分子水平上对靶向肝细胞癌中CDK2的椭圆霉素衍生物抗肿瘤活性的研究：一项高级计算分析

《Computational Biology and Chemistry》：Molecular-Level Insights into the Antitumor Activity of Ellipticine Derivatives Targeting CDK2 in Hepatocellular Carcinoma: An Advanced Computational Study

本研究采用多尺度计算方法（DFT、ADMET、分子对接、MD模拟）系统评估了四取代椭圆啉衍生物作为肝细胞癌（HCC）中CDK2抑制剂的潜力，揭示了其电子结构、药代动力学特性及与CDK2的稳定结合机制，为开发新型靶向治疗药物提供理论依据。

　　

Tarik Boutadghart|Hassan Nour|Samir Chtita|Rachida Ghailane

摩洛哥伊本·图法伊尔大学科学学院有机化学、催化与环境实验室，化学系，邮政信箱133，14000肯尼特拉

摘要

本研究全面地通过计算机模拟（silico）方法研究了椭圆素衍生物（OBr-、OCl-、OF-和NHCl取代的类似物）作为潜在的周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）抑制剂在肝细胞癌（hepatocellular carcinoma）中的作用。我们采用了一种综合的多尺度计算工作流程，结合了密度泛函理论（DFT）、ADMET预测、分子对接（molecular docking）和分子动力学（MD）模拟，以提供一种稳健且全面的验证策略，用于候选药物的优先排序，并提高预测的可靠性。DFT计算揭示了有利的电子特性，包括分布均匀的分子轨道和反应性静电势区域，这些特性表明它们具有很强的蛋白质结合能力。药代动力学分析预测这些化合物具有较高的肠道吸收率、低毒性风险以及不会穿过血脑屏障，这些特征符合理想的药物特性。分子对接分析显示，所有衍生物的结合亲和力均高于参考抑制剂2-氨基嘌呤，并且在CDK2活性位点上的相互作用模式一致且稳定。随后的MD模拟证实了配体-蛋白质复合物的结构稳定性以及关键分子间相互作用的持久性，进一步增强了对接预测的可靠性。总体而言，这种多层次的计算方法表明椭圆素类似物是具有良好电子特性、药代动力学特性和结合特性的有前景的CDK2靶向候选物。这种综合策略强调了它们作为合理设计的治疗先导物的潜力，并支持对其进一步研究以用于肝细胞癌的治疗。

引言

癌症仍然是21世纪最紧迫的健康问题之一，继续是全球发病率和死亡率的主要原因（Mattiuzzi和Lippi，2019年；Pi?a-Sánchez等人，2021a年；Torre等人，2016年）。根据全球流行病学数据，癌症发病率的增加在很大程度上归因于肿瘤的生物学异质性以及当前治疗方法的长期疗效有限（Dagogo-Jack和Shaw，2018年；Pi?a-Sánchez等人，2021b年）。尽管在抗癌药物发现领域取得了持续进展，但大多数现有的化疗药物仍面临重大挑战，包括非选择性、全身毒性和多重耐药性的快速发展（Mi等人，2024年；Nemomsa等人，2023年；Saadh等人，2025年）。这些因素共同阻碍了持久临床效果的实现，并促进了疾病的复发和转移。

传统癌症疗法的一个显著局限性在于它们的单靶点作用机制，这往往无法解决肿瘤信号网络的复杂性和适应性（Huang和Kauffman，2013年；Liu等人，2024年）。癌细胞具有显著的分子可塑性，使它们能够激活补偿性通路来规避药物抑制（Bhat等人，2024年；Shi等人，2023年）。这种适应性耐药性降低了药物的效果，凸显了需要同时针对多个致癌节点的新策略（Enneiymy等人，2025a年；Garg等人，2024年）。因此，多靶点定向治疗药物的设计和开发已成为现代肿瘤学中的一个有前景的方向。这类药物可以同时调节多个信号通路，从而可能提高疗效、减少药物耐药性并提供更广泛的治疗益处（Garg等人，2024年）。

在涉及肿瘤进展的多种分子靶点中，周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）因其在调节细胞周期G1/S转换中的关键作用而受到广泛关注（Wang，2021年）。CDK2是一种由CDK2基因编码的丝氨酸/苏氨酸激酶，它与cyclins E和A形成复合物，控制DNA复制和细胞分裂。在结构和功能上，它与酿酒酵母中的cdc28和裂殖酵母中的cdc2具有很强的同源性，后者是人类CDK1的功能等同物（MacKenzie和Lacefield，2020年）。CDK2的失调或过度表达已在多种恶性肿瘤中被观察到，导致细胞增殖失控、抗凋亡能力和转移潜力增加。特别是CDK1、CDK2、CDK4–12和CDK16与肝细胞癌（HCC）密切相关，HCC是最常见的原发性肝癌形式，也是全球癌症相关死亡的主要原因（Shen等人，2019年）。这些发现强调了CDKs作为致癌驱动因素的关键重要性，并证实了它们作为抗癌药物发现目标的吸引力。

与合成药物化学的进步并行，植物来源的天然产物在发现具有独特结构特征和强大生物活性的化合物方面继续发挥着重要作用（Chaachouay和Zidane，2024年）。目前批准的大约60%的抗癌药物都可以追溯到天然来源，这突显了植物化学物质的巨大药理学意义（Choudhari等人，2020年）。在这些天然化合物中，椭圆素是一种天然存在的吲哚生物碱，由于其强大的抗肿瘤特性和独特的作用机制而吸引了持续的科学研究（Hashim等人，2025年）。

历史上，椭圆素最初是从属于Ochrosia属的植物中分离出来的，尤其是Ochrosia elliptica和Ochrosia moorei，后来也从Bleekeria vitiensis中分离出来，这些都属于夹竹桃科（Elshimy等人，2023年）。在美国国家癌症研究所进行的初步生物测定指导筛选项目中，这些物种的粗提物对多种可移植的小鼠肿瘤模型表现出显著的抑制活性（Kintzios，2006年）。这种活性主要归因于椭圆素及其天然存在的类似物9-甲氧基椭圆素。后续的植物化学和生化研究表明，这些基于吲哚的生物碱通过双重机制发挥作用：DNA插层和拓扑异构酶II抑制，破坏DNA的超螺旋结构并促进拓扑异构酶II介导的链断裂（Arya等人，2024年）。椭圆素的结构基序被归类为6H-吡rido[4,3-b]咔唑，使其能够与DNA碱基对高效堆叠，并解释了其对快速分裂的癌细胞的显著细胞毒性。

尽管椭圆素具有强大的抗肿瘤活性，但由于其水溶性差、口服生物利用度低和代谢变异性高，其临床转化受到了限制。为了解决这些药代动力学问题，设计了几种半合成的水溶性衍生物，如celiptium（9-羟基-N-甲基-椭圆素醋酸盐）和9-羟基椭圆素，这两种衍生物均已成功进入二期临床试验（Abdel-Sattar和El-Shiekh，2024年）。这些努力突显了椭圆素骨架的结构灵活性，并鼓励进一步探索其化学修饰，以改善其效力和药理行为（Dan等人，2020年）。

最近，Díaz等人通过涉及呋喃[3,4-b]吲哚和3,4-二氢吡啶的区域选择性[4+2]环加成反应合成了一系列新的椭圆素衍生物（Díaz等人，1998年）。该反应产生了四种结构不同的类似物OBr-椭圆素、OCl-椭圆素、OF-椭圆素和NHCl-椭圆素，具有较高的区域选择性（产率64–88%）。对这些化合物的生物筛选显示，它们在多种人类癌细胞系中表现出显著的细胞毒性，表明它们作为潜在治疗剂的潜力（Afzal等人，2026年；Enneiymy等人，2025b年）。然而，它们的量子化学性质、电子跃迁和分子作用机制仍不够明确（Sharma等人，2010年）。

鉴于椭圆素的强大抗癌潜力以及越来越多的证据表明CDK2在肝细胞癌中的作用，对这些新合成衍生物进行详细的理论研究是必要的（Miller，2011年）。计算化学提供了一个强大的框架，用于在原子水平上阐明分子反应性、电子行为和药理性质，补充了实验研究（Salah，2025年）。

在本研究中，我们对这四种椭圆素衍生物进行了综合计算分析（图1），以评估它们的生物活性和作为CDK2抑制剂的潜力。我们的方法结合了密度泛函理论（DFT）计算（Boutadghart和Ghailane，2023a）来探索分子几何结构、电子结构和反应性指数，以及静电势（ESP）和电子定位分析来绘制电子密度区域并预测分子相互作用的活性位点。使用ADMET（Bellapukonda等人，2025年；Chandrasekaran等人，2018年）模型进行了药代动力学评估，以预测吸收、分布、代谢、排泄和毒性特性，确保了早期评估药物相似性和安全性（Altharawi等人，2025年；Enneiymy等人，2025a）。

随后，我们利用分子对接（Morris和Lim-Wilby，2008年）和分子动力学（MD）模拟（Bellapukonda等人，2025年；Binder等人，2004年）来探索配体-CDK2复合物的稳定性、结合能和构象灵活性。与参考配体2-氨基嘌呤（2-ApA）进行了比较分析，以评估相对亲和力和结合强度。这种多层次的计算框架提供了关于椭圆素衍生物与CDK2相互作用分子决定因素的机制、能量和结构见解。

总体而言，本研究旨在识别最有前途的植物来源的椭圆素类似物作为肝细胞癌（HCC）的选择性治疗候选物，并在分子水平上阐明其潜在的作用机制（图1）。研究结果应有助于更好地理解其电子、结构和药效动力学决定因素，同时为基于结构的药物设计和未来的实验验证提供合理的框架。

部分摘录

密度泛函理论分析

密度泛函理论（DFT）已成为探究分子和凝聚相系统电子结构的最可靠的量子力学框架之一（Boutadghart和Ghailane，2023b）。DFT不是直接求解多体薛定谔方程，而是用电子密度来重新表述问题，提供了一种高效且准确的描述电子分布和相关性质的方法（Schuch和Verstraete，2009年）。

在本研究中，基于DFT的方法...

几何优化分析

分子几何优化是理论化学中的关键步骤，因为它为解释分子行为和物理化学性质提供了结构基础。密度泛函理论（DFT）已成为这一领域的首选方法，在计算效率和预测准确性之间提供了有利的折中

结论

本研究通过对四种椭圆素衍生物进行了系统的计算评估，作为潜在的周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）抑制剂，这些抑制剂与肝细胞癌相关。通过结合密度泛函理论（DFT）、药代动力学和毒性建模（ADMET）、基于结构的分子对接以及分子动力学（MD）模拟，本研究建立了一个连贯且分层的验证流程

CRediT作者贡献声明

Rachida Ghailane：验证、监督、方法学、研究。Samir Chtita：监督、软件、形式分析。Hassan Nour：写作 – 审稿与编辑、软件、方法学、研究、数据管理。Tarik Boutadghart：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、软件、方法学、研究、数据管理、概念化。

利益冲突声明

本手稿的作者声明没有与本研究工作相关的利益冲突。