基于膜透化与AcrB抑制双功能抗菌化合物的设计、合成及活性研究

Cell membrane permeability barriers and active efflux mediated by AcrB both hinder the accumulation of drug in the bacteria, which plays an important role in bacterial resistance. We first propose a novel antibacterial compound based on the dual effects of membrane permeation and AcrB inhibition to solve the problem of bacterial resistance, and previous studies have preliminarily confirmed that the synthesized compounds have double bio-activities of increasing membrane permeability and inhibiting efflux. In this project, the target compounds were designed and synthesized by utilizing computer-aided drug design and structural-based rational drug design strategy, and the natural products obtained from virtual screening are used as molecular skeleton. Then its antibacterial and synergistic activities are tested by activity tests in vitro; toxicity and stability are evaluated by erythrocyte hemolysis, cell cytotoxicity and plasma stability; pharmacodynamics in vivo and antibacterial mechanisms are further studied for compounds with high activity and low toxicity, and the structure-activity relationships of compounds are explored. The research will be expected to produce 1-2 dual-target antibacterial lead compounds with promising prospect, which will not only lay the foundation for the development of a new generation of safe, efficient and low-toxic novel antibacterial drugs, and will also provide a direction for solving the problem of bacterial resistance.

细胞膜渗透性屏障和AcrB介导的主动外排作用双重阻碍了药物分子在菌体内的积聚，是细菌产生耐药性的重要机制。我们首次提出基于膜透化与AcrB抑制双功能新型抗菌化合物来解决细菌耐药性问题，并在前期研究中初步证实所合成的化合物具有增加膜渗透性和抑制外排的双重活性。本项目拟在前期研究基础上综合运用计算机辅助药物设计和基于结构的合理药物设计策略，以虚拟筛选得到的天然产物作为分子骨架，设计合成目标化合物，并通过体外药效实验测试其抗菌和协同活性；通过红细胞溶血、细胞毒性以及血浆稳定性实验评价其毒性和稳定性；对活性高毒性小的化合物，进一步开展体内药效和抗菌作用机制研究，并探究化合物的构效关系。预期发现1-2个安全有效、具有开发前景的双靶点抗菌先导化合物，为新一代安全、高效和低毒的新型抗菌药物的研究奠定基础，也将为解决细菌耐药性问题提供方向。

随着抗生素的广泛使用甚至滥用，细菌耐药性问题日益严重。细胞膜渗透性屏障和AcrB介导的主动外排作用双重阻碍了药物分子在菌体内的积聚，是细菌产生耐药性的重要机制。因此我们基于上述两种耐药机制来寻找新型抗菌化合物以解决细菌耐药性问题。项目团队综合运用计算机辅助药物设计和基于结构的合理药物设计策略，相继开展了色满酮、苯并色烯和和厚朴酚类的抗菌剂的研究，共设计、合成70余个新化合物，并对其结构进行了表征。通过体外药效实验测试其抗菌和协同活性；通过红细胞溶血、细胞毒性以及血浆稳定性实验评价其毒性和稳定性；对活性高毒性小的化合物，进一步开展体内药效和抗菌作用机制研究，并探究化合物的构效关系。在本项研究中，共发现3个苯并色烯类先导化合物（WK2，WL7和WL10）和1个和厚朴酚类先导化合物（13b）。研究结果表明，化合物WK2，WL7和WL10表现出广谱的协同抗菌活性，它们能够使氯霉素，红霉素，四苯基膦和左氧氟沙星的最小抑菌浓度降低2-16倍，同时它们也表现出极强的AcrB外排抑制活性，在100 µM浓度下，能够完全抑制由AcrB介导外排活性。 除此之外，由天然产物和厚朴酚经多基团结构修饰得到的先导化合物13b表现出了广谱抑菌、快速杀菌、低毒和不易产生耐受性的诸多特点。同时该化合物能够抑制生物膜的形成以及破坏已形成的生物膜，进一步的研究表明化合物13b表现出显著的膜破坏机制和良好的体内杀菌效能。这些具有优秀抗菌或抗菌协同活性先导化合物的发现，将为新一代安全、高效和低毒的新型抗菌药物的研究奠定基础，也将为解决细菌耐药性问题提供方向。