基于喹唑啉酮-苯并二氧杂环的FabH抑制剂设计合成及其抗金黄色葡萄球菌活性研究

《Results in Chemistry》：Design, synthesis, and anti- Staphylococcus aureus evaluation of quinazolinone-based FabH inhibitors

本研究针对多重耐药金黄色葡萄球菌(S. aureus)感染难题，通过合理药物设计开发了一系列新型喹唑啉酮-苯并二氧杂环FabH抑制剂。实验表明化合物4d对S. aureus表现出显著抗菌活性(MIC=1.56 μM)，并通过分子对接和分子动力学模拟阐明其与FabH的结合机制。特别发现4d能有效破坏细菌生物膜结构，为开发新型抗菌药物提供了重要理论依据。

　　

随着抗生素的广泛使用，多重耐药金黄色葡萄球菌引发的感染已成为全球公共卫生领域的重大挑战。这种革兰氏阳性菌不仅致病性强，其强大的耐药性更使得传统抗生素治疗效果日益受限。面对这一困境，科学家将目光投向细菌特有的代谢途径——脂肪酸合成系统，其中β-酮脂酰-ACP合酶III(FabH)因其在细菌脂肪酸合成中的关键作用且人类缺乏同源蛋白，成为理想的抗菌药物靶点。

在《Results in Chemistry》发表的最新研究中，科研团队基于合理的药物设计策略，成功开发出一系列具有双重作用机制的新型抗菌化合物。该研究通过将喹唑啉酮与1,4-苯并二氧杂环这两个优势结构单元巧妙结合，构建了既能靶向FabH酶又能破坏细菌生物膜的创新分子实体。

研究人员主要采用计算机辅助药物设计（包括分子对接和分子动力学模拟）、有机合成化学、抗菌活性测定（最小抑菌浓度MIC）、酶活性抑制实验以及生物膜观察技术（荧光显微镜和结晶紫染色法）等多种技术手段开展系统性研究。所有细菌菌株均为临床分离株，确保了研究结果的临床相关性。

2.1. 目标化合物的设计策略

研究团队以金黄色葡萄球菌FabH酶的自然配体OAX为模板，通过LigandScout软件构建了精确的药效团模型。分析发现，与 tertiary amine相连的羰基氧作为氢键受体，能与Cys425和Gly613形成关键氢键；而环丙烷疏水中心则被由Ala394、Phe400等残基构成的疏水空腔包裹。基于此，研究人员采用骨架跃迁策略，用1,4-苯并二氧杂环和喹唑啉酮替代原有骨架，确保新化合物保持关键药效特征。特别有趣的是，设计出的化合物采用独特的T形结合模式，像钉子一样锚定在FabH活性空腔出口，这较之OAX的完全插入模式更具结合优势。

2.2. 分子对接分析

对六个目标化合物的对接模拟显示，化合物4d、4e和4f与FabH的结合能（分别为-34.564、-31.994和-36.1256 kcal/mol）与阳性对照OAX(-34.0479 kcal/mol)相当。重要的是，这三个化合物均呈现预期的T形结合构象，而4a和4b则呈现线性插入模式，易导致脱靶效应。4c虽呈T形结合，但结合位点过深，影响了其结合强度。

2.3. 化学合成

通过多步有机合成反应，成功制备了六个新型喹唑啉酮衍生物(4a-4f)，并经由¹H NMR、¹³C NMR和HRMS确证结构。合成路线以1,4-苯并二氧杂环-6-甲醛为起始原料，经还原、溴代、与不同取代苯基异硫氰酸酯缩合，最后环化得到目标产物。

2.4. 抗菌活性筛选

抗菌实验结果显示，化合物4b对大肠杆菌(E. coli)和铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)的MIC值分别为6.25和12.5 μM；4c对革兰氏阴性菌和金黄色葡萄球菌的MIC在12.5-25 μM之间；而4d对金黄色葡萄球菌展现出最优活性(MIC=1.56 μM)，对枯草芽孢杆菌(B. subtilis)的MIC为12.5 μM。

2.5. FabH抑制活性测定

酶活性抑制实验表明，化合物4d和4f对FabH的抑制活性最强，IC₅₀值分别为5.12±0.079和6.67±0.213 μM，这与分子对接预测高度一致。4a和4b由于空间构型无法与酶活性位点形成有效相互作用，抑制活性相对较弱。

2.6. 生物膜观察

通过活/死细胞染色荧光显微镜观察发现，化合物4d能显著破坏金黄色葡萄球菌生物膜的致密结构。随着药物浓度增加(6.25-50 μM)，代表膜损伤死亡细菌的红色荧光强度明显增强，表明4d不仅能穿透生物膜，还能有效杀灭包埋其中的细菌。

2.7. 生物膜抑制和破坏 assay

结晶紫染色实验进一步量化了4d对生物膜的影响。在100 μg/mL浓度下，4d对生物膜形成的抑制率最高；同时它对不同成熟阶段（4h早期、24h中期、48h成熟期）的生物膜均具有破坏作用，且呈浓度依赖性。

2.8. 分子动力学

100 ns的分子动力学模拟显示，化合物4d与FabH的结合模式在模拟过程中保持稳定。RMSD(均方根偏差)曲线在1.5 ?左右趋于平稳，RMSF(均方根涨落)曲线与空白蛋白高度重叠，表明复合物结构稳定，且底物结合未引起蛋白构象剧烈变化。

本研究通过多学科交叉策略，成功开发出具有双重抗菌机制的新型喹唑啉酮-FabH抑制剂。特别值得关注的是化合物4d，它不仅对金黄色葡萄球菌表现出纳摩尔级别的抗菌活性，还能有效抑制和破坏细菌生物膜——这一特性对于治疗顽固性感染具有重要意义。分子水平的机理研究揭示了这些化合物通过独特的T形结合模式与FabH活性位点相互作用，为后续结构优化提供了清晰方向。

该研究的创新性在于将抗菌活性与生物膜破坏能力有机结合，突破了传统抗菌药物的局限性。更重要的是，基于FabH靶点的抑制剂设计有望规避现有抗生素的耐药机制，为应对多重耐药菌感染提供了新思路。这些发现不仅为开发新型抗菌药物奠定了坚实基础，也为针对其他细菌靶点的药物设计提供了可借鉴的研究范式。