吲哚喹唑啉衍生物抗癌活性與拓?fù)鋮?shù)的定量關(guān)系

李劍+堵錫華

通訊作者，Email：12dxh@sina.com，唐賽杰2（1.徐州開達(dá)精細(xì)化工有限公司，中國 徐州221009; 2 徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，中國 徐州221111）

摘要為建立吲哚喹唑啉衍生物類藥物抗癌活性的定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)性模型，分析了20個具有不同取代基的吲哚喹唑啉衍生物分子抗癌活性與分子連接性指數(shù)mX及其電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)Im的關(guān)系，有效地表征了該衍生物的分子結(jié)構(gòu).采用多元線性逐步回歸方法進(jìn)行多次優(yōu)化篩選了2種分子連接性指數(shù)0χp，2χp和2種電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)I7，I16，經(jīng)逐步回歸分析得到了用于預(yù)測吲哚喹啉衍生物抗癌活性的定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)（QSAR）模型，回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.820.利用方程計算得到抗癌活性的估算值與實(shí)驗(yàn)值之間平均誤差只有0.010，此外對模型穩(wěn)定性和預(yù)測能力進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明模型具有良好的穩(wěn)健性和預(yù)測能力.

關(guān)鍵詞拓?fù)鋮?shù);吲哚喹唑啉衍生物;抗癌活性;定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)性

中圖分類號O641文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號10002537（2015）06004604

Relationship Between Anticancer Activities of Indolo [1，2b]

Quinazoline Derivatives and Topology Parameters

LI Jian1， DU Xihua2*， TANG Saijie2

（1.Xuzhou Kaida Fine Chemical Co.， Ltd.，Xuzhou 221009， China;

2.School of Chemistry and Chemical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221111， China）

AbstractIn order to establish QSAR model of the antitumor activity of indolo[1，2b] quinazoline derivatives， the relationships amongst the molecular connectivity indices mX， the electrotopological state indices Im and the anticancer activities of 20 indolo[1，2b] quinazoline derivatives were analyzed， which nicely represent the molecular structure of the derivatives. Molecular connectivity indices 0χp， 2χp and electrotopological state indices I7， I16 were selected by multiple linear stepwise regression method. The QSAR model was established by stepwise regression analysis and the correlation coefficient is 0.820. The average error between estimated value and experimental value is 0.010. Moreover， the examination of the stability and prediction ability of the model in this paper shows that the model has good stability and prediction ability.

Key wordstopology parameters; indolo[1，2b]quinazoline derivatives; anticancer activity;QSAR

結(jié)腸癌是最常見的惡性腫瘤之一，被認(rèn)為是癌癥引發(fā)死亡的第三大殺手.近年來我國結(jié)腸癌的發(fā)病率也呈逐年上升趨勢[12].目前，治療結(jié)腸癌的方法并不多，治療結(jié)腸癌的藥物一般用氟尿嘧啶類藥物，如5氟尿嘧啶和亞葉酸等，但該類藥物不良反應(yīng)嚴(yán)重，毒副作用大.吲哚喹唑啉是一種可從多種醫(yī)用植物中提取的生物堿，具有良好的抗腫瘤、抗菌作用以及低的細(xì)胞毒性，特別是對結(jié)腸癌有良好的治療作用.

定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)性研究（QSAR）是以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的一種定量藥物設(shè)計的理論方法;它涵蓋了計算機(jī)科學(xué)、化學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、毒理學(xué)以及生物學(xué)的一些內(nèi)容，該法能揭示分子物化性質(zhì)和生物活性/毒性與分子結(jié)構(gòu)信息參數(shù)之間的變化規(guī)律，被廣泛運(yùn)用于許多領(lǐng)域，如合成化學(xué)、環(huán)境毒性、農(nóng)藥研制、生物分子模擬以及藥物設(shè)計與評價等等.將QSAR方法應(yīng)用于吲哚喹唑啉衍生物研究，可為分子設(shè)計和藥物活性（毒性）評價起到一個重要的作用.本文通過研究分子連接性指數(shù)[34]和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)與文獻(xiàn)[1]吲哚喹唑啉衍生物抗癌活性之間的關(guān)系，構(gòu)建了定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)模型，獲得較為滿意的效果，本法對高活性抗癌性吲哚喹唑啉類衍生物藥物的研究、設(shè)計和開發(fā)利用具有較好的實(shí)際意義.

QSAR方法是根據(jù)化合物分子和生物體內(nèi)受體分子的立體結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)[5]、根據(jù)物質(zhì)分子間的相互作用能量來探討化合物分子的結(jié)構(gòu)模型與其生物體性質(zhì)之間存在的定量關(guān)系.本文首先利用軟件Chemoffice 2005建構(gòu)吲哚喹唑啉衍生物的結(jié)構(gòu)圖，再通過MATLAB自編程序軟件[6]計算得到吲哚喹唑啉衍生物的分子連接性指數(shù)、分子形狀指數(shù)、分子電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)數(shù)值，用SPSS統(tǒng)計軟件經(jīng)過多次優(yōu)化篩選參數(shù)，最后選擇得到分子連接性指數(shù)mX和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)Im，經(jīng)過回歸分析，建立了相關(guān)性較好的定量構(gòu)效關(guān)系模型.

1指數(shù)的構(gòu)建

為構(gòu)建最佳的預(yù)測模型，參數(shù)的選擇最為重要，它既要求參數(shù)與性質(zhì)之間有良好的相關(guān)性，又要求據(jù)此所建模型有良好的穩(wěn)健性和預(yù)測能力，而且還要求樣本數(shù)與參數(shù)個數(shù)的比值應(yīng)大于5，基于這些基本原則，本文利用相關(guān)的程序軟件計算得到了相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行了篩選.

湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報第38卷第6期李劍等：吲哚喹唑啉衍生物抗癌活性與拓?fù)鋮?shù)的定量關(guān)系1.1分子連接性指數(shù)（mX）

分子連接性指數(shù)能夠反應(yīng)分子中原子的連接排列方式，它是一種主要反應(yīng)分子結(jié)構(gòu)信息的參數(shù)，1975年由Randic[7]在研究小分子烷烴的數(shù)目與沸點(diǎn)關(guān)系時提出的分支指數(shù)，由于該指數(shù)只適用于烴類化合物，后來Kier等人[8]對其進(jìn)一步修正，在分子隱氫圖的鄰接矩陣基礎(chǔ)上提出一種新的結(jié)構(gòu)量化數(shù)值，它具有廣泛的應(yīng)用性和準(zhǔn)確性，它不僅能夠處理雜原子和不飽和鍵，還能處理環(huán)和芳香類復(fù)雜分子.它在藥物分子設(shè)計和合成方面顯示出了重要的作用[9]，但是分子連接性指數(shù)同時也存在著一定的局限性[10]，利用其單一指數(shù)與藥物性質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，相關(guān)性并不是很理想，還需要與其他指數(shù)結(jié)合使用才有效果.本文通過程序計算了文獻(xiàn)[1]中20個化合物分子的分子連接性指數(shù)，再通過回歸分析優(yōu)化篩選，確定了其中二種連接性指數(shù)0χp、2χp作為與藥物分子抗癌活性關(guān)聯(lián)的變量值，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

1.2電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)（Im）

電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)（Im）是一種結(jié)構(gòu)參數(shù)，它是根據(jù)在分子中的成鍵電子信息與拓?fù)洵h(huán)境來表征分子中每種非氫原子類型，由Hall和Kier等人[11]提出，主要針對連接性指數(shù)的局限性提出的一種新的概念指數(shù)，本指數(shù)充分考慮了電性特征[12]，它是在原子水平上的拓?fù)渲笖?shù)，包含分子特征結(jié)構(gòu)的電子信息和拓?fù)湫畔?，能反映原子所受分子環(huán)境的影響，目前國內(nèi)將電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)應(yīng)用于藥物抗癌活性方面的研究報道并不多見，因此利用本指數(shù)來研究吲哚喹唑啉衍生物的原子結(jié)構(gòu)對分子性質(zhì)的影響有實(shí)際意義.

在前面工作[1315]基礎(chǔ)上，本文通過程序計算了文獻(xiàn)[1]中的20個化合物分子的電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)，再通過回歸分析優(yōu)化篩選，確定了其中二種電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)I7和I16作為方程變量，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

2QSAR模型的建立

分析文獻(xiàn)[1]中20種吲哚喹唑啉化合物，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計分析軟件對2個分子連接性指數(shù)和2個電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)與抗癌活性值進(jìn)行逐步回歸分析，建立的線性回歸方程為

pIC50= 9.444-0.6710χp+2.039 2χp-0.201 I7-0.046 I16，（1）

N=20，R=0.820，R2=0.673，S=0.390，F(xiàn)=7.723.

其中 pIC50為結(jié)腸癌細(xì)胞半抑制濃度的負(fù)對數(shù)，N 為樣本數(shù)，R為相關(guān)系數(shù)，R2為判定系數(shù)，S為估計標(biāo)準(zhǔn)誤差，F(xiàn)為Fischer 檢驗(yàn)值.可以看出方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.820，這對于藥物類的QSAR模型來說，達(dá)到了較好的相關(guān)性.根據(jù)模型得到的pIC50的估算值與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值所得的數(shù)值吻合度較好，兩者的平均絕對誤差為0.010，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

與文獻(xiàn)[1]相比，雖然本法的標(biāo)準(zhǔn)偏差較高，但本法使用自編程序計算簡便、方法簡單，具有一定的實(shí)用性;而文獻(xiàn)[2]的標(biāo)準(zhǔn)偏差雖然很低，但該文為17個樣本分子，本文中的3，10，11，12號分子沒有列入該文中（另加一分子），從這4個分子的pIC50實(shí)驗(yàn)值可以看出，它們明顯屬于離群數(shù)據(jù)，將它們與其他分子放在一起進(jìn)行回歸分析會導(dǎo)致偏差增大.

表1pIC50的實(shí)驗(yàn)值與估算值

Tab.1The experimental values and predicted values of pIC50

序號R1R20χp2χpI7I16估算值實(shí)驗(yàn)值誤差1HO5.0151.30214.14424.7614.7525.301-0.5492BrO5.9101.58512.33424.9665.0835.398-0.3153NO2O6.2881.75310.76735.9904.9794.6020.3774NH2O5.5901.46511.92224.9115.1385.319-0.1815NHCOCH3O6.9592.09211.79236.4424.9944.5230.4716NHCOCH2CH2CH3O8.2662.56711.91237.2525.0244.9790.0457NHCOCH2CH3O7.6042.28911.86136.9264.9264.6800.2468O11.1703.47812.00338.3064.8665.000-0.1349HNOH5.4931.42914.44212.6315.1885.0970.09110HNOCH2CH2OH7.3732.16414.67612.8465.3684.6990.66911HNOCOCH2CH2Ph9.1583.41624.25025.3444.2244.2220.00212HNOCH2CH2CH2NMe29.4333.07315.05313.0015.7575.3980.35913HNOCH2CH2NMe28.7312.74915.01112.9685.5776.125-0.54814H 10.8773.62714.95912.8305.9446.071-0.12715H 10.3193.17815.15913.0745.3515.3470.00416NO2NOCH2CH2NMe210.1213.30011.49824.3955.9486.125-0.17717NO2NOCH2CH2CH2NMe210.8353.62511.53424.4576.1216.301-0.18018NO2NOCH2CH2OH8.7322.68311.21324.1705.6906.125-0.43519BrNOCH2CH2NMe29.7753.11913.06513.0426.0195.5230.49620Br 10.6623.22513.17313.1265.6145.5230.0913QSAR模型穩(wěn)定性和預(yù)測能力的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型（即QSAR模型）中是否存在異常值，用Jackknife法對模型進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，每次剔除一個化合物， 利用剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模， 得到一個新的相關(guān)系數(shù)值，重復(fù)20次，得到20個相關(guān)系數(shù)值，大部分相關(guān)系數(shù)的檢測都分布在0.820附近，0.775～0.800之間的有2個，其他18個相關(guān)系數(shù)都是在0.800～0.855之間波動，具有良好的正態(tài)分布，只有剔除1號分子模型的相關(guān)系數(shù)是0.855，相關(guān)系數(shù)的平均值與模型的相關(guān)系數(shù)R是一致的;說明模型的穩(wěn)定性較好.將這些相關(guān)系數(shù)列入表2.

采用MINITAB軟件的最佳變量子集回歸方法對其進(jìn)行變量的提取和回歸統(tǒng)計分析， 可以看出，如使用2個變量，方程最好的R2=0.445，S=0.478;如使用3個變量，方程最好的R2=0.599，S=0.418;而使用4個變量，則是本文的R2=0.673，S=0.390;此時交互檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)也最好，所以本文采用4個變量比較合理.

表2相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)

Tab.2Inspection of correlation coefficient

剔除分子12345678910相關(guān)系數(shù)0.8550.8310.8200.8240.8240.8170.8140.8220.8200.854剔除分子11121314151617181920相關(guān)系數(shù)0.7750.8320.8330.8040.8200.8030.7920.8200.8430.820為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測能力，隨機(jī)在剔除1，8，15號分子時得到的相應(yīng)定量結(jié)構(gòu)相關(guān)模型對1，8，15號分子的抗癌活性值進(jìn)行預(yù)測，得到相關(guān)的值見表3.

表3模型的預(yù)測檢驗(yàn)

Tab.3Prediction results by the model

序號實(shí)驗(yàn)值估算值絕對誤差15.3014.580-0.72185.0004.657-0.343155.3475.335-0.013通過表3可見，模型的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值基本吻合，幾個數(shù)據(jù)的平均誤差為-0.359，說明模型具有一定的預(yù)測能力.

4結(jié)果與討論

本文運(yùn)用分子連接性指數(shù)mX和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)Im表征吲哚喹唑啉衍生物的分子模型結(jié)構(gòu)，預(yù)測其抗癌活性，兩者之間建立較好的定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)研究模型，由方程可知，文獻(xiàn)[1]中20種吲哚喹唑啉衍生物的pIC50與電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，通過對估算值與實(shí)驗(yàn)值的比較可見，當(dāng)引入的取代基團(tuán)R含有雜環(huán)時，實(shí)驗(yàn)值與利用方程得到的估算值比較吻合;隨著引入的R1基團(tuán)的拉電子能力增加，同時取代基R2的大小相對適中時，模型對預(yù)測該類化合物的抗癌活性具有很好的效果;當(dāng)取代基R1相同時，該類化合物的抗癌活性與取代基R2基團(tuán)的大小有較大關(guān)系，取代基R2的空間效應(yīng)對化合物影響大;當(dāng)取代基R2相同時，取代基R1的電性對化合物抗癌活性影響較大，其拉電子能力越強(qiáng)，化合物抗癌活性越好.

綜上所述，本文運(yùn)用分子連接性指數(shù)mX和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)Im預(yù)測吲哚喹唑啉衍生物藥物的抗癌活性，建立了較好的定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)研究模型，通過Jackknife法檢驗(yàn)，模型有較好的穩(wěn)健性和預(yù)測能力.因此運(yùn)用本法研究吲哚喹唑啉衍生物藥物，可以在理論上設(shè)計出抗癌活性較高的新型吲哚喹唑啉衍生物，為實(shí)驗(yàn)工作者合成活性強(qiáng)的新型藥物提供理論依據(jù).

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