水杨酸衍生物作为潜在抗结核药物的计算机设计与评估：基于ADMET、分子对接、密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟的见解

《Letters in Drug Design & Discovery》：Computational design and evaluation of hydrantoin derivatives as potential anti-tubercular agents: Insight from ADMET, molecular docking, DFT, and molecular dynamic simulations

本研究通过分子对接、密度泛函理论（DFT）分析和分子动力学模拟，设计并评估了63种水合肼衍生物作为结核分枝杆菌InhA酶的抑制剂。结果显示，化合物23和53b具有高亲和力（MolDock得分-151.66至-170.37 kcal/mol）、稳定结合及良好药物likeliness特性，为新型抗结核药物开发提供了候选结构。

　　在当前全球范围内，结核病仍然是一个重要的公共卫生挑战。据估计，每年有超过一百万人因结核病死亡，这种疾病一直位列最致命的传染病之一。然而，随着对第一线和第二线抗生素的耐药性逐渐增强，多药耐药（MDR）和广泛耐药（XDR）结核菌株的出现使得现有的治疗方案变得愈发低效、复杂且具有毒性。这不仅增加了治疗的难度，也对患者的身体健康造成了额外负担。因此，开发具有新作用机制和更优药理特性的抗结核药物显得尤为迫切。

在众多可能的化学骨架中，异羟肟酸衍生物因其多样的药理特性以及良好的物理化学性质而受到关注。这类化合物在结构上具有高度的可变性，可以通过引入不同的取代基来增强其生物活性和选择性。此外，已有研究表明，某些异羟肟酸衍生物对结核分枝杆菌（M. tuberculosis）表现出显著的体外活性，包括能够作为非共价抑制剂作用于DprE1酶，这是一种在细胞壁阿拉伯糖合成过程中至关重要的酶。这种独特的抑制方式与许多传统抗结核药物形成鲜明对比，使异羟肟酸成为进一步优化以对抗耐药性结核病的有前景的候选分子。

随着计算药物设计技术的进步，这些技术在药物发现的早期阶段发挥着越来越重要的作用。虚拟筛选、药代动力学预测以及分子相互作用分析等方法为识别具有潜力的候选分子提供了高效的手段。通过这些计算方法，可以评估化合物的药理特性，包括其在体内的吸收、分布、代谢、排泄及毒性（ADMET）情况。分子对接技术则有助于预测化合物与靶蛋白的结合方式和亲和力，从而指导分子结构的优化。

本研究采用了一种综合的计算方法，对异羟肟酸衍生物进行设计和评估，以探讨其作为抗结核药物的潜力。研究涵盖了包括ADMET预测、针对M. tuberculosis靶点的分子对接、基于密度泛函理论（DFT）的量子化学分析以及分子动力学（MD）模拟等多个方面。这些计算分析旨在确定具有良好药代动力学特性、强而稳定的靶点相互作用以及最优电子特性的候选化合物。研究结果有望推动新一代抗结核药物的研发，以应对耐药性结核病的日益严峻挑战。

研究中涉及的化合物来源于PubChem数据库，经过初步的分子力学（MMFF）优化后，进一步使用DFT方法进行几何优化，以获得精确的分子结构和前线分子轨道（FMO）参数。这些优化后的结构被用于分子对接和电子结构分析。在对接过程中，使用了Molegro Virtual Docker（MVD）版本6.0，对异羟肟酸衍生物与M. tuberculosis InhA酶（PDB ID: 4P8H）的结合情况进行评估。该酶在分枝菌酸生物合成中起着关键作用，是抗结核药物开发的已验证靶点。

分子对接结果显示，从63种化合物中筛选出六种具有最佳对接性能的化合物，分别是化合物3、23、25、28、45和53。这些化合物表现出比标准药物异烟肼更优的结合亲和力，其MolDock评分和重排评分均显著更低，表明其在结合位点中具有更高的稳定性。其中，化合物23表现出最负的MolDock评分（-151.66 kcal/mol），而化合物45则在重排评分方面达到最低值（-112.32 kcal/mol），表明其结合后的稳定性得到了进一步优化。值得注意的是，化合物25并未形成氢键，但其MolDock和重排评分仍表现出良好的结合倾向，这可能归因于其在结合位点中的疏水接触和范德华相互作用。

通过分子动力学模拟，进一步评估了这些化合物与InhA酶的结合稳定性。模拟结果表明，化合物53及其新设计的类似物53b在300纳秒的模拟过程中表现出更高的结合稳定性，其根均方偏差（RMSD）和根均方波动（RMSF）值均较低，表明它们在结合位点中保持了良好的构象稳定性。此外，化合物53b的RMSD波动范围（1.0–2.4 ?）比化合物23和53更窄，显示出更优的结构稳定性。

密度泛函理论（DFT）分析则提供了关于化合物电子特性的深入见解。通过计算化合物23、53和异烟肼的量子化学参数，如最高占据分子轨道（HOMO）能量、最低未占据分子轨道（LUMO）能量、HOMO-LUMO能隙、电离能、电子亲和力、电负性、硬度、软度和化学势等，研究揭示了这些化合物在电子反应性和稳定性方面的差异。其中，化合物23表现出较高的电子接受能力，其HOMO-LUMO能隙为4.13 eV，而化合物53的能隙稍低（3.67 eV），这表明其可能具有更高的反应性。异烟肼则显示出较大的能隙（5.50 eV）和较高的硬度（2.75 eV），这可能与其较低的化学反应性和较差的结构灵活性有关。

分子静电势（MEP）表面分析进一步揭示了化合物之间的电子分布差异。这些分析显示，化合物23和53的氧原子周围存在明显的负电势区域，这可能意味着这些区域在分子间相互作用中具有重要作用，例如氢键形成。相比之下，异烟肼的氮原子周围显示出较高的正电势，这可能与其作为非共价抑制剂的特性有关。

非共价相互作用（NCI）分析则揭示了化合物之间微弱的分子间和分子内相互作用。这些相互作用包括氢键、静电相互作用和π相互作用等，它们在很大程度上影响了化合物与靶蛋白结合的稳定性。其中，化合物53b显示出最广泛的相互作用网络，表明其具有更强的结合能力。

在药物样性（drug-likeness）和药代动力学评估中，所有六种化合物均符合Lipinski规则和Veber标准，没有违反药物样性条件的情况。这些化合物的分子量在410.37到435.22 g/mol之间，处于口服生物利用度的可接受范围内。此外，这些化合物的水溶性参数（TPSA）均低于140 ?2，表明它们具有良好的肠道吸收潜力。而脂溶性参数（WLOGP）则在1.56到4.74之间，显示出适度的膜渗透性，但并未表现出过高的脂溶性。

在新的异羟肟酸类似物（53a–53f）的评估中，它们的结合亲和力进一步提高，MolDock评分范围从-156.53到-170.37 kcal/mol。其中，化合物53b表现出最佳的结合性能，其MolDock和重排评分均为最低值，表明其在结合位点中具有高度的稳定性。这些类似物在药代动力学和药物样性方面也保持了良好的表现，其合成可及性评分（SA）在3.59到4.36之间，表明它们在药物开发流程中具有一定的合成可行性。

综上所述，本研究的综合计算分析结果表明，异羟肟酸衍生物，特别是新设计的类似物53b，显示出作为InhA抑制剂的巨大潜力。这些化合物不仅具有优越的结合亲和力和稳定性，还表现出良好的药代动力学特性和药物样性。因此，它们可以被视为抗结核药物开发的有力候选者。为了进一步验证这些计算结果，建议对化合物53b及其它表现优异的候选分子进行体外酶抑制实验，并在相关哺乳动物细胞系中进行细胞毒性评估。在体外研究成功后，这些化合物应进一步在已建立的小鼠结核病模型中进行体内评估，以考察其治疗效果、药代动力学特性及全身安全性。