【摘要】：目前,細菌性感染仍然是一個重要的全球性公共健康問題,它嚴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)速度遠遠落后于細菌耐藥的進化速度,細菌的耐藥性已經(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當前不斷增長的醫(yī)療需求。由于通過對現(xiàn)有的抗菌藥物進行結(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。我們通過對近年來出現(xiàn)的十多種抗菌藥物新靶點進行研究和分析,發(fā)現(xiàn)細菌細胞分裂蛋白FtsZ具有作為抗菌藥物靶點的多種優(yōu)良潛質(zhì),并且它已被確證可作為一個有希望的抗菌藥物新靶點。本論文選取了新型細菌細胞分裂蛋白FtsZ作為開發(fā)抗菌藥物的新靶點。通過分子模擬和文獻研究,我們發(fā)現(xiàn)近10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。另外,我們還研究了目前報道的50多個具有FtsZ抑制活性的天然產(chǎn)物以及200多個具有不同結(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,并且目前沒有同時對這兩個結(jié)合區(qū)域進行藥物開發(fā)的相關研究,因此我們設計了能同時作用于這兩個結(jié)合區(qū)域的FtsZ抑制劑,以保留肉桂醛較寬抗菌譜的同時,改善其較弱的抗菌活性。此外,據(jù)報道肉桂醛的衍生物-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計提供了重要參考。我們以苯甲醛衍生物為起始原料,經(jīng)Knoevenagel縮合反應、酰氯化反應和酰胺化反應等,合成了四個系列,共計102個目標化合物,建立了所有關鍵中間體的合成路線,并通過多種圖譜等對目標化合物的結(jié)構(gòu)進行了表征。在活性評價方面,我們通過微量肉湯稀釋法測定了所有目標化合物及對照藥物肉桂酸(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,并測定了這些化合物對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胞分裂的初步靶向活性,此外,我們還對具有初步靶向活性的代表性化合物進行了標準的GTP酶活性實驗和光散射實驗,在分子水平上對于這些化合物的靶向性進行了進一步的確證。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,它對于表皮葡萄球菌的MIC值為4 μg/mL,該活性分別是CA、Cur和Cipro活性的32倍或32倍以上；對于敏感型金黃色葡萄球菌的MIC值為4 g/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16 μg/mL,該活性分別是CA、Cur、Cipro和OS活性的8倍以上。在細胞分裂的抑制活性方面,該化合物對于敏感型金黃色葡萄球菌的最小抑制濃度為1 μg/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。化合物D3表現(xiàn)出較好的生物活性。在抗菌活性方面,它對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；對于敏感型金黃色葡萄球菌的MIC值為2 μg/mL,該活性分別是CA、Cur、Cipro和OS活性的4-64倍以上；對于枯草芽孢桿菌的MIC值為4 μg/mL,該活性分別是CA和Cur活性的8-32倍以上。在細胞分裂的抑制活性方面,該化合物對于枯草芽孢桿菌的最小抑制濃度為4 μg/mL,該活性分別是具有靶向性的對照藥物CA和Cur活性的4-32倍以上；對于敏感型金黃色葡萄球菌的最小抑制濃度為16 μg/mL,該活性是CA和Cur活性的8倍或8倍以上。化合物D15表現(xiàn)出較好的生物活性。在抗菌活性方面,它對于耐青霉素的金黃色葡萄球菌的MIC值為4 μg/mL,該活性分別是CA、Cur、Cipro和OS活性的32倍以上。在細菌細胞分裂抑制活性方面,該化合物對于枯草芽孢桿菌的最小抑制濃度為1 μg/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；對于敏感型金黃色葡萄球菌的最小抑制濃度為2 μg/mL,該活性是CA和Cur活性的64倍或64倍以上。在GTP酶活性實驗和光散射實驗中,所測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菌細胞分裂的活性基本一致,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)秀的先導化合物(A46、A66、A610、C1、C7、C8、C12、D3、D4和D15)。這些先導化合物對肉桂酰胺類以及其他結(jié)構(gòu)類型的FtsZ抑制劑的設計和發(fā)現(xiàn)具有重要的價值。通過生物活性測定研究,我們對該類化合物的構(gòu)效關系總結(jié)如下：在A系列化合物中,對于大多數(shù)測試菌株,母核苯環(huán)和酰胺N任一位置上的取代基發(fā)生改變,化合物的活性均會發(fā)生明顯變化。我們推測母核苯環(huán)上的取代基可能會協(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,這可能是因為酰胺N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,從而導致了該系列大多數(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的活性,這表明母核中苯并咪唑的空間取向可能對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,當母核苯環(huán)上引入多個甲氧基時,化合物活性明顯降低,這可能是由于多個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同時為C-2位帶有不同取代基的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位點或者胍甲基二芳基化合物的結(jié)合位點。綜上所述,我們首次成功設計并發(fā)現(xiàn)了一類靶向FtsZ的新型肉桂酰胺類抗菌化合物。它們在細胞水平和分子水平上都表現(xiàn)出了較好的生物活性,在虛擬對接研究中,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PCI90723甚至胍甲基二芳基化合物的結(jié)合口袋,理論上達到了多靶點藥物設計的目的,而基因水平的結(jié)合位點確證工作正在進行中。該研究不僅得到了一些結(jié)構(gòu)新穎且活性較好的先導化合物,而且進一步加深了我們對于FtsZ蛋白空間結(jié)構(gòu)的認識。這不僅對發(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值,而且為今后更進一步地研究FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)和功能奠定了堅實的基礎。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R91;R914.5
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本文編號：2516682