虚拟筛选和分子动力学模拟为针对新德里金属β-内酰胺酶（New Delhi metallo-β-lactamase）的药物再利用策略提供了新的见解

《Letters in Drug Design & Discovery》：Virtual screening and molecular dynamics simulations reveal insights into drug repurposing strategies against New Delhi metallo-β-lactamase

抗生素耐药性特别是NDM-1酶的威胁促使研究FDA批准药物作为抑制剂。通过分子对接和动态模拟，筛选出zavegepant、ubrogepant、atogepant和tucatinib四种候选药物，证实其与NDM-1的稳定结合及抑制潜力，并评估了 ADMET特性。

　　抗生素耐药性已成为全球公共卫生领域的一大挑战，尤其在面对多重耐药（MDR）细菌感染时，其影响愈发严重。近年来，科学家们不断探索新的策略来对抗这一问题，其中药物再利用（repurposing）作为一种高效且具有成本效益的方法，逐渐受到关注。药物再利用是指将已批准用于其他疾病治疗的药物重新评估其在新适应症中的潜力，这种方法可以显著缩短药物开发周期，并降低临床试验的复杂性。本文研究旨在通过计算药理学方法，识别出能够有效抑制新型德里金属β-内酰胺酶-1（NDM-1）的FDA批准药物，以期为对抗β-内酰胺类抗生素耐药性提供新的治疗思路。

NDM-1是一种金属β-内酰胺酶，其能够水解多种β-内酰胺类抗生素，包括碳青霉烯类抗生素，而这类抗生素通常被视为治疗耐药感染的最后手段。由于NDM-1的存在，许多传统抗生素的有效性大幅下降，使得治疗耐药菌感染变得更加困难。目前，已知的β-内酰胺酶抑制剂，如他唑巴坦、舒巴坦和克拉维酸，主要针对丝氨酸β-内酰胺酶（SBLs），对NDM-1的效果有限。因此，寻找新的非传统抑制剂成为研究重点。

本研究采用了一种整合的计算药理学方法，结合分子对接和分子动力学（MD）模拟，从FDA批准的药物中筛选出可能的NDM-1抑制剂。首先，研究人员整理了自2015年1月至2023年3月期间批准的192种药物，并使用PubChem数据库获取其三维结构。这些结构通过Open Babel软件进行能量最小化和结构优化，以确保其在后续对接实验中的准确性。为了验证分子对接的可靠性，研究团队使用AutoDock Vina对已知的NDM-1抑制剂卡泊芬金（captopril）进行了重新对接实验，结果显示其预测的结合构象与实验结构的RMSD值为2.2 ?，表明该对接方法具有较高的可信度。

在对接实验中，研究人员筛选了多种β-内酰胺类抗生素和已知的NDM-1抑制剂，以建立结合亲和力的基准。其中，美罗培南（meropenem）作为参考药物，显示出最强的结合能（?7.8 kcal/mol）。通过结合能分析，研究人员确定了四类药物作为潜在的NDM-1抑制剂：扎维格帕坦（zavegepant）、乌布罗格帕坦（ubrogepant）、阿托格帕坦（atogepant）和图卡替尼（tucatinib）。这些药物的对接得分均超过?9.0 kcal/mol，显示出较高的结合亲和力。

为了进一步评估这些候选药物的药代动力学特性及安全性，研究团队使用SwissADME和pkCSM预测平台对其进行了ADME和药物样性分析。结果显示，所有候选药物均具有良好的水溶性和无PAINS警报，表明它们在口服给药时具有较低的实验干扰风险。此外，这些药物均符合Lipinski规则，除了扎维格帕坦，其分子量略高于阈值，但仍显示出较高的肠道吸收率（%ABS = 67.36%），表明其具有一定的口服生物利用度。研究还分析了这些药物对P-糖蛋白（P-gp）的相互作用，发现它们均为P-gp的底物或抑制剂，可能影响其在体内的分布和清除。同时，药物对血脑屏障（BBB）的渗透性较低，表明其可能难以进入中枢神经系统。此外，这些药物对CYP酶的抑制情况也进行了分析，其中图卡替尼和乌布罗格帕坦对CYP2C19和CYP2C9具有抑制作用，而扎维格帕坦则可能对CYP3A4产生影响。这些结果为药物的临床应用提供了重要的参考依据。

为了深入理解这些药物与NDM-1的结合稳定性，研究团队进行了分子动力学模拟，时间跨度为200 ns。模拟结果表明，这些药物与NDM-1结合后，其蛋白质骨架的RMSD值保持在1–3 ?范围内，显示出良好的结构稳定性。此外，半径为质心（Rg）的计算进一步验证了结合后蛋白质的构象紧凑性，而残基水平的RMSF分析则揭示了结合后蛋白质的局部灵活性。研究发现，所有药物均能与NDM-1的活性位点形成稳定的氢键和π-π堆叠作用，其中图卡替尼表现出最强的结合能力，其结合自由能（ΔGbind）为?24.02 kcal/mol，显示出优异的结合亲和力。

此外，研究还分析了药物与NDM-1之间的非共价相互作用，如π-π堆叠和π-阳离子相互作用，这些相互作用对于维持药物与酶的稳定结合至关重要。通过分析这些相互作用，研究团队进一步确认了药物在活性位点的结合能力。例如，扎维格帕坦与His122形成两个π-π堆叠作用，而乌布罗格帕坦则与His250形成π-阳离子相互作用，并与锌离子形成协调作用。阿托格帕坦则主要通过氢键和疏水作用与NDM-1结合，而图卡替尼则在结合后形成了多个氢键和π-π堆叠作用，并与锌离子形成协调作用。这些结果表明，这些药物可能通过多种非共价相互作用抑制NDM-1的活性，从而恢复β-内酰胺类抗生素的抗菌效果。

进一步的MM-GBSA结合自由能计算显示，图卡替尼表现出最有利的结合自由能（ΔGbind = ?24.02 kcal/mol），其次是阿托格帕坦（ΔGbind = ?23.02 kcal/mol）、乌布罗格帕坦（ΔGbind = ?21.62 kcal/mol）和扎维格帕坦（ΔGbind = ?20.89 kcal/mol）。这些结果表明，图卡替尼在结合自由能方面表现最佳，显示出较强的结合亲和力。同时，研究还发现，图卡替尼的范德华相互作用（ΔGbindvdW = ?82.12 kcal/mol）和脂ophilic相互作用（ΔGbindLipo = 5.25 kcal/mol）均较为有利，而扎维格帕坦则表现出较高的结合能，但其结合自由能相对较低，可能与其结合位点的应变能（ΔGbindStrain = ?45.26 kcal/mol）和范德华相互作用（ΔGbindvdW = ?56.21 kcal/mol）有关。

此外，研究团队还分析了药物对NDM-1局部环区的影响，发现这些药物能够显著增强蛋白质结构的稳定性，尤其是对环区L3的稳定作用。环区L3在底物识别和催化过程中起着重要作用，其构象变化可能影响酶的活性。通过RMSD和Rg的分析，研究团队发现这些药物能够显著降低环区的构象波动，从而抑制酶的活性。这些结果不仅为药物的结合稳定性提供了依据，还表明这些药物可能通过改变酶的构象动态来实现抑制效果。

本研究的结果表明，扎维格帕坦、乌布罗格帕坦、阿托格帕坦和图卡替尼在结构和功能上均显示出较强的NDM-1抑制潜力。这些药物不仅能够通过非共价相互作用与酶结合，还可能通过改变酶的构象动态来实现抑制效果。此外，这些药物的ADMET预测结果显示，它们在口服给药和安全性方面均表现出良好的特性，为后续的实验验证提供了重要依据。研究团队建议进一步开展体外酶抑制实验，以确认这些药物对NDM-1的抑制能力，并评估其在不同浓度下的效果。同时，体内药效实验和详细的毒理学分析也是不可或缺的步骤，以确保这些药物在临床应用中的安全性和有效性。

总体而言，本研究通过计算药理学方法，成功识别出四种FDA批准药物作为潜在的NDM-1抑制剂。这些药物的结合亲和力、稳定性及ADMET特性均显示出良好的潜力，为对抗多重耐药细菌感染提供了新的治疗策略。研究团队指出，这些药物可能通过不同的机制抑制NDM-1，包括锌离子协调、氢键形成、π-π堆叠作用等，这些机制可能为未来的药物设计提供新的思路。此外，本研究的结果还表明，药物再利用是一种可行且高效的方法，能够快速应对抗生素耐药性问题。未来的研究应进一步验证这些药物的体外和体内效果，并探索其在临床中的应用前景。