范英芳，鄭艷莉，史智英

（山西大學(xué) 分子科學(xué)研究所，化學(xué)生物學(xué)與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

喹啉環(huán)取代喜樹堿抗癌活性的定量構(gòu)效關(guān)系研究

范英芳，鄭艷莉，史智英

（山西大學(xué) 分子科學(xué)研究所，化學(xué)生物學(xué)與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

利用量子化學(xué)密度泛函理論（DFT）中的雜化泛函B3LYP對(duì)三個(gè)系列60個(gè)喹啉環(huán)取代的喜樹堿衍生物（CPTs）進(jìn)行了構(gòu)型優(yōu)化，在6－311＋G（d，p）基組下計(jì)算出相應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)參數(shù);采用逐步多元回歸方法對(duì)各組化合物建立了幾個(gè)新的分子描述符與抗癌活性之間的定量結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系（QSAR）模型，探討了影響化合物抗癌活性的主要結(jié)構(gòu)因素及其作用機(jī)理.結(jié)果表明，所得QSAR模型具有良好的預(yù)測(cè)能力，影響藥物活性的主要因素有分子極化率和原子凈電荷以及最高占據(jù)分子軌道能量.根據(jù)所建最佳QSAR可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)喜樹堿類衍生物的抗癌活性，這有助于未來設(shè)計(jì)合成新型高效抗癌喜樹堿類似物以及改進(jìn)和完善其作用機(jī)理.

喜樹堿衍生物;抗癌藥物;定量構(gòu)效關(guān)系;密度泛函理論

喜樹堿（Camptothecin，CPT）是由Wall等人［1］在1966年從喜樹等植物中分離提取的一種五環(huán)生物堿（分子結(jié)構(gòu)如圖1），是拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ（TopoisomeraseⅠ，TopoⅠ）的專一性抑制劑［2－3］.近幾十年來，人們合成了大量的喜樹堿衍生物并對(duì)其生物活性進(jìn)行測(cè)試，先后有伊立替康（irinotecan）、拓?fù)涮婵担╰opotecan）和我國(guó)開發(fā)的10－羥基CPT已上市，并成功用于轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌、頑固性卵巢癌等多種腫瘤的治療［3］.研究結(jié)果表明［4］：A，B，C和D環(huán)的平面共軛結(jié)構(gòu)及C20的S構(gòu)型是喜樹堿類化合物體內(nèi)外活性所必需的;在喹啉（A／B）環(huán)的7，9，10及11位引入不同的取代基，特別是7和10位雙取代基，可干擾喜樹堿開環(huán)形式與人血清蛋白（HSA）的結(jié)合，提高內(nèi)酯形式在體內(nèi)的穩(wěn)定性，從而增大衍生物的抗腫瘤活性［5－6］.

由于喜樹堿類化合物的分子較大、結(jié)構(gòu)修飾方法多，而且缺乏準(zhǔn)確的晶體數(shù)據(jù)，對(duì)其構(gòu)效關(guān)系及其作用機(jī)理的研究還不深入，尤其是對(duì)其作用位點(diǎn)和配位性質(zhì)的理解還不清楚，這方面的研究正引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣［7－15］.在國(guó)內(nèi)，第二軍醫(yī)大學(xué)張萬年課題組利用半經(jīng)驗(yàn)方法以及柔性分子對(duì)接技術(shù)對(duì)一些喜樹堿類化合物進(jìn)行了量化與定量構(gòu)效關(guān)系的研究［7－8］;中國(guó)藥科大學(xué)尤啟冬等研究了喜樹堿代謝類似物的抗腫瘤定量構(gòu)效關(guān)系［9］;重慶大學(xué)李志良教授小組采用三維原子場(chǎng)全息作用矢量對(duì)喜樹堿類衍生物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)化表達(dá)，建立了定量構(gòu)效關(guān)系模型［11］.在國(guó)外，美國(guó) Weinstein JN課題組利用等級(jí)聚類和遺傳算法對(duì)數(shù)據(jù)庫中167個(gè)喜樹堿化合物進(jìn)行了抗腫瘤活性QSAR分析并建立多組模型法［13］;Mager DE小組研究了喜樹堿類似物的內(nèi)酯和羧酸酯兩種形式在人體中的藥物動(dòng)力學(xué)參數(shù)和細(xì)胞毒素IC50之間的定量構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)酯形式的相關(guān)性優(yōu)于羧酸酯［14］;意大利Fontana G等人合成并研究了16a－硫代喜樹堿類似物的結(jié)構(gòu)活性關(guān)系［15］;德國(guó)Ivanova B課題組通過量子化學(xué)、電子光譜和CD譜等方法從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了11個(gè)喜樹堿衍生物及其質(zhì)子化形式的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，表明質(zhì)子形式和吸電子基團(tuán)對(duì)于藥物的水溶性是至關(guān)重要的［16］.

圖1 喜樹堿的結(jié)構(gòu)圖及其編號(hào)Fig.1 Stucture and number of CPT

一般來說，QSAR研究不僅是數(shù)據(jù)建模，更重要的是模型的有效性和實(shí)用性.有效性可以用好的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來衡量，實(shí)用性只能依賴模型的解釋和應(yīng)用，故具有明確物理化學(xué)意義的描述符對(duì)于建立良好的QSAR模型也是很重要的.為了更好的理解喜樹堿類似物的作用機(jī)理，指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)修飾和合理設(shè)計(jì)，探尋喜樹堿衍生物的電子結(jié)構(gòu)與抗癌活性之間的定量關(guān)系，本文首次利用量子化學(xué)密度泛函理論，結(jié)合分子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了三個(gè)系列60個(gè)喹啉環(huán)（A／B）取代CPT衍生物的定量結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系，獲得幾個(gè)新的具有重要統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和良好預(yù)測(cè)能力的最佳QSAR模型，探討了影響化合物抗癌活性的主要結(jié)構(gòu)因素及其作用機(jī)理.

1 數(shù)據(jù)收集與描述符的計(jì)算

1.1 抗癌藥物的活性數(shù)據(jù)

選用化合物對(duì)藥靶的生物活性數(shù)據(jù)能更好地反映藥物與受體的相互作用，所以我們選取喜樹堿衍生物對(duì)拓?fù)洚悩?gòu)酶TopoⅠ的活性進(jìn)行研究.體外活性數(shù)據(jù)（IC50）是在足夠的拓?fù)洚悩?gòu)酶存在情況下DNA裂解一半所需要的最小藥物濃度［3］.為了方便起見，建模中抗癌活性數(shù)據(jù)均采用IC50的負(fù)對(duì)數(shù)pIC50（M），pIC50值越大，藥物活性越大.

7－甲基亞氨基氧類喜樹堿衍生物的7－位取代基和活性數(shù)據(jù)如表1所示.對(duì)H460人體NSCLC細(xì)胞株的細(xì)胞毒素活性數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［17］.

表1 7－甲基亞氨基氧類喜樹堿衍生物的結(jié)構(gòu)和活性Table 1 Stuctures and activities of 7-oxyiminomethyl CPTs

9，10-位取代的喜樹堿衍生物對(duì)人體白血病H460細(xì)胞增長(zhǎng)有良好抑制作用，其取代基結(jié)構(gòu)和生物活性見表2，數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［18］.

?

Dallavalle等［19］于2004年合成出一系列7－芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物（結(jié)構(gòu)圖及其原子編號(hào)如圖2）.實(shí)驗(yàn)表明，該系列化合物對(duì)H460腫瘤細(xì)胞株展示了強(qiáng)有力的細(xì)胞毒素活性，對(duì)治療人類胃癌模型（MKN28）有很好的療效，因?yàn)樵谀褪軇┝吭试S下口服時(shí)能抑制70%的腫瘤生長(zhǎng)且沒有表現(xiàn)出臨床毒性，其取代基結(jié)構(gòu)及在體外人類非小肺癌H460細(xì)胞株測(cè)試的細(xì)胞毒素活性見表3.

1.2 描述符的計(jì)算

QSAR中的參數(shù)用于定量描述藥物－受體分子間作用力、藥物的傳輸和代謝等過程.本文采用Gaussian03程序中的密度泛函B3LYP，在6－31G（d，p）基組上對(duì)所選化合物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及頻率計(jì)算，驗(yàn)證皆無虛頻，表明其構(gòu)型存在真實(shí)極小點(diǎn);用6－311＋G（d，p）基組對(duì)以上優(yōu)勢(shì)構(gòu)型進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算，從中提取一些相關(guān)的量化參數(shù).其中能量參數(shù)（Hartree）有：最高占據(jù)分子軌道（HO

MO）能量EHOMO，最低空分子軌道（LUMO）能量ELUMO，LUMO和HOMO的能量差ΔELH.電子性質(zhì)包括：分子偶極距μ（Debye），分子的可極化率α（a.u.），A，B，E環(huán)上非氫原子凈電荷（QN，Q2，Q6～Q8，Q9～Q13，Q15，Q16，Q20～Q26）以及這些環(huán)上非氫原子凈電荷之和（QA，QB，QE）等.所謂凈電荷，即指原子核帶的正電荷與聚集在該原子

上的電子所帶的負(fù)電荷之和，通過Mulliken集居分析而獲得.

圖2 7－芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物的結(jié)構(gòu)式Fig.2 Molecular stucture of 7-aryliminomethyl CPTs

表3 7－芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物的結(jié)構(gòu)與活性值Table 3 Structures and cytotoxic activities in vitro on H460 cell line of 7-aryliminomethyl CPTs

通過公式計(jì)算的密度泛函描述符包括：電離能（I），電子親和能（A），電負(fù)性（χ），硬度（η），親電性指標(biāo)（ω）和軟度（S）.除了量化描述符以外，與喜樹堿類化合物生物活性相關(guān)的還包括一些物理化學(xué)描述符及拓?fù)涿枋龇?本文用Chemoffice 8.0軟件對(duì)具有優(yōu)勢(shì)構(gòu)型的分子進(jìn)行計(jì)算，獲得了一些重要的描述符：分子的疏水性指數(shù)（logP），摩爾折射率（MR），化學(xué)鍵的扭曲振動(dòng)能（Eb），偶極－偶極作用能（Ed），伸縮振動(dòng)能（Es）及旋轉(zhuǎn)能（Et），基于距離的兩個(gè)拓?fù)鋮?shù)——Wiener指數(shù)（logW）和Balaban指數(shù)（logB）等.

以上所有描述符經(jīng)過檢驗(yàn)都應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）每一種結(jié)構(gòu)都可獲得一個(gè)描述符值;（2）這些數(shù)值之間要有差別，即數(shù)據(jù)中那些不適于每種結(jié)構(gòu)的描述符要舍棄，同樣對(duì)所有結(jié)構(gòu)均為常數(shù)的描述符也要舍棄.

2 模型的建立與檢驗(yàn)

多元線性回歸分析方法在統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)測(cè)能力上是非常重要的一種方法，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)及科研等方面，由于藥物在體內(nèi)要發(fā)揮良好的藥效，其活性大小必然取決于多方面的因素.為了尋找與喜樹堿類藥物的抗癌活性最相關(guān)的影響因素，本文利用SPSS Statistics 17.0軟件，以pIC50為因變量，上述計(jì)算的描述符數(shù)據(jù)為自變量，分別對(duì)所選3個(gè)系列化合物的抗癌活性和描述符之間的相關(guān)性進(jìn)行逐步線性回歸分析，得到了藥物活性與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）模型.

在QSAR方程中，N是樣本數(shù);R是因變量的觀察值與由方程計(jì)算值之間的復(fù)相關(guān)系數(shù);R2為復(fù)相關(guān)系數(shù)的平方，是擬合優(yōu)度的判定系數(shù)，其值越接近于1模型的擬合效果越好;F代表Fischer統(tǒng)計(jì)量，表示模型的真實(shí)關(guān)系或重要性水平;s是標(biāo)準(zhǔn)偏差;VIF是各變量的變異膨脹因子，反映了模型中每個(gè)變量之間的相關(guān)性，被定義為VIF＝1／（1－r2），其中r為QSAR模型中某一變量與其余變量的相關(guān)系數(shù).當(dāng)VIF＝1.0～5.0時(shí)，所得QSAR模型可以接受.當(dāng)描述符的自相關(guān)系數(shù)r≥0.7時(shí)對(duì)其中相關(guān)性較差的描述符進(jìn)行剔除.R2CV是交互檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)，判定QSAR模型的穩(wěn)健性及其預(yù)測(cè)能力，利用留一法（leave-one-out，LOO）步驟獲得.一般認(rèn)為，當(dāng)R2CV≥0.5時(shí)，QSAR模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力具有可信度，其值越高，說明模型預(yù)測(cè)能力越強(qiáng)［20］.Q是質(zhì)量指標(biāo)（質(zhì)量比率，Q＝R／s），通過檢驗(yàn)Q值可判斷由于過多參數(shù)（它們也提高R和s值）所導(dǎo)致偶然相關(guān)，高Q值表明QSAR模型具有高的預(yù)測(cè)能力，而且不存在“過擬合”現(xiàn)象［4］.當(dāng)Q達(dá)到最大、同時(shí)F最大、且s最小以及p＜0.001時(shí)模型最佳，甚至F值次佳通常也可接受.一般要求，在所建的QSAR模型中，樣本數(shù)目應(yīng)該大于等于自變量描述符數(shù)目的4或5倍.殘差值（指實(shí)驗(yàn)值與線性回歸模型預(yù)測(cè)值的差值）反映所選化合物數(shù)據(jù)的可靠性及所建模型的穩(wěn)定性，所有化合物的殘差值均應(yīng)在實(shí)驗(yàn)值標(biāo)準(zhǔn)偏差SD的兩倍以內(nèi)，否則應(yīng)視為異常值，從樣本中刪除.

3 結(jié)果與討論

3.1 7-甲基亞氨基氧類喜樹堿衍生物

對(duì)于25個(gè)7－甲基亞氨基氧類喜樹堿衍生物，按照上述方法和要求經(jīng)過篩選后，得到如下最佳的5變量方程：

化合物活性的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的折線圖如圖3所示，由此說明二者相當(dāng)接近，而且所有化合物的殘差值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二倍（2SD＝1.569 6），說明該系列化合物中均無異常值，所建模型穩(wěn)定.通過留一法交互檢驗(yàn)，得到的相關(guān)系數(shù)R2CV為0.722（≥0.5），說明模型有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力.

圖3 25個(gè)7-取代CPTs活性的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的折線圖Fig.3 Plot of experimental and calculated values of activity for 25 CPTs

從模型可以看出，分子的可極化率α和原子凈電荷Q6，Q13，Q20，Q24是影響該系列喜樹堿抗癌活性的主要因素.

（1）極化率（α）越大抗癌活性越小.極化率越大，分子體積越大，由于空間位阻效應(yīng)越不容易進(jìn)入生物體，從而使其活性越小.這反映出極化率較大的有機(jī)分子，盡管傾向于溶解于水中，但不利于在細(xì)胞膜上的分配，說明其還不能抵消由于增強(qiáng)與膜上極性部位間的相互作用而使活性減小的效應(yīng).由相關(guān)性分析可知，極化率α與折射率MR相關(guān)（r＝0.868）較大，對(duì)MR與活性pIC50進(jìn)行相關(guān)分析，得到其相關(guān)系數(shù)為－0.496，說明折射率越大活性越小.

（2）E環(huán)上20位碳原子的凈電荷Q20值（均為負(fù)值）與活性成正相關(guān)，說明Q20值越負(fù)活性越小，即C20周圍電子密度越小活性越大.由結(jié)構(gòu)分析可看出，與C20相鄰的羥基氫可能是氫鍵的供氫體，而氧原子則主要表現(xiàn)為吸電子基團(tuán).由原子凈電荷可知，氧原子表現(xiàn)出的吸電子能力比C20的要強(qiáng)，若氧原子周圍的電子密度越大，其較強(qiáng)的吸電子能力一方面使C20周圍的電子密度變小，另一方面將導(dǎo)致羥基中共用電子對(duì)強(qiáng)烈偏向氧原子一邊，氫原子幾乎成質(zhì)子狀態(tài)，這就使得氫鍵作用變強(qiáng).從作用機(jī)理分析，氫鍵作用越強(qiáng)，羥基部位越易與受體酶-DNA復(fù)合物間發(fā)生靜電吸引作用，從而對(duì)TopoⅠ的抑制性也越強(qiáng)，最終使抗癌活性增強(qiáng).20位碳原子的凈電荷通過羥基對(duì)活性影響，更加證明了α-OH（20-S構(gòu)型）基團(tuán)抑制TopoⅠ的原因并非是因?yàn)槠渑cCPT的內(nèi)酯羰基（C-21位置）之間形成了分子內(nèi)氫鍵，而主要是與酶-DNA復(fù)合物之間形成了氫鍵，從而使活性提高［21－22］.

（3）E環(huán)上24位氧原子的凈電荷Q24值（均為負(fù)值）與活性成負(fù)相關(guān)，說明Q24值越負(fù)活性越大，即24位氧原子周圍的電子密度越大活性越大.從分子結(jié)構(gòu)可以看出，O24（內(nèi)酯氧）作為吸電子基團(tuán)可能參與同TopoⅠ-DNA復(fù)合物作用的氫鍵中;Q24值越負(fù)，O24表現(xiàn)出的吸電子能力越強(qiáng)，與復(fù)合物中氫原子形成的氫鍵就越強(qiáng)，從而使內(nèi)酯氧部位更易與受體間發(fā)生靜電作用，最終使活性增強(qiáng).

Q20與Q24均為E環(huán)上的凈電荷，從結(jié)果分析可知，通過間接或直接與TopoⅠ-DNA復(fù)合物形成氫鍵來提高活性，這與目前的CPT作用機(jī)理分析一致［21－24］.

對(duì)活性影響較小的另兩個(gè)因素是B環(huán)上6位碳原子和13位碳原子的凈電荷.Q6（均為負(fù)值）與活性成正相關(guān);Q13值（均為正值）與活性成負(fù)相關(guān).說明6位及13位碳原子作為活性部位主要通過靜電作用影響此類化合物的抗癌活性.

對(duì)于7－甲基亞氨基氧類喜樹堿衍生物，Li等人［25］引入拓?fù)浞肿用枋龇c生物活性之間建立了QSAR模型，表明取代基的RPCG（由Stanton提出的相對(duì)正電荷）越小，且ACIC（親脂性描述符）值越大，對(duì)提高抗癌活性越有利;重慶大學(xué)李志良等人［10］利用三維原子場(chǎng)全息作用矢量，從結(jié)構(gòu)表征角度研究其定量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系，給出一個(gè)6變量模型;而本文首次利用密度泛函理論主要從量化角度對(duì)這些化合物及其抗腫瘤活性建立了5變量QSAR模型，給出新的具有明確物理意義的一些描述符，并對(duì)其可能的作用機(jī)理進(jìn)行了探討.

3.2 9，10-位取代的喜樹堿衍生物

對(duì)于18個(gè)9，10-位取代的喜樹堿衍生物，構(gòu)建的最佳模型包含4個(gè)描述符：

殘差分析的結(jié)果如下表4，18個(gè)9，10-位取代喜樹堿衍生物的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二倍2SD＝1.353，可見所有化合物的殘差值均小于該值，不存在異常值.通過對(duì)模型進(jìn)行留一法檢驗(yàn)，說明模型在穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力上都達(dá)到了要求.

表4 模型的預(yù)測(cè)值及殘差值比較Table 4 Comparison between predicted and residual values of activity for the model

由QSAR模型可以看出，該系列CPTs抗癌活性的影響因素主要有α，Q13，EHOMO和Q9.

（1）最高占據(jù)軌道能量EHOMO越高活性越大，表明此組喜樹堿衍生物與TopoⅠ結(jié)合時(shí)主要作為電子給予體.

（2）凈電荷Q13的正電性和Q9的負(fù)電性都有利于活性的提高，尤其A，B環(huán)連接處13位碳原子凈電荷是此組藥物活性的必要因素.

（3）分子的極化率α增大將減小化合物的活性，即分子體積越大，空間位阻效應(yīng)增大難以進(jìn)入生物體，從而使活性減小.這可以從分子體積最大的兩個(gè)化合物2和7的活性最小得到驗(yàn)證.研究表明，喜樹堿衍生物的極化率增大，其疏水性（即親脂性）減小，從而導(dǎo)致其生物活性降低，同時(shí)也提示我們?cè)?，10位大體積基團(tuán)的取代是不利的.

對(duì)于9，10-位取代的喜樹堿衍生物，文獻(xiàn)［26］中采用最小二乘法建立QSAR模型，交互檢驗(yàn)系數(shù)R2CV＝0. 495;文獻(xiàn)［27］中采用半經(jīng)驗(yàn)AM1法計(jì)算的描述符結(jié)合偏最小二乘法和遺傳算法進(jìn)行了構(gòu)效關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)此系列喜樹堿類化合物的活性與C10，C11，C13以及疏水性logP有關(guān).這些結(jié)論與本文得到的結(jié)果相吻合，且我們建立的模型各項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)，因?yàn)橛昧炕椒ㄓ?jì)算包含的描述符更加全面，結(jié)果也更具可靠性.

3.3 7-芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物

對(duì)于17個(gè)7－芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物，得到一個(gè)四變量的QSAR模型：

對(duì)模型中的描述符進(jìn)行相關(guān)分析，如表5所示，可以看出，各描述符間的相關(guān)系數(shù)都較?。╮＜0.7），相關(guān)性不大，且凈電荷Q16對(duì)化合物的生物活性影響最大.

表5 模型中描述符之間及其與活性的相關(guān)矩陣Table 5 Matrix analysis of descriptors and activities in model

對(duì)所建模型進(jìn)行殘差分析，17個(gè)化合物實(shí)驗(yàn)值標(biāo)準(zhǔn)差的兩倍2SD＝0.581，所有化合物均無異常值，說明所建模型的穩(wěn)定性較好.留一法檢驗(yàn)得到相關(guān)系數(shù)為R2CV＝0.637，大于0.5，說明其預(yù)測(cè)能力符合要求.比較模型的估計(jì)值和實(shí)驗(yàn)值，雖有個(gè)別化合物的數(shù)據(jù)有所波動(dòng)，但整體情況穩(wěn)定，說明所選模型穩(wěn)定性較好.

對(duì)于7－芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物，取代基在亞氨芳環(huán)上變換，主要是位于鄰位（R1，R2）和對(duì)位（R3）.為了進(jìn)一步探究活性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，我們重新設(shè)計(jì)9個(gè)間位（R4）取代的化合物，取代基及其用本文模型預(yù)測(cè)的活性值見表6.設(shè)計(jì)組9個(gè)化合物的2SD＝0.540，與實(shí)驗(yàn)組17個(gè)化合物的實(shí)驗(yàn)值標(biāo)準(zhǔn)差（2SD＝0.581）基本一致，說明用該模型估算這幾個(gè)化合物的活性是合理有效的.

表6 9個(gè)間位（R4）取代的7-芳亞氨甲基喜樹堿衍生物的結(jié)構(gòu)與活性預(yù)測(cè)值Table 6 Structures and predicted activities of 9 meta-position substituted 7-aryliminomethyl CPTs

用柱形圖（如圖4，P352）進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亞氨位于芳環(huán)鄰位取代的化合物活性最高，由此得出結(jié)論：芳環(huán)上鄰位取代基最有利于活性的提高.

圖4 R位于不同位置的活性值比較Fig.4 Comparison of activities for different positions of R

s7-s9（優(yōu)勢(shì)構(gòu)型如圖5）為亞氨芳環(huán)上氨基位于硫原子的間位、鄰位、對(duì)位的化合物.從圖可知，其生物活性依次降低，說明氨基位于間位對(duì)提高活性有利.

圖5 s7-s9化合物的優(yōu)勢(shì)構(gòu)型圖Fig.5 Optimized structures of compounds s7-s9

通過對(duì)該組化合物的HOMO圖進(jìn)行分析，得出結(jié)論：由于S原子的存在使得HOMO軌道的分布發(fā)生轉(zhuǎn)移，集中在S原子相連的苯環(huán)附近;而不含S原子的喜樹堿衍生物的HOMO軌道主要分布在A，B，C，D環(huán)組成的共軛π體系以及D環(huán)相連的羰基氧O23上，尤其是在D環(huán)和羰基氧中出現(xiàn)最多，這可從HOMO軌道的定量分析得到驗(yàn)證.

從所建的QSAR模型中可以看出，影響7-芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物抗癌活性的主要因素有Q16，μ，EHOMO和MR.

（1）最高占據(jù)軌道能量EHOMO越高活性越大，說明此組喜樹堿衍生物與TopoⅠ酶結(jié)合時(shí)主要作為電子給予體.

（2）D，E環(huán)連接處16位碳原子凈電荷Q16（為負(fù)值）與活性呈負(fù)相關(guān)，說明適當(dāng)增加此處的負(fù)電性可以提高活性.分析HOMO軌道成分可以看出，C16是HOMO軌道的最重要成分，說明此位置碳原子充當(dāng)重要的電子給予體，是活躍的負(fù)電性中心，且EHOMO也對(duì)活性有很大的影響，說明C16在整個(gè)化合物中是至關(guān)重要的活性部位.

篩選與Q16相關(guān)較大（r＞0.5）的參數(shù)做線性擬合，可知Q26，Q20，Q11與Q16呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)而與活性呈正相關(guān)，說明這三個(gè)位置原子的正電性有利于此系列喜樹堿活性的提高;相反Q25與活性呈負(fù)相關(guān)，說明25位氧原子的負(fù)電性可以增強(qiáng)活性.25，26氧原子可能是通過氫鍵作用或間接作用于C16而對(duì)亞氨喜樹堿活性發(fā)生影響.

（3）偶極矩μ對(duì)該組化合物的活性有較大影響，其值越大的化合物活性越小.另外，摩爾折射率MR、分子的極化率α及電負(fù)性χ的數(shù)值越小該組喜樹堿的活性越大，這幾個(gè)描述符與化合物的疏水性有關(guān)，反映了疏水性對(duì)活性的影響作用.

對(duì)于該系列化合物，李波［10］用三維原子場(chǎng)作用矢量產(chǎn)生17個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)描述符，進(jìn)入模型的變量全部為立體作用場(chǎng)相關(guān)變量，說明原子間的立體相互作用對(duì)活性的影響顯著.該文中還設(shè)計(jì)了7個(gè)間位（R4）取代的化合物，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，間位取代化合物的活性與對(duì)位取代相差不大，活性都小于鄰位取代的化合物，說明鄰位取代對(duì)提高該組化合物的活性最有利，這與本文模型預(yù)測(cè)得出的結(jié)論相一致.

4 結(jié)論

本文利用密度泛函理論主要從量化角度對(duì)25個(gè)7－甲基亞氨基氧類喜樹堿衍生物、18個(gè)9，10-位取代的喜樹堿衍生物和17個(gè)7－芳亞氨甲基取代喜樹堿衍生物三個(gè)系列共60個(gè)喹啉環(huán)（A／B）取代CPT衍生物的抗腫瘤活性進(jìn)行了定量結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系研究，分別得到包含5（α、Q20、Q24、Q6和Q13）、4（α，Q13，EHOMO和Q9）和4（Q16，μ，EHOMO和MR）個(gè)描述符的最佳QSAR模型，探討了影響化合物抗癌活性的主要結(jié)構(gòu)因素及其作用機(jī)理.結(jié)果表明：這些模型均具有較好的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力;分子的極化率α和B環(huán)、E環(huán)上的凈電荷是影響喜樹堿類化合物抗癌活性的重要因素，改變分子取代基的體積是提高抗癌活性的主要途徑，而B環(huán)上13位碳原子的正電性和D，E環(huán)連接處16位碳原子的負(fù)電性對(duì)活性有重要影響;疏水性對(duì)喜樹堿類似物的活性影響較大，最高占據(jù)軌道能量EHOMO越高活性越大，喜樹堿衍生物與TopoⅠ酶結(jié)合時(shí)主要作為電子給予體，D環(huán)及其相連的羰基氧（O23）可能是與受體作用的活性中心.

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Quantitative Structure-Antitumor Activity Relationships of Camptothecin Derivatives Substituted at Quinoline Ring

FAN Ying-fang，ZHENG Yan-li，SHI Zhi-ying
（KeyLaboratoryofChemicalBiologyandMolecularEngineeringofthe EducationMinistry，InstituteofMolecularScience，ShanxiUniversity，Taiyuan030006，China）

The geometrical structures of three types of 60 camptothecin derivatives with substitutions within the quinoline（A／B）ring were optimized and the corresponding electronic structural descriptors were calculated using DFT／B3LYP procedure at 6－311＋G（d，p）level.Several novel quantitative structure-activity relationships（QSARs）between the biological activity and the molecular descriptors of those compounds were obtained with stepwise multiple regression.The results show that not only those QSAR models have good predictive ability，but also molecular polarizability and net charges of key atoms and the energy of the highest occupied molecular orbital are the main factors affecting the antitumor activity of the camptothecin derivatives.That will be of great benefit to our future design and synthesis of novel highly potent antitumor camptothecin analogues and be helpful for proving or improving the action mechanism supposed.

quantitative structure-activity relationship（QSAR）;camptothecin（CPT）;anticancer drug;density functional theory（DFT）

R962

A

0253-2395（2012）02-0346-09＊

2012-02- 19;

2012-03-06

山西省自然科學(xué)基金（2007011025）

范英芳（1960－），女，山西萬榮人，博士，教授，主要研究方向：計(jì)算化學(xué).E-mail：fanyf＠sxu.edu.cn