也是同类中最好的之一。这种一致性为查尔酮衍生物通过作用于这些特定靶点来发挥抗癌效应提供了有力的计算生物学支持。

⁵结论与展望

本研究成功采用微波辅助有机合成(MAOS)这一绿色合成方法，高效制备了六种新型的烷氧基和甲硫基取代查尔酮衍生物。体外MTT实验证明，其中四种化合物(查尔酮1、2、4和6)对特定的乳腺癌(T47D、MCF-7)和宫颈癌(HeLa)细胞系表现出强效的抗癌活性，并且对正常Vero细胞显示出较低的毒性，具有良好的选择性。计算机模拟研究进一步揭示了其潜在的作用机制：所有化合物均符合Lipinski五规则，具有良好的口服吸收潜力；分子对接表明它们能与关键的癌症靶点蛋白(SIRT1、突变ERα、Caspase-3)稳定结合，结合模式涉及多种非共价相互作用。综合来看，烷氧基取代(特别是甲氧基和烯丙氧基)在增强查尔酮抗癌活性方面发挥了关键作用。

这些发现表明，本研究合成的查尔酮衍生物，特别是查尔酮1、2、4和6，具有发展成为新型抗癌药物先导化合物的巨大潜力。MAOS方法的应用也为快速、高效地合成此类生物活性分子提供了绿色化学范例。未来的研究将集中于对这些先导化合物进行更深入的构效关系研究、体内药效学与药代动力学评估，以及基于查尔酮骨架的进一步结构优化和衍生化，以期开发出更高效、更低毒的癌症化学预防与治疗药物。