糖尿病是一种由体内胰岛素绝对或者相对不足引起的具有一系列临床表现的综合症。导致糖尿病的因素很多,主要包括遗传因素、微生物感染及其毒素、免疫功能紊乱、自由基毒素、精神因素等,这些因素作用于机体,导致胰岛功能减退或胰岛素抵抗,进而引起糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等物质的代谢紊乱,造成血液中葡萄糖含量的升高。当血糖无法控制时,不可避免会诱发视网膜病变、神经病变、肾微血管病变、冠心病和中风等各种慢性并发症,这些综合症严重降低了糖尿病病人的生活质量,严重的甚至威胁生命。尽管各国药物学家在治疗糖尿病并发症方面做了大量的工作,然而有效药物的研发依然是全世界共同面临的一大挑战。截止目前,人们提出了五种潜在的致病机制,其中多元醇通路的增强是被大多数学者公认且最具说服力的发病机制。该机制认为血液中葡萄糖含量的升高会导致多元醇代谢通路的异常增强及其代谢产物山梨醇在细胞内的累积,从而导致各种并发症的产生。醛糖还原酶(EC 1,1,1,21)是多元醇代谢通路中的关键限速酶,直接促进山梨醇在细胞内的迅速积累,因此能够有效抑制醛糖还原酶活性的抑制剂在开发高效糖尿病并发症治疗药物方面有巨大的潜力。本论文综合论述了糖尿病及其并发症的发病机理、醛糖还原酶抑制剂的研究进展以及计算机辅助药物设计在新型醛糖还原酶抑制剂设计中的应用,并在前人最新研究成果的基础上,分别完成了一系列新型磺酰类和异喹啉类醛糖还原酶抑制剂的设计、合成以及生物活性测试,为新型醛糖还原酶抑制剂的制备提供了新的思路和方法。除此之外,本人曾于2013年11月-2015年2月作为公派联合培养博士研究生在美国哈佛医学院附属麦可林医院(Mclean Hospital)从事左旋四氢巴马汀(lTHP)及其衍生物的合成研究,相关内容在本论文中也一并加以介绍。首先,论文对课题组前期研究成果中的44个芳香噻嗪类醛糖还原酶抑制剂进行了三维定量构效关系计算(3D-QSAR),于子结构叠加和分子对接叠加条件下分别建立了比较分子场分析法(CoMFA)和比较分子相似性指数分析法(CoMSIA)模型。研究结果显示CoMFA模型的交叉验证系数q2=0.649,立体场和静电场的贡献分别为74.4%和25.6%,表明了空间效应对此类化合物的生物活性具有重要影响;CoMSIA模型的交叉验证系数q2=0.746,立体场、静电场、疏水场和氢键受体场的贡献分别是12.3%、24.2%、41.9%和21.6%,表明了疏水场效应对此类化合物的生物活性具有重要影响。实验结果还显示醛糖还原酶抑制活性的实测值与两个模型的预测值具有良好的线性相关性。两个模型的等值线图表明:苄基侧链是此类化合物的重要药效基团,其c2位受立体场和静电场的影响较大,适合引入带有位阻的电负性基团,如no2,cf3,ccl3,cbr3等;c3位置受疏水场、立体场和静电场的影响,适宜引入电负性强、体积大的亲水性基团,如(ch2)nno2,(ch2)ncf3,哌啶,哌嗪等基团。苯并噻嗪母核c5位置受疏水场和立体场的影响,适宜引入小体积亲水性基团,如oh,f,cl等;c7位置主要受疏水场和静电场的影响,可考虑引入疏水性基团如直链或环状烷基,并在连接苯环位置引入电负性原子o,s,co等。接着,我们在3d-qsar的理性指导下完成了苯并噻二嗪衍生物c7位置取代基的改性设计,合成了一系列新型苯并噻二嗪类化合物,并完成了体外醛糖还原酶抑制活性的测试,探索和完善了c7位置取代基的构效关系。结果显示化合物[7-(二乙酰胺基)-2-(2,4,5-三氟苄基)-3,4-二氢-2h-1,2,4-苯并噻二嗪-1,1-二氧]乙酸(化合物73l)具有最高的生物活性,ic50值高达2.8nm。同时我们还发现在c7位置引入酰胺基团不仅提高了化合物对醛糖还原酶的抑制作用,同时还降低了其对醛还原酶的抑制效果,提高了此类抑制剂的选择性;而c7位置亲水性基团(羧基)的引入降低了化合物的生物活性。分子对接结果显示,化合物73l的羧酸基团和苄基取代基团分别与阴离子口袋和特异性口袋结合,苯并噻二嗪母核被残基trp20、phe122、trp79和trp219形成的疏水笼包围,而c7位置取代基刚好进入一个由残基phe121、phe122、gln49和val47形成的新结合口袋,因而具有较好的抑制活性。为了扩展磺酰类抑制剂的结构,我们在苯并噻二嗪结构基础上设计合成了一类新型环外苯磺酰类醛糖还原酶抑制剂,测定了这类化合物对醛糖还原酶的抑制活性,讨论和分析了其构效关系。结果显示化合物81a对醛糖还原酶的抑制活性最好,ic50值可达790nm。此外,我们发现在苄基上引入了硝基时有利于抑制活性的提高,分子对接实验结果清晰地反映了化合物81a与醛糖还原酶的结合方式:硝基可以与残基thr113和cys303形成氢键;磺酰酯结构不如磺酰胺对化合物生物活性贡献大,酰胺n原子上的取代基类型也对生物活性产生影响,当n原子上连接甲基时,活性最高,乙基次之,不含取代基时活性最差。随后,论文介绍了本人在美国联合培养期间所从事的异喹啉生物碱-左旋四氢巴马汀(l-thp)衍生物的全合成研究,测试了此类化合物对醛糖还原酶的抑制作用和抗氧化方面的应用。在这部分研究中,本人经过16-18步反应完成了一系列l-THP及其衍生物的全合成,产率达到了3%-5%。同时,鉴于生物碱类化合物显示了一定的醛糖还原酶抑制活性,我们首次测试了l-THP及其衍生物的醛糖还原酶抑制能力。构效关系研究表明,当酚羟基出现在D环时比出现在A环时有利于生物活性的提高。接着,我们以水溶性维生素E(Trolox)为阳性对照,通过使用稳定自由基1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)的模型反应研究了l-THP及其衍生物的自由基清除能力。我们发现,苯环上带有酚羟基的此类化合物表现出了较强的抗氧化能力,带有两个酚羟基的l-5清除DPPH自由基的能力最强,抗氧化活性超过了阳性对照物维生素E。因此,可将l-THP及其衍生物作为先导化合物,通过引入新的功能基团改善其醛糖还原酶抑制活性,开发同时具有抗氧化活性和抑制活性的双功能醛糖还原酶抑制剂。