新型咪唑衍生物的抗菌抗真菌潜力：从DFT计算到分子对接的多尺度研究

《Scientific Reports》：In vitro, in silico, and DFT evaluation of antimicrobial imidazole derivatives with insights into mechanism of action

本研究针对日益严重的抗菌素耐药性问题，设计合成了三种新型四取代咪唑衍生物(N1、N2、N3)，通过DFT计算、分子对接和分子动力学模拟结合体外抗菌实验，系统评估了其抗菌抗真菌活性。结果表明N2分子对白色念珠菌等病原微生物表现出最优活性，其高电负性和特异性结合Candida albicans DHFR(1AI9)的能力为其进一步开发为抗真菌药物提供了理论基础。该研究为基于咪唑骨架的新型抗菌剂设计提供了重要参考。

　　

在当今全球公共卫生领域，抗菌素耐药性(AMR)的迅速蔓延已成为严峻挑战。传统抗生素效力的不断下降，迫使科学界加速寻找新型抗菌药物。其中，咪唑类化合物因其广泛的生物活性而备受关注，它们不仅是组氨酸、维生素B₁₂等生物分子的核心结构，还存在于西咪替丁、甲硝唑等多种临床药物中。然而，如何理性设计兼具高活性、低毒性的新型咪唑衍生物，仍是药物研发领域的重点难题。

近期发表在《Scientific Reports》的一项研究为此提供了新思路。由Nargiz S. Orujova等跨国团队开展的工作，系统评估了三种新型四取代咪唑衍生物的抗菌潜力。这些化合物在N-甲基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐离子液体催化下合成，分别被命名为N1(2,4,5-三苯基-1-(4-(苯基二氮烯基)苯基)-1H-咪唑)、N2(2-(4-氯苯基)-4,5-二苯基-1-(4-(苯基二氮烯基)苯基)-1H-咪唑)和N3(2-(2,4-二氯苯基)-4,5-二苯基-1-(4-(苯基二氮烯基)苯基)-1H-咪唑)。研究通过整合实验与多尺度计算模拟，揭示了N2作为最有前景的抗真菌先导化合物的潜力。

研究采用的技术方法主要包括：密度泛函理论(DFT)计算分析电子结构参数，分子对接模拟配体-蛋白相互作用(靶点为白色念珠菌二氢叶酸还原酶DHFR，PDB ID: 1AI9)，500纳秒分子动力学(MD)模拟评估复合物稳定性，以及瑞士ADME和pkCSM服务器进行计算机ADMET(吸收、分布、代谢、排泄和毒性)预测。

抗菌活性

通过琼脂扩散法测定化合物对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、炭疽杆菌)、革兰氏阴性菌(大肠杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌)和白色念珠菌的抑制活性。结果显示，在100μg/mL浓度下，N2对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径达29.3±0.8mm，对白色念珠菌达32±0.3mm，活性显著优于N1和N3。这种活性趋势N2>N1>N3与后续理论计算结果高度一致。

密度泛函理论(DFT)研究

DFT计算揭示了化合物电子结构与其生物活性间的内在关联。前沿分子轨道(FMO)分析表明，最高占据分子轨道(HOMO)主要离域在咪唑环及相邻芳香片段上，最低未占分子轨道(LUMO)则集中在苯基二氮烯基苯片段。能隙值(ΔE_gap)分析显示N3(2.9546eV)具有最高化学硬度和稳定性，但其高稳定性反而限制了生物反应性。关键的是，N2表现出最高的亲电性指数(ω=0.127eV)和电子亲和力，这与其最强的抗菌活性相符，表明其更易与生物大分子的亲核位点发生相互作用。

分子对接分析

分子对接结果显示，所有配体与靶蛋白白色念珠菌二氢叶酸还原酶(1AI9)均具有较强的结合亲和力。尽管N1的MolDock得分最高(-168.945kcal/mol)，但N2(-161.248kcal/mol)表现出更特异的相互作用模式：与Asn5形成氢键，与Glu82发生π-阴离子相互作用，与Arg108产生π-烷基作用，并与His129形成π-π堆积。这种多元相互作用模式提示N2可能具有更高的靶点特异性。

分子动力学模拟

500纳秒的分子动力学模拟进一步验证了对接结果的可靠性。N2@1AI9复合物在15纳秒内达到平衡，平均RMSD(均方根偏差)为0.24nm，表现出最佳的构象稳定性。RMSF(均方根涨落)分析显示大多数氨基酸残基的波动值低于0.19nm，表明配体结合未引起蛋白结构的显著扰动。回转半径(Rg)和溶剂可及表面积(SASA)分析证实所有复合物均保持稳定的紧凑结构。

MM/PBSA(分子力学泊松-玻尔兹曼表面积)结合自由能计算表明，N2@1AI9复合物的稳定性主要得益于强烈的范德华相互作用(-39.49kcal/mol)和静电相互作用(-409.46kcal/mol)，总结合自由能最为有利，这与其实验中表现出的最优活性高度一致。

计算机ADMET分析

瑞士ADME预测显示，所有化合物均存在脂溶性高、水溶性差的特点，且分子量较大(N2和N3>500g/mol)，可能影响口服生物利用度。但值得注意的是，所有化合物均难以透过血脑屏障(BBB)，这有利于降低中枢神经系统副作用风险。代谢方面，所有化合物均可能抑制CYP2C19，N2还可能抑制CYP3A4并作为P-糖蛋白(P-gp)底物，提示潜在的药物-药物相互作用风险。

本研究通过实验与理论计算的深度融合，明确将N2确立为最具开发前景的先导化合物。其优势体现在三个层面：实验上对多种病原菌特别是白色念珠菌表现出最强抑制活性；电子结构上具有最高的亲电性，利于与生物靶点发生作用；分子水平上能与白色念珠菌二氢叶酸还原酶形成稳定特异的复合物。虽然ADMET预测提示其口服生物利用度可能受限，但良好的安全性特征(无血脑屏障渗透)支持其作为局部或静脉给药的抗真菌药物的进一步开发。这项工作不仅为抗击抗菌素耐药性提供了新的候选分子，也展示了多尺度计算模拟在理性药物设计中的强大价值，为基于咪唑骨架的新型抗菌剂研发指明了方向。