药学学报  2015, Vol. 50 Issue (10): 1258-1262   PDF    
引用本文
NI Li-li, YAN Qiang, WU Shu-min, XIE Yu-suo, GAO Liu-zhou, LIU Ying-jie, HUANG Wen-long, HU Guo-qiang. Synthesis and antitumor activity of fluoroquinolon-3-yl-s-triazole sulfide ketones and their derivatives from ciprofloxacin[J]. Acta Pharm Sin, 2015, 50(10): 1258-1262.  
倪礼礼, 闫强, 吴书敏, 谢玉锁, 高留州, 刘英杰, 黄文龙, 胡国强. 氟喹诺酮C-3均三唑硫醚酮及其衍生物的合成和抗肿瘤活性[J]. 药学学报, 2015, 50(10): 1258-1262.  
氟喹诺酮C-3均三唑硫醚酮及其衍生物的合成和抗肿瘤活性
倪礼礼1, 闫强1, 吴书敏1, 谢玉锁1, 高留州1, 刘英杰2 , 黄文龙3, 胡国强1     
1. 河南大学化学生物学研究所, 河南 开封 475001;
2. 河南大学医学院微生物学教研室, 河南 开封 475001;
3. 中国药科大学新药研究中心, 江苏 南京 210009
收稿日期: 2015-05-04; 修回日期: 2015-07-21.
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (20872028, 21072045); 河南省高等学校重点科研项目 (15A350004).
* 通讯作者:Tel: 86-371-23880585, Fax: 86-371-23880685, E-mail: L-yingjie@henu.edu.cn;hgqxy@sina.com.cn
摘要: 为发现氟喹诺酮由抗菌活性到抗肿瘤活性转化的有效结构修饰策略, 以均三唑硫醇 (酮) 杂环为C-3羧基的等排体, 经硫醚化修饰得C-3均三唑硫醚酮 (6a～6g), 进一步优化得C-3均三唑硫醚酮缩氨基硫脲 (7a～7g) 和C-3噻唑并三唑稠杂环类 (8a～8g)。用元素分析和光谱数据确证化合物的结构, 用MTT方法评价3类化合物对Hep-3B、Capan-1和HL60的体外抗增值活性。结果表明, 上述3类化合物的体外抗肿瘤活性均强于环丙沙星, 其中相应化合物的活性次序为7 > 8 > 6, 对肿瘤细胞的选择性为Capan-1 > Hep-3B > HL60。同时, 含吸电子基 (F、NO2) 取代的目标化合物 (6f、7f、8f和6g、7g、8g) 均强于其他取代基目标物的活性, 尤其是缩氨基硫脲类 (7f、7g) 对Capan-1的IC50值与对照药多柔比星相当。为此, 硫醚酮缩氨基硫脲修饰的均三唑杂环作为C-3羧基等排体值得关注和进一步发展。
关键词: 氟喹诺酮     环丙沙星     均三唑     硫醚酮     缩氨基硫脲     噻唑并三唑     抗肿瘤活性    
Synthesis and antitumor activity of fluoroquinolon-3-yl-s-triazole sulfide ketones and their derivatives from ciprofloxacin
NI Li-li1, YAN Qiang1, WU Shu-min1, XIE Yu-suo1, GAO Liu-zhou1, LIU Ying-jie2 , HUANG Wen-long3, HU Guo-qiang1     
1. Institute of Chemical Biology, Henan University, Kaifeng 475001, China;
2. Department of Microbiology, Medical College of Henan University, Kaifeng 475001, China;
3. Centre of Drug Discovery, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China
Abstract: To discover an efficient strategy for the conversion of the antibacterial activity of fluoroquinolones into the antitumor activity, the three series of C-3 s-triazole-based derivatives including sulfide ketones (6a-6g), thiosemicarbazones (7a-7g) and fused heterocyclic thiazolotriazoles (8a-8g) were synthesized from ciprofloxacin (1), respectively. The structures were characterized by elemental analysis and spectral data. The antitumor activity was tested against three tumor cell lines (Hep-3B, Capan-1 and HL60) using the MTT assay. The three types of compounds all exhibited stronger anti-proliferative activities than ciprofloxacin in the test. The order of their activities was in compounds 7 > 8 > 6, and the order of selectivity against cancer cell lines was Capan-1, Hep-3B and HL60. Meanwhile, the SAR revealed that some compounds with electron-drawing group substituted such as fluoro- and nitro-phenyl compounds (6f, 7f, 8f) and (6g, 7g, 8g) displayed more significant activity than the control compounds, especially the IC50 values of thiosemicarbazone compounds 7f and 7g against Capan-1 was comparable to doxorubicin. Thus, a five-membered triazole as the C-3 bioisostere modified with the functionalized side-chain of sulfide-ketone thiosemicarbazone warrants special attention and further investigation.
Key words: fluoroquinolone     ciprofloxacin     s-triazole     sulfide ketone     thiosemicarbazone     thiazolotriazole     antitumor activity    


拓扑异构酶 (Topo) 不仅是氟喹诺酮药物的抗菌作用靶点,也是抗肿瘤药物的重要作用靶点,且二种靶酶在功能和序列结构上具有相似性,因此,可将其抗菌活性转化为抗肿瘤活性[1, 2]。与此同时,对氟喹诺酮的结构修饰研究发现,C-3羧基虽是抗菌活性必需的药效团,但并非是抗肿瘤活性所必要的,被杂环或稠杂环等排体替代可提高其抗肿瘤活性[3, 4]。对C-3羧基等排体如何优化,以进一步提高活性以促进其向成药性发展,仍是目前氟喹诺酮由抗菌活性向抗肿瘤活性转化过程中亟待要解决的分子结构设计问题。为此,基于药物分子构建的有效药效团拼合原理和优势骨架的迁越策略[5],利用前期发现的C-3羧基的有效等排体均三唑杂环用功能化的侧链修饰可提高其抗肿瘤活性的结果[6],同时考虑到缩氨基硫脲药效团不但能与多种金属离子发生螯合反应产生重要的药理作用,同时其许多衍生物具有抗病毒、抗细菌、抗真菌、抗肿瘤活性等多种生物活性,尤其是一些杂环缩氨基硫脲类化合物的抗肿瘤作用靶点可能是DNA拓扑异构酶II (Topo II),已在抗肿瘤药物分 子设计中引起关注[7],但作为C-3等排体的修饰基的研究尚未见报道。另一方面,以五元唑杂环为优势药效团骨架构建的多种稠杂环化合物分子库已广泛用于活性先导化合物的发现[8],但以氟喹诺酮骨架为取代基的 (稠) 唑杂环化合物的研究目前报道尚少。为此,作为对抗肿瘤氟喹诺酮分子构建课题研究工作的延续,本文以环丙沙星 (1) 的优势骨架1-环丙基- 6-氟-7-哌嗪-喹啉-4-酮为模板,均三唑为其C-3羧基的等排体,通过有效药效团的拼合或优势药物骨架的迁越,设计合成了C-3均三唑硫醚酮 (6a～6g)、C-3均三唑硫醚酮缩氨基硫脲 (7a～7g) 和C-3噻唑并均三唑稠杂环 (8a～8g) 等3类结构不同的目标化合物,试图实现药效团活性的叠加或结构的互补。通过在取代基苯环上引入电性不同的基团,评价其对活性的影响,得出初步的构-效关系,为更具新结构化合物分子的设计提供新思路。

环丙沙星 (1) 经哌嗪甲基化、肼解、与硫氰化钾缩合及在碱性介质中环合等4步反应得到中间体C-3均三唑硫醇 (5)[6]。在无水乙醇中,中间体5与α-溴代苯乙酮类发生巯基 (-SH) 的亲核取代反应形成C-3均三唑硫醚酮 (6)。硫醚酮6与氨基硫脲发生酮羰基的缩合反应生成相应的亚胺席夫碱类C-3均三唑硫醚酮缩氨基硫脲 (7)。硫醚酮6在多聚磷酸 (PPA) 中发生分子内的脱水环合反应到稠杂环化合物C-3噻唑并均三唑 (8)。目标化合物 (6、7、8) 的合成见合成路线1。

结果与讨论 1 化学部分

均三唑硫醇与α-溴代苯乙酮类通常发生缩环合反应得到噻唑并均三唑稠杂环类化合物[9]。然而,对C-3均三唑硫醇5而言,由于氟喹诺酮骨架产生的空间位阻效应,导致C-3均三唑硫醚酮6在乙醇反应介质中不能发生分子内环合反应到稠杂环类8,但6在多聚磷酸 (PPA) 的作用下可在较高的温度条件下发生分子内脱水环合反应到8。同时,试图在制备6的反应体系中加入缚酸剂以提高其反应的速率或收率,但无论是有机碱如三乙胺或无机碱如碳酸 (氢) 钠 (钾) 或强碱,即使在较低的温度下反应,也会导致反应液变深色,且杂质量显著增多,得不到预期产物6,但在无水乙醇中直接反应可以高收率得到产物6。这可能是α-溴代苯乙酮类在碱性介质中易发生溴的消除或聚合等多种副反应所致。另外,常见的酮与氨基硫脲的缩合反应也多在乙醇或甲醇中用弱酸冰乙酸催化即可完成[10],但C-3均三唑硫醚酮6在此条件下不发生反应,仅用浓硫酸催化脱水方可顺利反应得到预期产物C-3均三唑硫醚酮缩氨基硫脲7,而未发现分子内的环合产物8。

Scheme 1 Synthetic route of the title compounds 6a-6g,7a-7g and 8a-8g

目标化合物 (6、7、8) 的结构经1H NMR、MS及元素分析确证,其收率、物理常数和波谱数据见表 1、2。

2 抗肿瘤活性评价

采用MTT方法测定了合成的3类目标物对人 肝癌细胞 (Hep-3B)、人胰腺癌细胞 (Capan-1) 和人白血病细胞 (HL60) 的半数抑制浓度 (IC50)。结果 (表 3) 表明,21个目标物的IC50值均低于50.0 μmol·L-1,显示出潜在的抗肿瘤细胞增殖活性。有意义的是,构-效关系揭示了C-3均三唑硫醚酮6分子中的酮羰 基进一步修饰为亚胺 (C=N) 席夫碱——缩氨基硫脲类7或与母环核均三唑环合形成环烯胺稠环——噻唑并均三唑类8时,均能提高其抗肿瘤活性,相 应化合物的活性次序为7 > 8 > 6 > 1,同时对实验肿瘤细胞的选择性为Capan-1 > Hep-3B > HL60。另外,苯环带有吸电子基F原子的目标化合物 (6f、7f、8f) 和NO2基的目标化合物 (6g、7g、8g),其抗肿瘤活性均强于其他取代基目标物的活性。提示吸电子基取代的苯环可活化相连的羰基 (C=O) 或亚氨基 (C=N) 或胺烯基 (N-C=C),有利于与作用靶点发生亲核加成反应产生细胞毒作用。尤其是缩氨基硫脲类 (7f、7g) 对Capan-1的IC50值与对照药多柔比星相当,进一步提示含有多功能供电子基 (-NH2和-SH) 的缩氨基硫脲侧链易与靶点形成氢键,提高其亲和力。基于此,氟喹诺酮C-3均三唑硫醚酮缩氨基硫脲衍生物是一类有发展前景的抗肿瘤先导物,值得关注和进一步研究。

实验部分

熔点测定采用WK-1B数字熔点仪 (上海精密科学仪器厂),毛细管法,温度未校正; AM-400型核磁共振仪 (德国Bruker公司),DMSO-d6为溶剂; Esquire LC型质谱仪 (德国Bruker公司); 2400-Ⅱ元素分析仪

Table 1 Physical constants and spectral data of compounds 6,7 and 8

Table 2 1H NMR data of the compounds 6,7 and 8

(美国PE公司); 酶标仪为BIO-RAD型 (美国)。实验肿瘤细胞购自中国科学院细胞库,本课题组进行培养和活性筛选。所用环丙沙星1为商品,其衍生物中间体N-甲基C-3均三唑硫醇5按文献[6]方法制备,所用试剂 均为分析纯。

1 化学合成

1.1 1-环丙基-6-氟-7-(4-甲基-哌嗪-1-基)-3-(5-芳甲酰甲硫基-4H-[1, 2, 4]三唑-3-基)-喹啉-4(1H)-酮 (6a～6g) 的合成通法 C-3均三唑硫醇5 (2.0 g,5.0 mmol) 与α-溴代芳乙酮类 (6.0 mmol) 在无水乙醇 (50 mL) 中搅拌回流反应12 h。室温放置,过滤。滤饼氢溴酸盐悬浮于蒸馏水 (50 mL) 中,用碳酸氢钠饱和溶液调中性,过滤,水洗,干燥。粗品用无水乙醇重结晶,得黄色结晶游离碱目标化合物 (6a～6g)。

1.2 2-{5-[1-环丙基-6-氟-7-(4-甲基哌嗪-1-基)-喹啉- 4(1H)-酮-3-基]-4H-[1, 2, 4]三唑-3-硫基}-1-芳基-乙酮缩氨基硫脲 (7a～7g) 合成通法 中间体5 (2.0 mmol) 悬浮于无水乙醇 (30 mL) 中,加入氨基硫脲 (0.22 g,2.4 mmol),搅拌下滴加浓硫酸 (1 mL)。混合物搅拌回流反应5 h。倒入冰水 (50 mL) 中,用浓氨水调至中性。放置析出固体,过滤,水洗,干燥。粗品用无水乙醇重结晶,得淡黄色结晶目标物7a～7g。

1.3 1-环丙基-6-氟-7-(4-甲基-哌嗪-1-基)-3-(6-芳基-噻唑并[3,2-b][1, 2, 4]三唑-2-基)-喹啉-4(1H)-酮 (8a～8g) 的合成通法 C-3均三唑硫醚酮 (6) (2.0 g) 悬浮于多聚磷酸 (5.0 g) 和甲苯 (20 mL) 的混合液中,搅拌回流反应6 h。反应液慢慢倾入冰水 (50 mL) 中,用碳酸氢钠慢慢调pH 10.0,静置,分出有机层。水相 用氯仿提取 (3x10 mL),合并有机相,无水硫酸钠干燥。过滤,减压蒸除溶剂,用DMF-无水乙醇混合溶剂重结晶,得淡黄色结晶目标物8。

Table 3 Structures and anti-cell proliferative activity of compounds 6,7 and 8
2 抗癌细胞体外增殖活性[11]

合成的21个C-3均三唑目标化合物 (6、7、8) 及对照环丙沙星 (ciprofloxacin,1) 和结构类似抗癌药物多柔比星 (doxorubicin) 用DMSO配成1.0x10-2 mol∙L-1浓度的储备液,用RPMI-1640稀释到所需浓度。取对数生长期的人肝癌Hep-3B细胞、人胰腺癌Capan-1细胞及人白血病HL60细胞分别以每孔5 000个细胞接种于96孔板,培养隔夜后,加入不同浓度的上述供试化合物溶液,继续培养48 h后弃去培养基。每孔加入1 g·L-1 MTT溶液100 μL,继续培养 4 h 后弃上清液。每孔加入150 μL二甲基亚砜,轻轻振荡30 min,用酶标仪在570 nm波长处测其吸光度值。计算各组对癌细胞的抑制率: 抑制率% = (1 - 实验组吸光度值/对照组吸光度值)×100%。然后以各药物浓度的对数值对各浓度下的抑制率作线性回归,得浓度-效应方程,以此计算出各供试化合物对实验癌细胞的半数抑制浓度 (IC50)。所有实验在相同条件下重复进行3次,最终结果以mean ± SD表示。

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