基于苯并咪唑的噁二唑框架的分子研究与合成：结合计算模拟、动力学分析及细胞实验探究其对食管癌的防治作用

《Journal of Molecular Structure》：Molecular Investigation and Synthesis of Benzimidazole-Based Oxadiazole Frameworks with Integrated Computational, Kinetic and Cell-Based Investigations Against Esophageal Carcinoma

食管癌是一种起源于食管上皮的高度恶性肿瘤，传统治疗存在耐药性和毒副作用。本研究设计合成系列oxadiazole–benzimidazole杂环化合物，通过体外细胞实验（KYSE-30和KYSE-410细胞系）评估其抗增殖活性，其中化合物2、3、6的IC50值分别为17.20-18.10和14.30-14.90 μM，优于顺铂（23.60-23.80 μM）。结构经NMR和质谱确证，分子对接显示与靶蛋白（柠檬酸合酶）良好结合，DFT和ADMET分析表明其具备合适的电子特性和药代性质，证实杂环化合物作为食管癌治疗潜在先导结构。

　　

Jin-Xin Liu | Qihong Yu

华中科技大学同济医学院同济医院耳鼻喉头颈外科，武汉，430030，中国

摘要

食管癌（EC）是一种起源于食管上皮层的侵袭性恶性肿瘤，与高发病率和死亡率相关。在本研究中，设计、合成并评估了一系列新的噁唑-苯并咪唑杂化衍生物对人类食管癌的抑制潜力。这些合成化合物在体外针对KYSE-30和KYSE-410人食管癌细胞系进行了评估，以顺铂（IC₅₀= 23.60 ± 0.20 μM和23.80 ± 0.10 μM）作为参考药物。在测试的化合物中，化合物2（IC₅₀= 17.20 ± 0.10 μM）、化合物3（IC₅₀= 14.30 ± 0.20 μM）和化合物6（IC₅₀= 18.30 ± 0.30 μM）表现出最显著的细胞毒性，其疗效与顺铂相当甚至有所提高。所有合成衍生物的化学结构通过1H NMR、13C NMR和HR-EI质谱法得到了确认。分子对接研究显示活性化合物与目标蛋白之间存在有利的结合相互作用，这一点通过酶抑制实验得到了进一步验证。此外，密度泛函理论（DFT）和ADMET分析表明这些化合物具有合适的电子性质、化学稳定性以及可接受的药代动力学和安全性特征。总体而言，结果表明噁唑-苯并咪唑杂化物是开发新型食管癌治疗剂的有前景的先导结构。

引言

癌症源于基因组不稳定导致的细胞周期调控紊乱，从而引起细胞的无控制增殖和侵袭性生长[1]。在全球范围内，食管癌（EC）是第八大常见癌症。2008年，该疾病导致约482,300例新病例和406,800例死亡[2]。作为一种典型的上消化道癌症，食管癌具有高度侵袭性[3]。由于该疾病进展迅速且常常在晚期才被诊断出来，因此预后非常糟糕[4]。全球超过50%的食管癌病例发生在中国，其中以鳞状细胞癌（SCC）为主[5,6]。该疾病存在明显的性别差异，男性患病率约为女性的2至5倍[7]。研究表明，吸烟和酗酒是导致食管癌的重要因素[8]。对于患有巴雷特食管和食管腺癌高风险的患者，可以通过减少红肉摄入和增加水果蔬菜的摄入来降低风险[9]。治疗食管癌时，癌症的分期非常重要，需要准确判断。医生使用内镜和放射成像技术，其中内镜超声（EUS）和多探测器计算机断层扫描（MDCT）在确定疾病分期方面非常有效[10]。食管癌最常见的症状包括吞咽困难、消化道出血、频繁呕吐或胃内容物反流以及不明原因的体重下降[11]。鳞状细胞癌多发生在食管近端和中段，会严重阻碍患者的进食和营养吸收，导致身体状况迅速恶化[12,13]。鳞状细胞癌（SCC）和腺癌（AC）这两种主要的食管癌组织类型具有不同的流行病学特征，因此治疗方法也有所不同[14]。全球最常见的食管癌类型是鳞状细胞癌，占病例的绝大多数（80%），可发生在食管的任何部位[15]。长期以来，人们一直使用草药作为治疗方法，例如Rabdosia rubescens多年来被用于治疗食管癌[16]。研究表明，草药在减缓癌细胞生长、控制疾病进展、增强免疫系统、降低癌症复发或扩散风险以及提高长期生存率方面具有积极作用[17]。除了传统治疗方法外，还有许多新的方法正在开发中，如光热疗法[18]（使用纳米粒子）、热疗[19]（利用热量杀死癌细胞）和氧化疗法[20,21]。为应对这一挑战，科学家们正在探索不同的策略。其中一种最有效的方法是基于目标的药物发现，这种方法涉及设计新的药物以精确攻击癌细胞的特定部分[22]。在过去五年中，一种名为苯并咪唑的化合物在对抗多种类型的癌症方面显示出潜力[23]。顺铂是最早且最重要的化疗药物之一，由金属铂制成，至今仍被广泛使用，大约一半的癌症患者接受包含顺铂的治疗[24]。全球基于铂的抗癌药物销售额达到约20亿美元，显示出这种药物的重要性[25]。科学家们基于苯并咪唑和噁唑两种化学结构开发了许多抗癌药物[26,27]。由于这两种结构都表现出强大的抗癌效果，我们将它们结合成了一种新的化合物。我们认为这种新的融合化学结构可能更有效地治疗食管癌。图1展示了已报道和 newly 合成的抗癌药物之间的比较研究。尽管噁唑和苯并咪唑衍生物的合成方法已经成熟，但它们的合理杂化和针对食管癌的靶向评估仍很大程度上尚未探索。在本研究中，我们设计了一系列新的噁唑-苯并咪唑杂化分子，将两种结构的互补药理特性结合在一个框架内。与以往关注其他生物活性的研究不同，这些化合物是专门为对抗食管癌的增殖活性而开发和评估的，并通过分子对接、DFT和ADMET分析进行了验证。这种多学科策略提供了新的结构见解，并确立了噁唑-苯并咪唑杂化物作为开发新型食管癌治疗剂的有前景的先导结构。

部分内容摘录

化学

基于苯并咪唑的噁唑衍生物（1-10）通过三个连续步骤合成，具体步骤见方案1。

将苯并咪唑衍生的羧酸（I）（1.0 mmol）溶解在甲醇（25 mL）中，然后逐滴加入浓硫酸（0.5 mL）。在酯化步骤中使用浓硫酸激活羧酸，增加其亲电性，从而促进甲醇的亲核攻击，形成...

分子对接分析

为了探索合成杂环衍生物与蛋白质的潜在相互作用，我们对参与细胞能量代谢的线粒体酶柠檬酸合成酶进行了分子对接研究。选择柠檬酸合成酶作为代表代谢酶，因为它常用于计算筛选，以检查与癌症代谢改变相关的相互作用。

分子对接研究用于研究结合亲和力...

一般信息

用于合成苯并咪唑-噁唑衍生物的所有化学物质和试剂均为分析级，从Sigma-Aldrich购买，无需进一步纯化。反应进度通过Merck提供的预涂硅胶板（Kieselgel 60 F254）上的薄层色谱（TLC）进行监测，并在254 nm和365 nm紫外光下观察斑点。

所有合成化合物的结构通过光谱技术得到确认。

结论

在本研究中，成功合成了一系列十种新的苯并咪唑-噁唑衍生物（1–10），其结构通过1H NMR、13C NMR和HR-EI质谱法得到确认。其中，化合物3由于具有邻位二氟基和对位羟基取代基，表现出最强的抑制活性。其他几种类似物也显示出显著的生物活性。相比之下，化合物10...

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金对Jin-Xin Liu（编号：82101199）的资助。

CRediT作者贡献声明

Jin-Xin Liu：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件。 Qihong Yu：监督、软件、方法学、研究、概念化。

利益冲突声明

声明本文作者之间不存在利益冲突，该论文仅提交给《Journal of Molecular Structure》，未提交至其他期刊。