靶向FtsZ的新型肉桂酰胺類抗菌劑的設(shè)計(jì)、合成及生物活性研究.pdf

1、目前，細(xì)菌性感染仍然是一個(gè)重要的全球性公共健康問題，它嚴(yán)重地威脅著人類的健康甚至生命安全。出現(xiàn)這種問題的主要原因，一方面是抗生素的廣泛使用以及濫用所造成的耐藥菌的流行;另一方面是近年來新型抗菌藥物的研發(fā)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于細(xì)菌耐藥的進(jìn)化速度，細(xì)菌的耐藥性已經(jīng)使得許多臨床上有效的抗菌藥物紛紛降低療效或者徹底失效。面對(duì)近年來出現(xiàn)的越來越多的耐藥菌，我們幾乎面臨著無藥可選的境地，因此，我們迫切需要開發(fā)新型的抗菌藥物以適應(yīng)當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的醫(yī)療需求。

2、r>　　由于通過對(duì)現(xiàn)有的抗菌藥物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾以獲得有效的抗菌藥物變得越來越困難，開發(fā)靶向于新穎細(xì)菌重要蛋白的抗菌藥物引起了越來越多的科研工作者的極大興趣。我們通過對(duì)近年來出現(xiàn)的十多種抗菌藥物新靶點(diǎn)進(jìn)行研究和分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白FtsZ具有作為抗菌藥物靶點(diǎn)的多種優(yōu)良潛質(zhì)，并且它已被確證可作為一個(gè)有希望的抗菌藥物新靶點(diǎn)。
　　本論文選取了新型細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白FtsZ作為開發(fā)抗菌藥物的新靶點(diǎn)。通過分子模擬和文獻(xiàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)近10

3、種不同菌株來源的FtsZ蛋白具有高度的相似度，遂選取了金黃色葡萄球菌FtsZ蛋白作為代表，系統(tǒng)地研究了它的主要活性口袋及其特點(diǎn)。另外，我們還研究了目前報(bào)道的50多個(gè)具有FtsZ抑制活性的天然產(chǎn)物以及200多個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)類型的FtsZ合成抑制劑。通過此研究，我們發(fā)現(xiàn)肉桂醛不僅具有理想的性質(zhì)，而且具有明確的作用部位。更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)肉桂醛的結(jié)合區(qū)域與已知FtsZ抑制劑PC190723的結(jié)合區(qū)域相鄰，并且目前沒有同時(shí)對(duì)這兩個(gè)結(jié)合區(qū)域進(jìn)行

4、藥物開發(fā)的相關(guān)研究，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了能同時(shí)作用于這兩個(gè)結(jié)合區(qū)域的FtsZ抑制劑，以保留肉桂醛較寬抗菌譜的同時(shí)，改善其較弱的抗菌活性。此外，據(jù)報(bào)道肉桂醛的衍生物-肉桂酸也具有初步地靶向FtsZ的抗菌活性，這為我們的化合物設(shè)計(jì)提供了重要參考。
　　我們以苯甲醛衍生物為起始原料，經(jīng)Knoevenagel縮合反應(yīng)、酰氯化反應(yīng)和酰胺化反應(yīng)等，合成了四個(gè)系列，共計(jì)102個(gè)目標(biāo)化合物，建立了所有關(guān)鍵中間體的合成路線，并通過多種圖譜等對(duì)目標(biāo)化合物的

5、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在活性評(píng)價(jià)方面，我們通過微量肉湯稀釋法測(cè)定了所有目標(biāo)化合物及對(duì)照藥物肉桂酸(CA)、姜黃素(Cur)、鹽酸環(huán)丙沙星(Cipro)及苯唑西林鈉(OS)對(duì)于七種革蘭氏陽性菌株和兩種革蘭氏陰性菌株的抗菌活性，并測(cè)定了這些化合物對(duì)于兩種代表性的革蘭氏陽性菌株和兩種代表性的革蘭氏陰性菌株的抑制細(xì)胞分裂的初步靶向活性，此外，我們還對(duì)具有初步靶向活性的代表性化合物進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的GTP酶活性實(shí)驗(yàn)和光散射實(shí)驗(yàn)，在分子水平上對(duì)于這些化合物的靶

6、向性進(jìn)行了進(jìn)一步的確證。
　　該類化合物的生物活性總結(jié)如下:化合物C12表現(xiàn)出較好的生物活性。在抗菌活性方面，它對(duì)于表皮葡萄球菌的MIC值為4μg/mL，該活性分別是CA、Cur和Cipro活性的32倍或32倍以上;對(duì)于敏感型金黃色葡萄球菌的MIC值為4μg/mL，該活性是CA和Cur活性的32倍或32倍以上;此外，該化合物對(duì)于耐青霉素的金黃色葡萄球菌也表現(xiàn)出了較好的活性，其MIC值為16μg/mL，該活性分別是CA、Cur、Ci

7、pro和OS活性的8倍以上。在細(xì)胞分裂的抑制活性方面，該化合物對(duì)于敏感型金黃色葡萄球菌的最小抑制濃度為1μg/mL，該活性是靶向?qū)φ账幬顲A和Cur活性的128倍或128倍以上?；衔顳3表現(xiàn)出較好的生物活性。在抗菌活性方面，它對(duì)于耐青霉素的金黃色葡萄球菌的MIC值為2μg/mL，該活性分別是CA、Cur、Cipro和OS活性的64倍以上;對(duì)于敏感型金黃色葡萄球菌的MIC值為2μg/mL，該活性分別是CA、Cur、Cipro和OS活性的

8、4-64倍以上;對(duì)于枯草芽孢桿菌的MIC值為4μg/mL，該活性分別是CA和Cur活性的8-32倍以上。在細(xì)胞分裂的抑制活性方面，該化合物對(duì)于枯草芽孢桿菌的最小抑制濃度為4μg/mL，該活性分別是具有靶向性的對(duì)照藥物CA和Cur活性的4-32倍以上;對(duì)于敏感型金黃色葡萄球菌的最小抑制濃度為16μg/mL，該活性是CA和Cur活性的8倍或8倍以上?；衔顳15表現(xiàn)出較好的生物活性。在抗菌活性方面，它對(duì)于耐青霉素的金黃色葡萄球菌的MIC值為

9、4μg/mL，該活性分別是CA、Cur、Cipro和OS活性的32倍以上。在細(xì)菌細(xì)胞分裂抑制活性方面，該化合物對(duì)于枯草芽孢桿菌的最小抑制濃度為1μg/mL，該活性分別是靶向?qū)φ账幬顲A和Cur活性的16-128倍以上;對(duì)于敏感型金黃色葡萄球菌的最小抑制濃度為2μg/mL，該活性是CA和Cur活性的64倍或64倍以上。在GTP酶活性實(shí)驗(yàn)和光散射實(shí)驗(yàn)中，所測(cè)試的代表性化合物均明顯地抑制了FtsZ的活性，并且該活性與其抗菌活性及抑制細(xì)菌細(xì)胞分

10、裂的活性基本一致，這表明該類化合物可能通過靶向FtsZ發(fā)揮抗菌作用。通過該研究，我們得到了一些優(yōu)秀的先導(dǎo)化合物（A46、A66、A610、C1、C7、C8、C12、D3、D4和D15）。這些先導(dǎo)化合物對(duì)肉桂酰胺類以及其他結(jié)構(gòu)類型的FtsZ抑制劑的設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)具有重要的價(jià)值。
　　通過生物活性測(cè)定研究，我們對(duì)該類化合物的構(gòu)效關(guān)系總結(jié)如下:在A系列化合物中，對(duì)于大多數(shù)測(cè)試菌株，母核苯環(huán)和酰胺N任一位置上的取代基發(fā)生改變，化合物的活性均會(huì)

11、發(fā)生明顯變化。我們推測(cè)母核苯環(huán)上的取代基可能會(huì)協(xié)助化合物在T7-loop區(qū)活性疏水口袋中錨定結(jié)合位置，酰胺N上的取代基需滿足受體中結(jié)合位置的空間性質(zhì)要求，化合物才能發(fā)揮較好的作用。B系列目標(biāo)化合物的母核苯環(huán)由不同體積、電性、脂溶性等性質(zhì)的取代基取代，酰胺N由(1H-苯并咪唑-2-基）甲基片段取代。該系列化合物整體上表現(xiàn)出較弱的活性，這可能是因?yàn)轷０種上的苯并咪唑片段在空間取向上不能與受體發(fā)生很好的契合，影響了化合物與受體的結(jié)合，從而導(dǎo)致

12、了該系列大多數(shù)化合物較弱的活性。C系列化合物的母核酰胺N同時(shí)為2-甲基-1H-苯并咪唑的1位環(huán)內(nèi)N。該系列化合物整體上表現(xiàn)出比A系列和B系列化合物明顯增強(qiáng)的活性，這表明母核中苯并咪唑的空間取向可能對(duì)于化合物與受體的結(jié)合以及化合物的生物活性產(chǎn)生了重要影響。然而，當(dāng)母核苯環(huán)上引入多個(gè)甲氧基時(shí)，化合物活性明顯降低，這可能是由于多個(gè)甲氧基的引入增大了化合物的位阻，影響了其與受體的有效結(jié)合。D系列化合物的母核中酰胺N同時(shí)為C-2位帶有不同取代基的

13、1H-苯并咪唑的1位環(huán)內(nèi)N。該系列化合物表現(xiàn)出了較大差異的生物活性，母核中苯并咪唑片段C-2位只能容納合適性質(zhì)的較小取代基，表明該位置在受體中的結(jié)合位置可能具有較小的空間，此外，其C-6位取代能夠產(chǎn)生較好活性的化合物，該位置的取代基有可能能夠向上延伸至PC位點(diǎn)或者胍甲基二芳基化合物的結(jié)合位點(diǎn)。
　　綜上所述，我們首次成功設(shè)計(jì)并發(fā)現(xiàn)了一類靶向FtsZ的新型肉桂酰胺類抗菌化合物。它們?cè)诩?xì)胞水平和分子水平上都表現(xiàn)出了較好的生物活性，在虛

14、擬對(duì)接研究中，這些化合物能結(jié)合到肉桂醛的結(jié)合口袋，并拓展性地結(jié)合到了PC190723甚至胍甲基二芳基化合物的結(jié)合口袋，理論上達(dá)到了多靶點(diǎn)藥物設(shè)計(jì)的目的，而基因水平的結(jié)合位點(diǎn)確證工作正在進(jìn)行中。該研究不僅得到了一些結(jié)構(gòu)新穎且活性較好的先導(dǎo)化合物，而且進(jìn)一步加深了我們對(duì)于FtsZ蛋白空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。這不僅對(duì)發(fā)現(xiàn)更優(yōu)良的肉桂酰胺類以及其它結(jié)構(gòu)類型的FtsZ抑制劑具有重要的價(jià)值，而且為今后更進(jìn)一步地研究FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)和功能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。