靶向酪氨酰-tRNA合成酶和II型拓扑异构酶的多靶点抗菌药物的设计、合成和活性研究

Bacterial resistance seriously threats human health which is an urgent problem to solve. Exploring an antibiotic with new skeleton is considered a good way to overcome bacterial resistance, but it has been given very few hits. An alternative method therefore must be developed as soon as possible. Under this condition, a new class of compounds targeting TyrRS-type II topoisomerase were designed by fusing a skeleton with furanone (an inhibitor against TyrRS found in our recent work) and that with fluoroquinolone based on multi-target drug design concept. The multi-target property of the designed molecule will be confirmed through determination of inhibitory activity against free enzyme; the anti-resistance of the active molecule will be determined by using artificial accelerated selection of drug-resistant bacteria; the structural optimization will be guided by QSAR and binding models; the pharmacological activity of the target molecule will be comprehensively evaluated through such as antibacterial activity, safety, selectivity and anti-resistance determinations. One to two hits are hoped to be found as a lead for discovering a novel antibiotic with independent intellectual property rights. This project will provide a novel strategy for the structural optimization of fluoroquinolone and other antibiotics as well as an effective method against drug-resistant bacteria, and will be very important for antibiotic development.

细菌耐药问题已成为威胁人类健康的重大难题，克服这一难题最受推崇的方法是寻找具有全新骨架的抗生素，但这一方法成功率极低。本项目拟通过多靶点药物设计理念，另辟蹊径，将前期研究中发现的呋喃酮型酪氨酰-tRNA合成酶（TyrRS）抑制剂骨架与氟喹诺酮骨架进行融合，提出靶向TyrRS-II型拓扑异构酶的呋喃酮-氟喹诺酮型多靶点抗菌药物设计的新思路。拟用离体酶抑制活性测定的方法研究目标分子的多靶向性；采用人工加速耐药菌选择的方法评价细菌对活性分子产生耐药性的难易；通过QSAR和结合模式研究指导结构优化；从活性、选择性、安全性、抗耐能力等多个角度综合评价目标化合物的药理活性，力争发现1-2个苗头化合物, 为最终开发具有自主知识产权的新型抗菌药物奠定基础。本项目将为氟喹诺酮及其他抗生素的改造提供新思路，为克服细菌耐药问题提供简单而有效的方法，对抗生素的研究有重大意义。

DNA旋转酶抑制剂是设计抗菌药物的经典靶点，而酪氨酰tRNA 合成酶（TyrRS）是设计抗菌药物的新靶点，TyrRS-DNA旋转酶的双重抑制剂将可以产生新型的抗菌化合物，是对抗耐药菌的有效方法之一，多靶点抗菌药物能有效阻断突变产生耐药的途径，基于这种思路本项目除了设计合成TyrRS-DNA旋转酶的双重抑制剂外，还研究了外排泵-DNA旋转酶、TyrRS-核糖体30S亚基等的双重抑制剂，以及多种结构的新型TyrRS抑制剂，发现了10余个比市场药物更好的抗菌化合物，特别双重抑制剂表现出了优异的抗耐药菌活性，有5个多靶点抗菌化合物活性远远高于市场药物，其中一个抗多药耐药大肠杆菌（E. coli）的活性是市场药物环丙沙星的51倍，而另一化合物对两性霉素B耐药C. albicans的抑制活性是环丙沙星的231倍。本项目取得了预期的研究成果，达到了预期的研究目标，共发表论文8篇，其中7篇为SCI收录，授权发明专利10项，正在投稿中的论文2篇，研究成果获得湖南省自然科学三等奖1项。主要研究成果体现在如下几方面：（1）发现了TyrRS-DNA旋转酶、外排泵-DNA旋转酶、TyrRS-核糖体30S亚基等多种类型的双重抑制剂。设计并合成了上百个多靶点的新型抗菌化合物，抑制耐药菌的M IC50最低达到了90 nM，是市场药物环丙沙星的200多倍。（2）揭示了这些新型双重抑制剂的构效关系，这为这些抗菌化合物进一步的结构优化提供了理论依据。（3）阐述了双重抑制剂的作用机制和可能的结合模式。实验表明活性分子对目标靶点均有较好的抑制作用，有效的证实了设计思路的科学性，建立了抗菌化合物多靶点作用的结合模型，揭示了靶点结合的互补性现象，为化合物抗耐药菌活性提供了合理解释，也为进一步优化提供了理论依据。（4）发现了2(5H)-呋喃酮羧酸衍生物、黄酮-腺苷衍生物、2(5H)-呋喃酮-腺苷衍生物等多种新型的TyrRS抑制剂，对拓宽TyrRS抑制剂结构，形成新领域具有较大的意义。并在这些抗菌化合物的合成过程中，发现了黄酮OH选择性烷基化的方法和条件，为黄酮的结构修饰提供了可选方法。（5）改进了细胞存活率测定的MTT法。在使用SDS裂解液溶解MTT甲臢，控制在pH3.5左右比较合适，酸性太强太弱都将造成非常大的偏离，这一改进对MTT法在抗菌活性测定方面的推广有较大的意义。