新型苯基磺酰吡唑衍生物的设计、合成及抗癌活性评估：结合CDK2分子对接研究

《Journal of Molecular Structure》：Design, Synthesis, and Anticancer Evaluation of Novel Phenylsulfonyl Pyrazole Derivatives with CDK2 Molecular Docking Studies

　　

Zainab H. Alnakhli | Asmaa L Alanzy | Nuha M. Halawani | Omer A. Azher | Shorog M. Alotaiby | Hanadi A. Katouah | Nashwa M. El-Metwaly

沙特阿拉伯沙克拉大学科学与人文学院化学系，邮政信箱33，Dawadmi 17452

摘要

本文开发、合成并生物评估了一类新型苯磺酰取代吡唑衍生物的抗癌潜力，这些衍生物含有多种杂环融合结构。通过环化、杂环融合和亲电修饰技术，将常见的5-(苯氨基)-4-(苯磺酰)-1H-吡唑核心结构多样化，生成了富含氮的多杂环芳香骨架。利用红外光谱（IR）、¹H/¹³C核磁共振（¹H/¹³C NMR）、质谱和元素分析方法对所得化合物进行了表征。以5-氟尿嘧啶（5-FU）作为参考药物，评估了这些化合物对两种人类癌细胞系（HepG2和MCF-7）以及两种正常细胞系（WI-38和VERO）的细胞毒性。部分化合物表现出强烈的抗增殖作用。化合物7、9、12、17和18的细胞毒性极强（IC₅₀ = 1–10 μg/mL），其中17和18的活性最高（MCF-7的IC₅₀分别为3.8 μg/mL和3.5 μg/mL），几乎与5-FU的活性相当。根据结构-活性关系的研究，杂环融合程度的增加、π共轭结构的延长、氮含量的提高以及吸电子的氰基官能团的存在都与活性的增强显著相关。针对细胞周期依赖性激酶2（CDK2，PDB ID：2FVD）的分子对接研究表明，最活跃的分子具有有利的结合能力，包括与关键催化残基的氢键作用以及ATP结合口袋内的π堆叠相互作用。化合物9′作为CDK2抑制剂的潜力得到了其最高对接分数（S = ?7.4004 kcal/mol）的支持。总体而言，苯磺酰吡唑骨架的结构扩展显著提高了细胞毒性；化合物17和18显示出作为进一步优化以开发特定抗癌药物的潜在候选结构。

引言

随着生活水平的提高，癌症发病率也在上升，这对人类健康构成了严重威胁[1,2]。虽然某些类型的癌症可以通过放疗和手术等传统疗法有效治疗，但侵袭性肿瘤对这些治疗的反应较差。许多抗癌药物的显著毒性阻碍了化疗的进行，而化疗是一种重要的多模式癌症治疗方法，会大幅降低患者的生活质量[3]。因此，目前迫切需要开发具有高选择性和低毒性的抗癌药物。

抗癌药物的研发在很大程度上依赖于天然成分。由于天然杂环化合物具有不同的空间构象，能够特异性地与癌症靶点结合，因此它们表现出独特的抗癌效果。吡咯、呋喃、吡唑等杂环骨架被广泛使用[4]。值得注意的是，由于其独特的化学结构和优异的生物活性，吡唑及其衍生物在新型抗癌疗法的开发中展现出巨大的应用潜力。吡唑及其衍生物具有多种药理活性，如抗炎、镇痛、抗菌、抗惊厥、抗癌、抗结核等[5] [6] [7] [8] [9]。许多基于吡唑的药物，如塞来昔布（celecoxib）、洛纳唑酸（lonazolac）、非那唑胺（fenazolamine）、克唑替尼（crizotinib）和吡唑呋喃（pyrazofurin）已获准临床使用。

此外，由于吡唑衍生物具有广泛的生物活性和结构适应性，在药物化学中它们构成了一个特殊的杂环骨架。通过向吡唑核引入磺酰基团（特别是苯磺酰基团（–SO?Ph）可以显著改善其药理特性，如代谢稳定性、结合亲和力和对生物靶点的选择性[10,11]。磺酰基团的强吸电子性质增强了极性和氢键能力，从而增强了与受体结合域和酶活性位点的相互作用。由于苯磺酰吡唑衍生物能够影响多种参与肿瘤生长的生物途径，因此它们成为有吸引力的抗癌药物。研究表明，苯磺酰取代的吡唑对多种人类癌细胞系（如肺癌（A549）、结肠癌（HCT-116）、肝癌（HepG2）和乳腺癌（MCF-7）具有强烈的细胞毒性[12]。与未取代的吡唑相比，引入苯磺酰基团通常能增强抗增殖活性，这表明结构-活性之间的相关性至关重要。

研究表明，苯磺酰吡唑通过多种抗癌机制发挥作用。抑制环氧化酶-2（COX-2）是一种重要的机制，这种酶在许多癌症中过度表达，并与炎症介导的致癌过程有关[13]。与塞来昔布类似，磺酰基团能够选择性地抑制COX-2，从而减少血管生成和肿瘤细胞生长。此外，一些苯磺酰吡唑化合物还对蛋白激酶（如细胞周期依赖性激酶CDKs和受体酪氨酸激酶）具有抑制作用，导致细胞凋亡和细胞周期停滞[14]。另一个与这类药物相关的机制是诱导细胞凋亡。实验表明，苯磺酰吡唑可以通过破坏线粒体膜的稳定性、激活caspase蛋白以及调控Bcl-2家族蛋白来触发细胞凋亡[15]。这些分子过程最终使癌细胞经历程序性死亡，而对健康细胞的影响较小，这表明它们可能具有治疗选择性。继我们之前的工作[16] [17] [18] [19] [20]之后，我们继续合成新的杂环化合物并评估其抗癌活性，现在我们感兴趣的是合成一些新型苯磺酰吡唑衍生物，并使用5-氟尿嘧啶（5-FU）作为参考药物，研究它们对两种人类癌细胞系HepG2和MCF-7以及两种正常细胞系WI-38和VERO的抗癌效果。

细胞周期依赖性激酶2（CDK2）因其在细胞周期调节中的核心作用（尤其是在G1/S转换期）而成为重要的治疗靶点。已经开发出多种CDK2抑制剂，包括嘌呤类类似物、黄酮类衍生物和杂环融合结构，其中许多抑制剂通过与激酶活性位点上的ATP竞争来发挥作用。这些抑制剂通常依赖于与关键残基（如Leu83和Glu81）的相互作用，以及ATP结合口袋内的疏水性和π–π堆叠相互作用。

近年来，富含氮的杂环骨架因其在氢键作用和结构多样性方面的优势而受到越来越多的关注。特别是含有吡唑的结构显示出良好的激酶抑制活性；然而，苯磺酰基团的引入与杂环融合的结合仍需进一步研究。预计这些修饰可以通过改善电子分布、增加平面性和在CDK2活性口袋内的额外结合位点来增强结合亲和力。

因此，本研究旨在设计和合成具有结构扩展的苯磺酰吡唑衍生物，并通过生物学和分子对接研究评估其作为CDK2抑制剂的潜力。

尽管对苯磺酰吡唑衍生物进行了大量研究，但对其引入高度融合的富含氮的杂环结构的研究仍相对较少。在本研究中，我们报道了设计和合成了一类具有多样化多杂环芳香骨架的苯磺酰吡唑衍生物，这些衍生物具有增强的π共轭结构和氮含量。这种结构扩展改善了生物相互作用，并为结构-活性关系提供了新的见解。此外，结合细胞毒性评估和CDK2分子对接研究，可以全面了解它们作为抗癌剂的潜力。

章节摘录

2-氰基-N-(5-(苯氨基)-4-(苯磺酰)-1H-吡唑-3-基)乙酰胺（2）的合成

该化合物的合成方法参照了先前的研究[21]。

产率为83%；熔点为191-193°C；红外光谱（KBr）：ν_max（cm^-1）：3220（br. NH）、2219（CN）、1695（CO）、1620（C=N）、1595（C=C）、1360（SO₂）（见图S1）；¹H-NMR（DMSO-d₆）：δ ppm：3.54（s, 2H, CH₂）、7.26-7.59（m, 10H, Ar-H）、8.79（s, 1H, Ph-NH）、10.60（s, 1H, CO-NH）、12.61（s, 1H, pyrazole-NH）（见图S2）；¹³C-NMR（DMSO-d₆）：δ ppm：25.2、78.5、116.9（2C）、122.8、125.7、128.0（2C）、128.8（4C）、133.5、141.6、142.0、152.1（2C）、168.5（见图S3）；质谱（m/z, %）：

化学

图1-3描述了用于制备目标化合物的合成路线。采用先前描述的方法[24]（图1），苯磺酰衍生物1与3-(3,5-二甲基-1H-吡唑-1-基)-3-氧丙腈在苯中的氰基乙酰化反应，高产率生成了新的重要中间体2-氰基-N-(5-(苯氨基)-4-(苯磺酰)-1H-吡唑-3-基)乙酰胺2。

在此，我们描述了氰基乙酰胺2与马来酰亚胺二聚体反应生成吡啶胺3的过程

结论

对母体骨架进行系统的杂环扩展，成功合成了一类新型苯磺酰取代吡唑衍生物。根据生物评估，引入氰基官能团、提高氮含量和结构融合显著增强了抗癌活性。最具细胞毒性的化合物是17和18，其活性与5-氟尿嘧啶相当。分子平面性的提高、π共轭结构的延长以及

作者声明没有利益冲突。

所有相关数据均包含在手稿中，可根据需要向通讯作者索取。

Zainab H. Alnakhli：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源收集、实验研究、数据分析。Asmaa L Alanzy：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件使用、方法学设计、数据分析。Nuha M. Halawani：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件使用、方法学设计、数据分析。Omer A. Azher：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件使用、实验研究、数据分析。Shorog M. Alotaiby：撰写 – 审稿与编辑

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

Nourah bint Abdulrahman公主大学支持项目（编号：PNURSP2026R945），沙特阿拉伯利雅得，Nourah bint Abdulrahman公主大学