新型杂合1,4-萘醌-内过氧化物抗疟药物：合成、立体异构体分离及生物活性评估

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Novel hybrid 1,4-naphthoquinone-endoperoxide antimalarial hits: synthesis, stereoisomeric separation, and biological evaluation

　　

亚历山大·贝内克（Alexandre Benech）| 塞巴斯蒂安·胡特（Sébastien Hutter）| 尼古拉斯·范特胡因（Nicolas Vanthuyne）| 奥马尔·库梅里（Omar Khoumeri）| 克里斯托弗·库尔蒂（Christophe Curti）| 帕特里斯·瓦内尔（Patrice Vanelle）| 蒂埃里·特尔梅（Thierry Terme）| 纳丁·阿扎斯（Nadine Azas）

法国马赛第六大学（Aix-Marseille Université）、法国国家科学研究中心（CNRS）激进化学研究所（Institut de Chimie Radicalaire ICR - UMR 7273）、药学院（Faculté de Pharmacie），13005 马赛

摘要

含有两个或更多药效团结构的杂化分子因其抗寄生虫潜力而受到广泛研究。我们首次设计并测试了针对恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）的一类新型抗疟疾杂化化合物。通过由锰(III)催化的自由基反应启动的多步合成方法，制备出含有阿托伐醌（atovaquone，萘醌类化合物）和青蒿素（artemisinin，内过氧化物）这两种药效团的新型杂化化合物，两者之间通过哌嗪（piperazine）连接。由于这些化合物含有2到3个不对称碳原子，因此预期会产生4到8种构象异构体。在对5种最终产物中的2种进行手性色谱分析后，分离出了所有的异构体。共获得了20种单一异构体或立体异构体混合物，并对其抗疟活性（针对恶性疟原虫 W2和K1氯喹抗性菌株）及细胞毒性（针对HepG2和CHO细胞）进行了评估。结果表明，15种化合物在恶性疟原虫 W2菌株上的抗疟活性优于参考化合物氯喹，8种化合物在恶性疟原虫 K1菌株上的抗疟活性也优于氯喹。在立体异构体混合物中鉴定出了具有良好抗疟活性的化合物（12种，IC₅₀ 恶性疟原虫 W2 = 0.489 μM，IC₅₀ 恶性疟原虫 K1 = 1.061 μM，CC₅₀ HepG2 = 11.99 μM，CC₅₀ CHO > 125 μM），同时也有一些单独的立体异构体表现出抗疟活性。这些结果表明，通过结合两种药效团合成的萘醌/内过氧化物杂化化合物可能具有协同效应。

引言

几十年来，与疟疾相关的死亡人数有所下降，但这一趋势在COVID-19大流行期间发生了逆转。随着新的恶性疟原虫菌株对青蒿琥酯联合疗法产生抗性，迫切需要新的治疗方法[1]。在流行地区，难以实施结合两种不同作用机制的治疗方案，而一种集两种功效于一体的药物将有助于推动这些方案的普及。将现有药效团融合到杂化分子中是一种加速抗疟药物研发的可行策略[2], [3], [4], [5], [6], [7]。青蒿琥酯作为治疗严重感染的首选药物，通过其内过氧化物药效团生成活性氧（ROS）并抑制血红蛋白结晶发挥作用。此前已有研究探索了内过氧化物杂化分子，例如含有氯喹或伯氨喹芳香结构的杂化分子，从而获得了内过氧化物-喹啉类杂化物[8]。另一个例子是三氧喹类化合物，它们包含两种药效团：1,2,4-三氧环（1,2,4-trioxane）和4-氨基喹啉（4-aminoquinoline）[9]。然而，尽管内过氧化物与萘醌（阿托伐醌的药效团）具有不同的作用机制和潜在的协同效应，相关文献中尚未报道它们的杂化研究[10]。阿托伐醌作为一种治疗和预防药物，能够抑制线粒体膜电位。

为了填补这一知识空白，我们设计了结合阿托伐醌（萘醌）和青蒿琥酯（内过氧化物）药效团的新型杂化分子。此外，我们通过手性和非手性异构体的分离进一步优化了合成过程，因为不同异构体在生物学效应上可能存在显著差异[11], [12]。

我们的团队此前已经描述了萘醌的自由基过氧化环化反应生成单一融合骨架的过程[13]，但这些衍生物并未显示出有效的抗疟活性。本次新型药物设计中，我们使用哌嗪连接剂将两种药效团分开，这一设计借鉴了阿托伐醌取代基的环状结构，从而减少了空间障碍并提高了溶解度。本研究是一个跨学科合作项目，涵盖了自由基化学、立体化学和生物学领域。从五种不同的烯烃出发的多步合成路线（图1）产生了五种原始的异构体混合物（12–16）。这些化合物被分离成20种立体异构体混合物，并对其抗恶性疟原虫 W2和K1菌株的活性以及针对HepG2和CHO细胞的细胞毒性进行了生物学评估。我们假设这些杂化化合物中的两大活性成分具有协同作用。

章节片段

合成过程

杂化分子12–16是通过结合1,4-萘醌和取代内过氧化物骨架的聚合多步合成策略制备的（图1）。这些具有丰富立体化学多样性的混合物经过了两种额外的纯化处理（手性和非手性纯化）。

第一步是使用锰(III)乙酰丙酮酸盐（Mn(acac)₃）介导的氧化自由基过氧化环化反应，其中乙酰丙酮酸盐（acac）是反应的三个底物之一

结论

锰乙酰丙酮酸盐成功用于合成杂化化合物的前体。它是一种通过自由基反应和氧插入生成内过氧化物的有用工具，为获得具有抗寄生虫活性的天然类似分子提供了新的方法。随后对这些底物进行了多步合成，首先通过甲醇甲基化保持生物活性，然后使用苄基三甲铵二氯碘酸盐（benzyltrimethylammonium dichloroiodate）进行卤化处理

general information

所有商业试剂和溶剂均购自Sigma-Aldrich、Fisher Scientific、Fluorochem或TCI Chemicals，使用前无需进一步纯化。反应通过涂有硅胶60F254（5 × 10 cm，0.2 mm，Merck）的铝板进行薄层色谱（TLC）监测，并在紫外光（254和365 nm）下或使用香兰素染料观察结果。闪蒸柱色谱则使用粒径为0.063–0.200 mm、目数为70–230的硅胶60（Merck）进行。

CRediT作者贡献声明

帕特里斯·瓦内尔（Patrice Vanelle）：撰稿 - 修订与编辑、监督、资源协调、项目管理。蒂埃里·特尔梅（Thierry Terme）：撰稿 - 修订与编辑、监督、资源协调。纳丁·阿扎斯（Nadine Azas）：撰稿 - 修订与编辑、数据验证、监督、资源协调、项目管理、方法学设计、概念构思。亚历山大·贝内克（Alexandre Benech）：撰稿 - 修订与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、监督、方法学设计、实验研究、数据整理。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

感谢马赛激进化学研究所（Institut de Chimie Radicalaire, Marseille）的文森特·雷穆萨尔（Vincent Remusat）在核磁共振（NMR）分析方面的帮助，感谢马赛Spectropole团队的瓦莱丽·蒙尼埃（Valérie Monnier）和加埃勒·伊斯勒（Ga?lle Hisler）进行的质谱（HRMS）分析，以及马赛Spectropole团队的乔治·吉奥尔吉（M. Giorgi）在X射线衍射和结构分析方面的协助。