《Bioorganic Chemistry》：Chromenone coupled to spiro[indene-2,3′-pyrrolizine]-1,3-dione as a novel class α-glucosidase inhibitor
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本研究设计并合成了新型chromenone-联接spiro[indene-2,3′-pyrrolizine]-1,3-dione衍生物，作为α-葡萄糖苷酶抑制剂。通过Pechmann缩合、 aldol缩合和1,3-偶极环化加成三步法合成，产率高达89%。体外实验显示，化合物3m（溴代衍生物）对α-葡萄糖苷酶的抑制活性最强（IC50=45.07±7.54 μM），较阿卡波糖强16倍。动力学研究揭示了非竞争性抑制模式，分子对接和动态模拟证实其与酶关键残基稳定结合（RMSD=1.23，RMSF=0.18），为开发新型降糖药物提供理论依据。
阿米尔侯赛因·艾萨伊（Amirhossein Eisayi）| 阿扎尔·法蒂（Azar Fathi）| 索鲁尔·拉梅赞普尔（Sorour Ramezanpour）| 法特梅·埃夫特赫阿里安（Fatemeh Eftekharian）| 纳维德·达斯塔法赫（Navid Dastyafeh）| 穆罕默德·马赫达维（Mohammad Mahdavi）| 艾达·伊拉吉（Aida Iraji）| 法特梅·达尔维什（Fatemeh Darvish）
伊朗德黑兰K.N.图西理工大学化学系，邮政信箱15875-4416，邮编19697-64499
摘要
本研究报道了一系列新的chromenone连接的spiro[indene-2,3′-pyrrolizine]-1,3-dione衍生物的设计与合成，这些衍生物作为α-葡萄糖苷酶抑制剂。目标化合物通过三步过程合成，包括Pechmann缩合、醛醇缩合和1,3-偶极环加成反应，产率较高。体外测试显示这些衍生物具有良好的α-葡萄糖苷酶抑制活性，其中化合物3m（3-溴代衍生物）的抑制活性最强，其IC50为45.07 ± 7.54 μM，约为阿卡波糖的16倍。此外，还进行了动力学研究。分子对接和100 ns分子动力学模拟证实了这些衍生物与关键残基之间的稳定相互作用，表现为较低的RMSD和RMSF值。这些发现为chromenone-spiro[indene-2,3′-pyrrolizine]-1,3-dione衍生物的α-葡萄糖苷酶抑制活性提供了初步证据。
引言
糖尿病（DM）是一种慢性代谢疾病，由于胰岛素生成缺陷、胰岛素作用障碍或两者兼有导致长期高血糖。这是一个严重的全球健康问题，2021年全球约有5.37亿成年人患有此病，预计到2045年这一数字将上升至7.83亿。大多数糖尿病患者（约90-95%）患有2型糖尿病（T2DM），主要由外周组织的胰岛素抵抗和胰腺β细胞功能逐渐下降引起[1]。2型糖尿病与肥胖、缺乏体育锻炼和不健康饮食等生活方式相关，可引发严重并发症，包括心血管疾病、神经病变、肾病和视网膜病变[2]。
α-葡萄糖苷酶是2型糖尿病管理的关键靶点，存在于小肠的刷状缘中。该酶能切割末端非还原性的（1→4）连接的α-葡萄糖残基，从而产生可吸收的葡萄糖，导致餐后高血糖[3]。α-葡萄糖苷酶抑制剂可以延缓碳水化合物的消化和葡萄糖的吸收，从而降低餐后血糖。由于酵母α-葡萄糖苷酶的易得性和重复性，它被广泛用于初步的体外筛选。尽管它们具有相似的催化残基和活性位点结构[4]，但有关抑制剂敏感性的差异限制了其直接用于抗糖尿病疗效的推断[5],[6]。因此，酵母α-葡萄糖苷酶检测主要作为一线筛选工具，需要进一步使用哺乳动物酶进行验证。如阿卡波糖、米格列醇和伏格列波糖等α-葡萄糖苷酶抑制剂已被FDA批准用于治疗高血糖[7],[8]。然而，这些抑制剂存在胃肠道副作用和疗效差异，这促使人们开发具有更好疗效和耐受性的新型抑制剂[9]。
在这方面，基于chromenone的衍生物因其易于合成的方法和抗糖尿病活性而成为有前景的候选分子[10]。2-苯乙烯基chromones和二氢嘧啶酮融合chromones（A，图1）表现出选择性抑制活性，被选用于进一步的结构-活性关系（SAR）优化[11]。作为α-葡萄糖苷酶抑制剂的香豆素-噻唑衍生物中，含有吸电子基团的化合物的IC50值介于6.24 ± 0.07至81.69 ± 0.39 μM之间。其中化合物B（图1）是该系列中最有效的抑制剂，其IC50为6.86 μM[12]。萨拉尔（Salar）等人合成了3-噻唑基香豆素衍生物，其IC50值介于0.12 ± 0.01至16.20 ± 0.23 μM之间，显著强于标准阿卡波糖。其中，化合物C（图1）是最活跃的抑制剂。SAR分析表明，一端含有富电子中心、另一端含有吸电子基团的分子具有更强的抑制活性[13]。
关于spiroindane-1,3-dione-pyrrolo α-葡萄糖苷酶抑制剂的文献较少。此外，关于indane-1,3-dione作为α-葡萄糖苷酶抑制剂的活性研究也很有限[14]。在一项研究中，通过Knoevenagel缩合合成了indane-1,3-dione衍生物并评估了其α-葡萄糖苷酶抑制活性。体外结果显示几种衍生物具有较强活性，其中化合物D的IC50值优于阳性对照[14]。Rasheed等人报道，indoline-2,3-dione-磺酰胺杂化物（E）表现出亚微摩尔级的抑制活性，超过了阿卡波糖[15]。同样，Li等人证明indolo[1,2-b]isoquinoline（F）衍生物的活性是临床参考物质的180多倍[14]，显示出作为抗糖尿病药物的潜力。尽管相关研究有限，但hexahydro-1H-pyrrolizine被认为是一种理想的α-葡萄糖苷酶抑制药效团。在一项天然产物研究中，评估了七种基于pyrrolizidine的化合物，其中化合物G的IC50为4.5 μM[16]。环戊[c]pyrrole结构（化合物H，图1），存在于临床批准的抗糖尿病药物格列美脲中，显示出显著的降糖效果，这激发了hexahydrocyclopenta[c]pyrrole-indolemethanimine衍生物（化合物I，图1）的合成与评估，这些衍生物具有良好的抗α-葡萄糖苷酶活性[14]。
因此，在本研究中，设计并合成了一类新的chromenone与spiro[indene-2,3′-pyrrolizine]-1,3-dione结合的衍生物作为α-葡萄糖苷酶抑制剂。评估了这些衍生物对α-葡萄糖苷酶的抑制活性，并对最有效的化合物进行了动力学研究以确定抑制类型。此外，还进行了包括分子对接、分子动力学和ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）预测在内的计算机模拟。
化学部分
目标化合物的合成按照方案1中的步骤分三步完成。首先，在室温下，在催化剂哌啶的存在下，将水杨醛和乙酰乙酸酯反应生成3-乙酰香豆素衍生物（1a–g），然后通过重结晶获得高产率（89%）的产品。接下来，通过3-乙酰香豆素与查尔酮的醛醇缩合反应得到香豆素-查尔酮衍生物(2a–h)
结论
α-葡萄糖苷酶抑制是与餐后血糖调节相关研究中的一个重要生化靶点。在本研究中，我们报道了chromenone连接的spiro[indene-2,3′-pyrrolizine]-1,3-dione衍生物的设计与合成，这些衍生物对α-葡萄糖苷酶表现出显著的抑制活性。SAR分析表明，如溴这样的庞大吸电子基团增强了抑制效果。其中最有效的化合物3m的IC50为45.07 ± 7.54 μM
方法与材料
所有试剂和化学品均从化学供应商（Merck、Sigma-Aldrich、Fluka、Exir和Alpha-Aesar）购买，无需进一步纯化即可使用。反应过程通过薄层色谱（TLC）监测，使用硅胶60-F254涂层的铝板并在254 nm紫外光下检测。产品通过硅胶63–200目闪蒸柱色谱法纯化。核磁共振（NMR）谱（1H NMR和13C NMR）在Bruker AVANSE仪器上记录
CRediT作者贡献声明
阿米尔侯赛因·艾萨伊（Amirhossein Eisayi）：撰写原始稿件、数据可视化、方法设计、实验实施、数据整理。阿扎尔·法蒂（Azar Fathi）：撰写原始稿件、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理。索鲁尔·拉梅赞普尔（Sorour Ramezanpour）：撰写原始稿件、数据可视化、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理。法特梅·埃夫特赫阿里安（Fatemeh Eftekharian）：撰写原始稿件、数据可视化、数据分析、数据整理。纳维德·达斯塔法赫（Navid Dastyafeh）：撰写原始稿件、方法设计、数据分析
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
我们感谢设拉子医科大学（ID: IR.SUMS.REC.1404.327）的研究副校长提供的支持。
