摘要

目的:我們的目標是開發具有抑製plasmepsin 2活性的抗瘧分子喹啉亞胺，對惡性瘧原蟲的耐藥菌株有效。

材料與方法:利用藥物合理設計原理，采用分子操作方法設計了一係列喹啉亞胺。對新設計的喹啉亞胺進行了虛擬篩選，以確定其抗瘧疾的有效性和藥物類似用途在網上藥物設計工具。針對惡性瘧原蟲瘧原蟲特異性半胱氨酸蛋白酶- plasmepsin 2酶進行分子對接。此外，開展了藥物相似和ADMET預測研究在網上工具。

結果:我們的研究報告了新型喹啉亞胺類藥物分子對惡性瘧疾瘧原蟲的抗瘧潛力，它們具有抑製plasmepsin 2的活性。

結論:含有2-羥基和4-硝基取代基的喹啉亞胺被報道為該係列中最有效的抗瘧疾分子。

關鍵字

惡性瘧原蟲;耐藥;Plasmepsin 2;喹啉亞胺;對接;Drug-likeness;抗瘧藥

簡介

瘧疾是世界各地日益加重的傳染病負擔。據世衛組織稱，全球每年約有2 -3億人受瘧疾折磨，其中約43萬人死亡。惡性瘧原蟲導致可怕的瘧疾感染，如兒童和成人的腦瘧疾。惡性瘧原蟲是大多數與瘧疾相關的人類死亡病例的主要原因[2,3]。在過去幾年中，惡性瘧原蟲耐藥菌株的傳播和出現以驚人的速度增加，特別是在世界瘧疾流行地區。這限製了目前可用的抗瘧藥物和/或抗瘧藥物治療的臨床效用。今天，耐藥寄生蟲發病率的增加已經成為世界範圍內預防瘧疾的公共衛生的一個嚴重問題[4-6]。上述具有挑戰性的問題促使藥物化學家和科學家尋找新的抗瘧疾鉛分子/候選藥物，作為治療可怕的耐藥瘧疾的替代治療方案。在本研究中，利用各種藥物設計的矽質工具，設計、建模和篩選了一些新型喹啉亞胺的抗瘧疾有效性和類藥評估。設計的喹啉亞胺對惡性瘧原蟲的特異性半胱氨酸蛋白酶- 2酶進行了分子對接。 In addition, druglikeness screening and ADMET prediction studies were also carried out using in silico tools. Our objective was to develop quinoline imines as potent antimalarial molecules with plasmepsin 2 inhibitory activity effective against resistant strains of P. falciparum parasite.

實驗

設計策略

在我們之前的研究項目[4]的基礎上，我們通過分子操作方法設計了一係列新的喹啉亞胺，目的是開發新的和有效的抗瘧疾分子。考慮到喹啉亞胺組分的藥效學潛力和其他對生物活性重要的結構特征和性質參數，設計了15個分子QI-1到QI-15(圖1)，在喹啉亞胺支架的基本框架上具有不同範圍的結構取代(o/m/p-取代芳基部分)。

圖1:設計了喹啉亞胺

對接研究

在Dell Precision工作站T3400上進行建模研究，工作站運行英特爾酷睿2雙核處理器、4gb RAM和250 GB硬盤，使用NVidia Quodro FX 4500顯卡。化合物的二維(2D)結構使用ChemDraw Ultra 10.0 (Cambridge Soft Co.， USA, 2010)和Marvin Sketch (ChemAxon LLC, Cambridge, USA, 2015)軟件繪製。蛋白配體對接在Biovia Discovery Studio (DS) vs 4.5(2015)軟件上進行。利用惡性瘧原蟲的plasmepsin 2酶對設計的分子(QI-1到QI-15)進行對接。plasmepsin 2/EH-58 (PDB id: 1lf3)的x射線晶體結構從RCSB蛋白數據庫(http://www)中獲取。rcsb.org/pdb/)。血漿蛋白酶2蛋白分子的分辨率約為2.9 Å[4]。血漿蛋白酶2的蛋白質分子被能量最小化，並被定義為受體分子。根據受體分子中配體(EH-58)的結合位置選擇結合腔(結合位點球)。利用蛋白質分子的結合腔，通過指定關鍵氨基酸殘基(Phe 16, Leu 33, Val 78, Ser 79, Ser 215, Gly 216和Asp 303)生成受體網格[1,7]。 For the receptor grid box, binding site sphere was set with a radius of 20 Å and x, y, z dimensions of -52.25, -4.46, -19.25, respectively. Flexible docking was performed using the ‘Dock Ligands’ module of LibDock genetic algorithm program. During docking, the complex of plasmepsin 2/ EH-58 was imported and the co-crystal ligand, E-58 molecule was removed from the binding pocket, and experimental ligands were placed in the predicted binding site. Parameters used for docking and consequent scoring function were kept the default. LibDock scores for all docked ligands were calculated. Different dock poses were studied to identify the best binding mode/ binding orientation of the receptor-ligand complex in terms of the scoring function. All docked poses were scored, ranked and the best pose (having the highest dock score) for each ligand molecule was selected. To study receptor-ligand interaction, binding modes of the best pose was also analyzed for each molecule with the help of 3D receptor-ligand complex. Different nonbonding interactions (hydrogen bonding and hydrophobic) were also analyzed with the help of 2D diagram of receptor-ligand complexes.

Drug-likeness研究

所有設計的分子(QI-1到QI-15)的分子性質和類藥參數在矽膠中計算。以理論方法為基礎，旨在確定滿足最佳條件的分子表現為類藥物分子。使用Biovia DS vs 4.5軟件的“分子特性計算”模塊計算Lipinski五[8]規則中的分子特性和其他理化參數。其他一些屬性也可以使用開放的基於網絡的工具進行預測，如Molsoft (http://www.molsoft.com/， 2016)和molinspire在線軟件(http://www.molinspiration.com/， 2016)[1,9 -11]。

ADMET預測

使用Biovia DS vs 4.5軟件的ADMET ' Descriptor '模塊計算adme -毒性(ADMET)。以下6個數學模型，如水溶解度、血腦屏障穿透(BBB)、細胞色素P450 2D6 (CYP2D6)抑製、肝毒性、人體腸道吸收和血漿蛋白結合，被用來預測ADMET的特性[12]。ADMET性質的研究很重要，因為它們決定了藥物分子的口服生物利用度、細胞滲透、代謝和消除(藥代動力學特征)。

結果與討論

設計喹啉亞胺

4-氨基喹啉支架被認為是喹啉基抗瘧藥物分子抗瘧活性的先決條件或關鍵的藥效學要求。4-氨基喹啉支架與肼基組成部分作為抗瘧成分的重要性已被報道。用芳基/取代芳基取代喹啉肼部分，可以得到我們的目標喹啉-亞胺共軛物。

對接

驗證了plasmepsin 2/EH-58共晶體結構的蛋白質模型，並用於對接仿真研究。在對接之前，生成受體網格模型，並根據受體分子和配體之間的結合位點球進行優化，以預測受體分子和配體之間的相互作用(圖2)。通過靈活的對接模擬，將共晶配體EH-58(選擇性血漿蛋白酶2抑製劑)重新對接到受體分子的原始結構中，所有對接參數均為軟件默認值。參考配體EH-58成功地重新連接到預測的plasmepsin 2分子活性位點，可接受的RMSD值為1.190 Å。本研究的目的是為了重現在蛋白質配體對接中實驗觀察到的配體結合模式的結果。結果證實了EH-58在受體分子的結合口袋中的實驗結合模式/構象，並具有明確的蛋白質-配體相互作用(圖3)。

圖2:(a):優化的plasmepsin 2 (Chain a) -E-64共晶結構，(b):對接受體網格

圖3:(a): EH-58在蛋白plasmepsin 2活性位點的重對接構象(左)和結合相互作用的二維圖(右);(b)和(c):分別為血漿蛋白酶2結合囊內qi -2和qi -8化合物的結合模式(左)和受體-配體相互作用二維圖(右)。

通過對接模擬研究來預測新設計的喹啉亞胺作為新型血漿蛋白酶2抑製劑的效果。分子對接是一種虛擬工具，旨在尋找小分子與目標蛋白質分子結合的最佳結合方向。它被用來預測小分子[8]的結合親和力和生物功效。因此，對接在合理的藥物研發計劃中，對基於靶蛋白結構的生物活性分子識別具有重要作用。在蛋白配體對接中，LibDock程序成功地將所有化合物對接到plasmepsin 2分子的結合袋中。化合物能很好地與受體球的活性位點殘基結合。觀察到較高的結合親和力，LibDock得分在90.287到112.34之間。QI-1到QI-15化合物的LibDock評分彙總於表1。結果表明，設計的喹啉亞胺在高結合親和力方麵是一致的。因此，對接研究可能成為評估新型喹啉亞胺作為惡性瘧原蟲plasmepsin 2抑製劑的抗瘧效果的重要工具。

房價代碼	取代基	Libdock得分	不。H-bond(年代)
QI-1	H	90.287	3.
QI-2	2哦	112.34	4
QI-3	3-OH	94.276	3.
QI-4	哦	90.87	2
QI-5	3-OCH3.	95.614	2
QI-6	4-OCH3.	91.749	3.
QI-7	4-Cl	90.992	1
QI-8	沒有2	95.65	3.
QI-9	哦,3-OCH3.	97.658	3.
QI-10	3, 4 -(喲3.）2	95.881	5
QI-11	4-CH3.	90.989	3.
QI-12	4 n (CH3.）2	105.96	4
QI-13	1-Naphthyl	108.08	4
QI-14	3、4 -(趙)2	97.704	2
QI-15	1-Cinnamyl	98.182	1
EH-58	-	114.45	6

表1:LibDock評分和否。H-bonds。

對接搜索用於尋找新的先導分子，並基於評分函數和隨後的配體-蛋白質複合物的相互作用分析來理解藥物分子的結構-活性關係和作用模式。結合配體分子的三維位姿揭示了相對於受體分子的結構/取向的最佳分子取向。二維圖分析表明，受體與配體分子之間的各種非鍵相互作用主要包括極性氫鍵相互作用。分子間的相互作用揭示了plasmepsin 2分子的結合位點殘基與配體的互補基團/原子之間明確的結合。氫鍵數越高，結合親和度越高。其他非鍵相互作用如疏水鍵也被觀察到，但程度較輕。表2顯示了五個最佳化合物(qi - 2, QI-8, QI-10, QI-12和QI-13)的氫鍵相互作用細節。Glu 36、Gly 40、Cys 42、Gly 83、Ile 85、Ser 149、Leu 172、Asn 173、His 174和Asp 234活性位點參與了氫鍵相互作用。化合物QI-2的結合度最高，其LibDock評分為112.34。它主要通過氫鍵作用與falcipain-2活性位點殘基強烈結合。 The binding modes (3D and 2D interaction diagrams) for the best two compounds, QI-2 and QI-8 are given in figure 3. Compound QI-2 formed four strong H-bonds with residues like Cys 42 (OHS), His 174 (OHN), Asn 173 (OHO) and Gly 83 (OHO). Three bonds were observed with residues like His 174 (OHO), Gly 83 (O·H·N) and Ser 149 (OHO) for compound QI-8. Analysis of best docking poses showed in 3D diagram revealed binding orientation of the quinoline scaffold into the binding cavity of plasmepsin 2 receptor molecule. The 2D diagram also exhibited the occupancy of quinoline imine moiety in the active sites of plasmepsin 2 through H-bonding interactions along with some hydrophobic interactions. Such interactions brought about good stability of the complex formed between the receptor and ligand molecule. Upon critial analysis of docking interactions, it was assumed that quinoline ring played a crucial role in proteinligand interaction. Substituents increased the strength of intercation by forming additional H-bonds. It facilitated to afford even stronger interaction of ligands with the plasmepsin 2 molecule achieving the desired antimalarial activity. The imino component present as a bridge moiety attributed to contributing significantly in docking interaction of quinoline imines.

房價代碼	H-bond (s)	H-binding配體			H-binding受體		H-bond距離(A)
			類型	殘留	元素	類型
QI-2	4	O	一個	半胱氨酸42	年代	D	3.411
		O	一個	他174年	N	D	3.399
		H	一個	Asn 173	O	D	2.43
		H	一個	通用電氣83	O	D	2.142
QI-8	3.	O	一個	獨聯體42	H	D	2.925
		H	一個	通用電氣83	N	D	2.674
		O	一個	Ile 85	H	D	3.128
QI-10	5	O	一個	半胱氨酸42	年代	D	2.632
		O	一個	Ile 85	N	D	2.84
		H	一個	通用電氣83	O	D	2.22
		H	一個	Asp 234	O	D	3.009
		H	一個	Gly40	O	D	2.53
QI-12	4	O	一個	Glu 36	N	D	3.208
		N	D	半胱氨酸42	O	一個	3.266
		H	一個	Asn 173	O	D	2.175
		H	一個	半胱氨酸42	年代	D	3.543
QI-13	4	H	一個	他174年	N	D	4.084
		H	一個	半胱氨酸42	年代	D	3.381
		H	一個	低濃縮鈾172	O	D	2.523
		H	一個	Asn 173	O	D	2.546

表2:大多數活性配體的氫鍵細節。

Drug-likeness

表3中描述的結果顯示，所有設計的分子(QI-1到QI-15)都具有可接受的類藥性質，基於Lipinski的五規則[13,14]，並附加了一些類藥參數。所有的分子都服從Lipinski的五分子規則和Veber規則。Lipinski的五規則被用來評估藥物活性化合物的藥物相似性，無論該化合物作為藥物分子[4]是否具有口服活性。如果藥物分子違反五條規則中的一條以上，則可以觀察到藥物分子口服吸收不良。logp、MW和TPSA值表明化合物具有良好的膜通透性和口服生物利用度。事實上，藥物分子的疏水性、膜通透性和生物利用度都取決於HBA和HBD等參數。nRotB和MR的允許值也反映了化合物良好的腸道吸收和口服生物利用度。因此，違反上述規則的分子不能表現出最佳的膜通透性、吸收性和口服生物利用度。此外，藥物分子的構象(即立體特異性)必須能夠帶來最佳的藥物受體相互作用，這也是一個重要的要求。這取決於nRotB的屬性。 Further, TPSA and MR are very much useful to define the drug’s transport and bio-distribution behaviour [8,9]. All parameters of drug-likeness discussed above and the risk of toxicity can be combined into a single numerical value called the drug-like score. It is predicted to be used as a global value for a compound to be potential as a new drug candidate [6]. After all, it can be suggested that newly designed quinoline imines have good drug-likeness behaviour favourable for optimal membrane permeability and oral bioavailability (pharmacokinetics) with desired drug-receptor interaction (pharmacodynamics).

房價代碼			利平斯基的參數				女士	MV (3.）	nRotB
	兆瓦	LogP	nHBA	nHBD	TPSA (2）	N侵犯
QI-1	281.74	4.299	3.	1	37.28	0	-6.07	252.27	3.
QI-2	297.74	4.005	4	2	57.51	0	-5.52	262.8	3.
QI-3	297.74	4.057	4	2	57.51	0	-5.58	262.89	3.
QI-4	297.74	4.057	4	2	46.51	0	-5.62	262.82	3.
QI-5	311.77	4.283	4	1	46.51	0	-6.21	284.19	4
QI-6	311.77	4.283	4	1	37.28	0	-6.23	284.12	4
QI-7	316.19	4.963	3.	1	83.1	0	-6.85	269.46	3.
QI-8	326.74	4.193	5	1	66.74	0	-6.46	290.45	4
QI-9	327.77	4.041	5	2	55.74	0	-5.69	295.54	4
QI-10	341.8	4.266	5	1	37.28	0	-6.31	315.54	5
QI-11	281.74	4.785	3.	1	37.28	0	-6.6	273.21	3.
QI-12	307.78	4.659	3.	1	40.52	0	-7.03	293.58	4
QI-13	324.81	4.461	4	1	37.28	0	-6.04	301.82	4
QI-14	331.8	5.207	3.	1	49.78	1	-7.91	301.09	3.
QI-15	309.75	4.058	4	1	54.35	0	-6.26	280.53	4

表3:Drug-likeness屬性。
分子量，logp -辛醇/水分配係數的對數，nHBA-No。氫鍵受體(s)， nHBD-No。氫鍵供體，TPSA-總極性表麵積，n違違者MS-Molar的溶解度，MR-Molar的折射率，MV-Molar的體積，nRotBNo。rotable債券。

ADMET預測

ADME-Tox研究的預測值見表4。所有ADMET值都在可接受的範圍內。ADMET性質影響藥物的藥代動力學(吸收、分布、代謝、排泄)和藥效學(藥效和毒性)性質。因此，這些性質的計算是優化藥物先導或新藥物分子的必然選擇。這些特性據說會影響生物膜吸收、口服生物利用度和藥物分子[15]的代謝。在我們的研究中，所有設計的化合物都表現出良好的腸道吸收。它們是細胞色素CYP2D6的非抑製劑，具有中至中度血腦屏障穿透。藥物分子若想用於治療腦性瘧疾，必須穿透血腦屏障。CYP2D6酶被認為是一種重要的藥物代謝酶。從水溶解度(定義在25°C的水中)的預測，大多數化合物是可溶於水的。 Hepatotoxicity was observed for a few molecules. Some of the compounds were found to be highly protein bound, while some molecules were poorly bound with plasma protein [14-16].

房價代碼	水溶解性	BBB滲透	CYP P450 2 d6 抑製	肝毒性	腸道吸收	頁綁定
QI-1	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-2	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-3	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-4	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-5	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-6	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-7	1	0	真正的	真正的	0	真正的
QI-8	2	2	真正的	真正的	0	真正的
QI-9	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-10	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-11	2	0	真正的	真正的	0	真正的
QI-12	2	0	真正的	真正的	0	真正的
QI-13	2	1	真正的	真正的	0	真正的
QI-14	1	0	真正的	真正的	0	真正的
QI-15	2	1	真正的	真正的	0	真正的

表4:理論ADMET參數。

結論

據報道，新設計的喹啉亞胺可能是惡性瘧原蟲plasmepsin 2抑製劑的有效抗瘧疾分子。對接、類藥和ADMET研究證實了新的喹啉亞胺作為抗瘧疾分子的潛力和類藥。據報道，含有2-羥基和4-硝基取代基的喹啉亞胺是該係列中最有效的抗瘧疾分子。我們目前的工作可能為進一步優化喹啉亞胺的分子結構提供了基礎，從而使喹啉抗瘧藥物成為更有效的新型血漿蛋白酶2抑製劑。

參考文獻

1. Rudrapal M, Chetia D, Singh V(2017) 1,2,4-三惡烷衍生物作為抗瘧疾藥物的新係列。酶抑製醫學化學32:1159-1173。［Ref。］
2. 梅迪·A, Chetia D, Rudrapal M (2018) Lawsone Mannich堿衍生物的合成及其抗瘧疾活性評價。印度藥學雜誌52:472-479。［Ref。］
3. Rudrapal M, Chetia D(2016)內過氧化物抗瘧藥物:1,2,4-三惡烷基結構支架的發展、結構多樣性和藥效學方麵。魔鬼之藥10:35 75-3590。［Ref。］
4. Rudrapal M, Banu Z W, Chetia D(2018)作為有效抗瘧疾藥物的新係列三惡烷衍生物。醫學化學雜誌27:653-668。［Ref。］
5. Rudrapal M, Chetia D, Prakash A(2013)一些新的4-氨基喹啉衍生物的合成、抗瘧和抗菌活性評價。醫學化學Res 22: 3703-3711。［Ref。］
6. Roy S, Chetia D, Rudrapal M, Prakash A(2013) 7-氯代4-氨基喹啉曼尼希堿的合成及其抗瘧活性研究。醫學化學9:39 -383。［Ref。］
7. Sashidhara KV, Kumar K, Dodda RP, Krishna NN, Agarwal P，等。(2012)香豆素-三惡烷雜化物:一種新型抗瘧疾支架的合成與評價。生物醫學化學22:3926- 3930。［Ref。］
8. Kitchen DB, Decornez H, Furr JR, Bajorath J(2009)藥物發現虛擬篩選的對接和評分:方法和應用。Nat Rev藥物發現3:936-849。［Ref。］
9. Sharma D, Chetia D, Rudrapal M(2016)新型2-羥基-1,4-萘醌- 4-羥基苯胺雜化Mannich堿的設計、合成及抗瘧疾活性。化學學報28:782-788。［Ref。］
10. Kashyap A, Chetia D, Rudrapal M(2016)喹諾酮類新雜種的合成、抗瘧活性評價及類藥研究。印度藥學雜誌78:801-809。［Ref。］
11. 郭果伊，謝夏D, Kumawat MK, Rudrapal M(2016)四氧烷-苯酚共軛Mannich堿的合成及抗瘧活性評價。印度藥學雜誌第50期:591-597。［Ref。］
12. Faidallah HM, Al-Mohammadi MM, Alamry KA, Khan KA(2016)氟吡唑磺酰脲和硫脲衍生物作為可能的抗糖尿病藥物的合成和生物學評價。酶抑製醫學化學31:157-163。［Ref。］
13. Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW和Feeney PJ(1997)在藥物發現和開發環境中估計溶解度和滲透性的實驗和計算方法。Adv Drug delivery Rev 23: 3-26。［Ref。］
14. Rudrapal M, Mullapudi S(2019)一些新型黃酮亞胺的設計、合成、類藥研究和生物評價。巴西藥理學雜誌。
15. Patowary P, Chetia D, Kalita J, Rudrapal M(2019)類黃酮衍生物的設計、合成及抗瘧疾活性。雜環化學29:53-58。［Ref。］
16. Singh S, Srivastava P(2015)楊梅素及其類似物對抗人類PDK-1激酶的分子對接研究。計算分子生物科學5:20-33。［Ref。］

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文章類型:研究文章

引用:Kalita J, Chetia D, Rudrapal M(2019)喹啉亞胺抗瘧疾活性的分子對接、藥物類研究和ADMET預測。醫學化學與藥物雜誌2(1):dx.doi.org/10.16966/2578-9589.113

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出版的曆史:

收到日期:2019年4月17日

接受日期:2019年4月30日,

發表日期:2019年5月07