化学酶法合成的芳基邻二醇和羟基酮类化合物的乙酰胆碱保护活性

《Bioorganic Chemistry》：Acetylcholine-protective activity of chemo-enzymatically synthesized aryl vicinal diols and hydroxy ketones

阿尔茨海默病（AD）的防治需抑制AChE/BChE活性，本研究通过绿色化学方法合成丙苯衍生物，发现1-(4-羟基-3-甲氧基苯基)丙烷-1,2-二醇（5b）对两种酶均具有显著抑制作用，分子对接和ITC验证其结合能力，为功能性食品开发提供新方向。

　　

乔安娜·格热尔奇克（Joanna Grzelczyk）| 霍拉西奥·佩雷斯-桑切斯（Horacio Pérez-Sánchez）| 米格尔·卡梅纳-巴尔格尼奥（Miguel Carmena-Bargue?o）| 伊洛娜·加伦兹卡-察尔内茨卡（Ilona Ga??zka-Czarnecka）| 格拉日娜·布德林（Gra?yna Budryn）| 达维德·赫尔尼克（Dawid Hernik）| 伊丽莎白塔·布伦纳（Elisabetta Brenna）| 菲利普·博拉廷斯基（Filip Boratyński）

波兰罗兹工业大学生物技术与食品科学学院食品技术及分析研究所，邮编90-537

摘要

乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）是导致阿尔茨海默病（AD）发展与进展的主要酶。这两种酶会水解乙酰胆碱（ACh），从而破坏神经递质的平衡。为了预防和缓解AD的症状，研究人员提出使用通过环保方法从丙烯基苯衍生物化学合成得到的新化合物作为AChE和BChE抑制剂。通过分子建模和等温滴定量热法确定了这些抑制剂的抑制参数。研究发现，二醇类和羟基酮类化合物具有显著的抑制作用，尤其是1-(4-羟基-3-甲氧基苯基)丙烷-1,2-二醇在两种实验模型中均表现出抑制效果。结果表明，这些化合物能够与AChE和BChE的活性位点结合，这表明它们有可能被用于补充剂或功能性食品中以预防AD。

引言

阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经退行性疾病。据估计，到2050年，全球将有超过1.52亿人被诊断出患有AD。该病的主要原因是乙酰胆碱（ACh）水平异常以及β-淀粉样蛋白（Aβ）的积累[1][2][3]。为减缓AD的症状，需要抑制Aβ的积累、氧化应激、tau蛋白的形成以及胆碱的减少[3][4][5]。胆碱能假说认为，负责将ACh分解为胆碱和乙酸的酶是乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）。这些酶的活性下降会导致胆碱能神经元的丧失，进而引发认知功能（如海马体和前额叶皮层）的衰退[6][7]。在疾病的早期阶段，AChE主要负责ACh的水解；随着AChE水平的下降，BChE的作用逐渐增强。因此，针对这两种酶的研究至关重要[8]。目前已有多种药物可用于治疗AD的症状，例如多奈哌齐（AChE IC50：10 nM至16 nM[10]）和利瓦斯汀（AChE IC50：4 μM；BChE IC50：0.03 μM），但这些药物存在一定的副作用。目前还有新的药物（如Simufilam）正在临床试验中[3][7]。临床证据表明，新型的双重作用AChE/BChE抑制剂可能有助于减少药物耐药性，这是药物化学家们的重要研究方向[11]。尽管已有许多化合物被研究用于AD的治疗，但仍需继续开发新的治疗药物。许多新的AD抑制剂来源于植物提取物，如黄酮类和生物碱。然而，传统的合成方法往往使用对环境有害的试剂且耗时耗力。因此，寻找符合绿色化学原则的合成方法尤为重要[12][13]。 具有潜在活性的化合物包括丙烯基苯类，例如异丁子香酚、茴香脑和异莎弗兰及其衍生物。这些化合物天然存在于植物精油中（如甘草），也可通过化学合成获得，具有重要的工业应用价值[14]。鉴于丙烯基苯类的多样生物活性及其广泛的工业用途，探索其新衍生物具有重要意义。随着对环保合成的重视增加，人们迫切需要新的方法来生产丙烯基苯衍生物，如二醇类和羟基酮类。已有文献报道了多种合成丙烯基苯衍生物的方法[15][16][17][18][19][20]。鉴于绿色化学的兴起以及生物技术的优势，使用全细胞或酶等生物催化剂替代传统化学方法显得尤为重要。最近开发的一种合成二醇类和羟基酮类的方法采用两步化学酶法，通过全细胞转化降低了合成成本并减少了环境影响[21]。本研究通过等温滴定量热法和分子对接技术分析了这些化合物对AChE和BChE的抑制作用。

材料与试剂

所有试剂均购自Sigma-Aldrich Chemical Co.（美国密苏里州圣路易斯）：乙酰胆碱氯化物（≥99%）、马血清来源的丁酰胆碱酯酶（EC 3.1.1.8，冻干粉，≥10单位/毫克蛋白质）、电鳗（Electrophorus electricus）来源的乙酰胆碱酯酶、1,2-二甲氧基-4-丙-1-烯-1-基苯（≥97%）、茴香脑（≥98%）、丙-1-烯-1-基苯（≥97%）、异丁子香酚（≥98%）和异莎弗兰（≥98%）。其他试剂均为分析级，购自Chempur（波兰皮卡里斯拉斯基）。

结果与讨论

AD通常在疾病晚期被诊断出来，此时患者体内的ACh水平已显著下降。因此，寻找既安全又能用于预防和疾病治疗过程中的AChE和BChE抑制剂至关重要。AChE和BChE会将ACh分解为胆碱和乙酸。在疾病早期，AChE起主要作用；随着AChE水平下降，BChE的作用增强。为调节ACh水平，必须控制胆碱酯酶的活性[26]。

结论

综上所述，丙烯基苯衍生物的合成可产生具有高结合能力的化合物，这些化合物能够与AChE和BChE的活性位点结合，从而保护ACh。丙烯基苯类在食品和制药工业中广泛应用。分子建模结果显示，1-(4-羟基-3-甲氧基苯基)丙烷-1,2-二醇（5b）是对AChE和BChE最有效的抑制剂。等温滴定量热分析进一步证实了该化合物的抑制作用。

作者贡献声明

乔安娜·格热尔奇克（Joanna Grzelczyk）： 负责初稿撰写、方法设计、实验研究及数据分析。 霍拉西奥·佩雷斯-桑切斯（Horacio Pérez-Sánchez）： 负责审稿与编辑、方法改进。 米格尔·卡梅纳-巴尔格尼奥（Miguel Carmena-Bargue?o）： 实验研究及数据分析。 伊洛娜·加伦兹卡-察尔内茨卡（Ilona Ga??zka-Czarnecka）： 实验研究及数据分析。 格拉日娜·布德林（Gra?yna Budryn）： 负责审稿与编辑、方法改进。 达维德·赫尔尼克（Dawid Hernik）： 资源协调、实验研究及数据分析。 伊丽莎白塔·布伦纳（Elisabetta Brenna）： 负责审稿与编辑、方法改进。 菲利普·博拉廷斯基（Filip Boratyński）： 负责审稿。

资金支持

本研究未接受任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

M.C.-B. 的工作得到了UCAM自主研究计划的资助。西班牙埃斯特雷马杜拉先进技术研究中心（CETA-CIEMAT）的超级计算基础设施由欧洲区域发展基金（ERDF）提供支持。CETA-CIEMAT隶属于CIEMAT和西班牙政府。