基于羟基吡啶酮类铁螯合剂以PqsR为靶标的铜绿假单胞菌生物膜抑制剂研究

The rise of antibiotic resistance urgently needs new antibacterial agents to treat bacterial infections. Bacterial biofilm inhibitors are considered as one of the effective strategies to overcome bacterial resistance to antibiotics. In the meantime, it has been found that iron chelators can accelerate the healing of chronic wounds caused by drug-resistant bacteria, suggesting that chelated iron can effectively combat bacterial infections. Pseudomonas aeruginosa PQS has been used as a template compound to design its analogues hydroxypyridones, it was found that these iron chelator compounds can effectively inhibit the formation of Pseudomonas aeruginosa biofilm. Since the PQS plays a key role in regulating PqsR quorum-sensing system and inducing the synthesis of siderophore pyoverdine, we proposed that development of a dual-effect molecule with both PqsR-targeting quorum-sensing regulation and iron chelation may be an effective strategy of drug design for bacterial biofilm inhibitors. To verify this hypothesis, this project intends to further design and synthesize a series of new derivatives of hydroxypyridinones, study their structure-activity relationship to find new drug hits of anti-bacterial biofilms; and study their effects on PqsR quorum-sensing signaling pathways and siderophore signaling pathways；as well as explore or validate its targets in bacterial biofilm signaling pathway by target fishing techniques. It will lay a scientific foundation for the development of new pseudomonas aeruginosa biofilm inhibitors based on dual inhibition strategy of bacterial signal pathways.

抗生素耐药性的增加急需新的治疗手段来对抗细菌感染。细菌生物膜抑制剂被认为是克服细菌对抗生素耐药的有效策略之一；同时研究发现铁螯合剂可以加速耐药菌引起的慢性伤口的愈合，提示螯合铁可有效对抗细菌耐药。本课题组前期以铜绿假单胞菌信号分子PQS为模板设计其类似物羟基吡啶酮类化合物，发现这种具有铁螯合作用的化合物可以有效抑制铜绿假单胞菌生物膜形成。由于PQS兼具群体感应和铁载体通路调控作用，我们提出发展以PqsR为靶标的兼具细菌群体感应调节及铁螯合作用的双效分子可能是细菌生物膜抑制剂的有效药物设计策略。为验证此假说，本项目拟进一步设计合成系列新型的羟基吡啶酮类衍生物，研究其抗细菌生物膜构效关系，发现新药苗头化合物；研究其对于PqsR群体感应信号通路及铁载体信号通路的调节作用；通过靶标垂钓技术探索或验证其作用的信号通路靶标；为基于细菌信号通路双重抑制策略的新型铜绿假单胞菌生物膜抑制剂研发奠定科学基础。

持续增加的细菌抗生素耐药性是临床抗感染治疗的难题。细菌形成生物膜是细菌对抗生素耐药的原因之一，研究新型细菌生物膜抑制剂被认为是克服细菌对抗生素耐药的有效策略之一。基于细菌对铁的需求远超人类细胞，以及研究发现铁螯合剂可以加速耐药菌引起的慢性伤口愈合的启示，提示研发新型铁螯合剂可有效对抗细菌生物膜耐药。因此本项目以铜绿假单胞菌信号分子PQS为模板分子设计其类似物羟基吡啶酮类化合物，经过四年时间的研究工作，共合成了约200个新型羟基吡啶酮类化合物。筛选评价了合成化合物对铜绿假单胞菌生物膜的抑制活性，以及作用机制。其中大部分化合物都表现出了较好的铜绿假单胞菌生物膜形成抑制活性，几个化合物的IC50达到4-6μM级别；同时体外实验以及动物感染模型实验均证实活性化合物与抗生素联用可有效提升抗生素的敏感性，达到协同抗耐药菌的作用；该类化合物毒性低，具备抗菌增效剂新药苗头化合物的特性。鉴于羟基吡啶酮类抗生物膜活性化合物与环丙沙星等抗生素联用具有抗菌增效作用，我们还探索合成了羟基吡啶酮与环丙沙星的偶联物，发现偶联物具有优良的抗菌和抗铜绿假单胞菌生物膜活性。对羟基吡啶酮类化合物抗铜绿假单胞菌生物膜的作用机制进行了探讨，研究证实该类化合物兼具细菌群体感应调节及铁螯合作用的双效作用，为此我们发现了一种新型的细菌生物膜抑制剂药物设计策略。我们还通过靶标垂钓技术和转录组数据分析，对羟基吡啶酮类化合物抗铜绿假单胞菌生物膜的可能作用靶标进行了探索，发现并鉴定了新型生物膜抑制剂的作用靶标为铜绿假单胞菌膜上的一种尚未鉴别的铁氧化还原蛋白，此靶标为我们首次发现，鉴于铁氧化还原蛋白对于细菌的重要性，它具有进一步研究作为药物靶标的前景。总之，本项目经过四年的研究探索，获得几个具有科学价值的成果，为基于细菌群体感应通路和铁摄取双重抑制策略的新型铜绿假单胞菌生物膜抑制剂研发奠定科学基础。