新型仿生咔啉类化合物的抗菌活性、构效关系及作用机制

By employing the antifungal biomimetic compounds previously discovered by applicant as lead compounds and applying a strategy of “analogue molecular design + double pharmacophores-hybridized combination”, more than 200 novel 2-arylcarboline compounds consisting of two broad categories will be designed and synthesized. The antifungal activity in vitro and spectra of the compounds will be determined against more than 10 strains of plant pathogenic fungi. Based on the EC50 values of the compounds, 2D and 3D quantitative structure-activity relationships will be clarified. Furthermore, the effect of the compounds on the biosynthesis pathway of ergosterol in fungi, cell membrane permeability and cell ultrastructure will be investigated to clarify whether the antifungal activity of the compounds involves membrane lesion mechanism. The safety of the compounds for plant growth and the control efficiency for the disease caused by phytopathogenic fungi will be evaluated by seed-immersion method and pot experiment, respectively. This project will be the first exploratory research on the class of 2-arylcarboline compounds and their pharmacological activity. The results will not only create a class of compounds with novel structures and uncover their excellent antifungal activity, structure-activity relationship and action mechanism, but also find new antifungal candidate drugs with potential development value, which will be of important theoretical significance and leading role for further study and development of new carboline-type fungicides.

以申请人前期发现的抗菌仿生化合物为先导，采用“类似物分子设计+双药效核杂化组合”策略，设计并合成两大类约200多个新型2-芳基咔啉类仿生化合物。通过测定化合物对10多种植物病原真菌的离体活性，揭示其抗菌活性和抗菌谱，阐明其2D和3D定量构效关系。通过测定化合物对供试菌的麦角甾醇及其生物合成前体的含量、细胞膜的通透性和细胞超微结构的影响，阐明其抗菌机理是否是抑制麦角甾醇的生物合成途径。通过测定化合物对植物幼苗和成株生长的影响，阐明其对植物生长的安全性。通过盆栽活性试验，揭示化合物对植物真菌病的防治效果。本项目是人们对2-芳基咔啉类化合物及其药理活性的首次探索性研究，其研究结果不仅将创造一类结构新颖的化合物，还将揭示其优异的抗菌活性、构效关系和抗菌机理，同时还极有可能发现具有潜在开发价值的新的抗菌候选药物，这对于新型咔啉类抗菌药物的进一步研究和开发具有重要的理论意义和引领价值。

本项目设计并合成出245个咔啉类目标化合物，包括176个2-芳基-3,4-二氢-β-咔啉类化合物、42个2-芳基-β-咔啉类化合物、25个2-芳基-3,4-二氢-γ-咔啉类化合物和2个2-芳基-γ-咔啉类化合物，同时还合成出206个目标化合物的类似物，包括38个哒嗪并[4,5-b]吲哚化合物、57个类似物2-/3-芳基喹啉类化合物、41个2-芳基喹喔啉类化合物和70个2-芳基酞嗪类化合物。建立了高效合成不同目标化合物的合成方法和路线。系统筛查了所有化合物对10-13种植物病原真菌的抑制活性，阐明了各类化合物的主要抗菌谱，筛选出了一系列高活性化合物。进一步测定了高活性化合物对高敏感菌株的半数有效浓度，发现了十多个可与阳性药物相媲美的抗菌候选药物。定性阐明了各类化合物的抗菌构效关系。研究了2-芳基-3,4-二氢-β-咔啉类化合物和2-芳基酞嗪类化合物的在细胞水平的抗菌机理，证明两类化合物的抗菌活性与其能破坏细胞膜和菌丝结构有关。考察了化合物对植物生长的安全性及植物真菌病的防效，证明2-芳基-3,4-二氢-β-咔啉类化合物和2-芳基酞嗪类化合物在抗菌浓度下对植物种子发芽没有影响，50 ppm处理可完全抑制苹果轮纹病和苹果炭疽病在苹果上的生长。作为拓展性内容，还研究了2-芳基酞嗪类化合物和2-/3-芳基喹啉类化合物对动植物病原细菌和癌细胞的抑制活性及其构效关系，研究了2-芳基-β/γ-咔啉的抗乙酰胆碱酯酶活性及其构效关系和作用机制，发现了一些高活性化合物。已正式发表与本项目相关的SCI研究论文6篇，已申报授权国家发明专利3项。已培养研究生8名，其中博士生和硕士生各4名。总体而言，本研究圆满完成了项目的预定任务，实现了项目的预期目标，而且还超额完成了一些拓展性或延伸性的研究内容。该研究成果对于咔啉类农用抗菌药物的后续研究和开发奠定了重要的理论基础，同时也提供了有价值的技术参考。