基于苯并咪唑的异烟肼类似物的设计、合成及药理学特性研究：对其抗结核活性、分子特征及计算模拟的全面探讨

《Tetrahedron》：Design, Synthesis, and Pharmacological Profiling of Benzimidazole-based Isoniazid analogues: A Comprehensive Investigation into Antitubercular Activity, Molecular Characterization, and Computational Study

抗结核新化合物设计与活性研究。通过合成N'-(2-苯基-1H-苯并[d]咪唑基乙酰)异烟酰肼类化合物（5a-p和5’a-d），评估其抗菌、抗结核及抗氧化活性，并开展ADME评估及分子对接/动力学研究，发现部分化合物对耐药结核有显著活性。

　　本研究围绕新型抗结核药物的开发展开，重点探讨了由异烟肼（isonicotinohydrazide）和苯并咪唑（benzimidazole）结构结合而成的化合物。这些化合物在合成过程中展现出独特的化学特性，并在药理学活性评估中表现出潜在的治疗价值。研究不仅关注其抗菌、抗结核、耐药结核（MDR-TB）以及抗氧化等作用，还通过计算机模拟技术对其药代动力学性质进行了深入分析，进一步验证了其作为新型抗结核药物候选物的可行性。

结核病（Tuberculosis, TB）是一种由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）引起的严重传染病，主要通过空气传播。自1882年罗伯特·科赫（Robert Koch）首次发现该病原体以来，结核病一直是全球公共卫生领域的重要挑战。根据世界卫生组织（WHO）2024年发布的全球结核病报告，2023年全球约有1080万人新发结核病，约125万人因此死亡，使得结核病再次成为单一传染病致死率最高的疾病之一。近年来，耐药结核分枝杆菌的不断出现，以及一线和二线抗结核药物的副作用，促使科学家们不断探索新的抗结核药物，以应对日益复杂的病原体耐药性问题。

异烟肼作为抗结核治疗的重要药物之一，其作用机制与结核分枝杆菌的催化过氧化酶（KatG）密切相关。异烟肼在体内被KatG激活，形成异烟酰辅酶（NAD）复合物，从而干扰分枝菌酸（mycolic acid）的合成，进而抑制结核分枝杆菌的生长。尽管异烟肼在抗结核治疗中具有重要地位，但其单靶点作用可能限制了对耐药菌株的疗效。因此，研究者们尝试通过结构修饰和分子设计，开发具有多靶点作用的新型抗结核药物，以提高治疗效果并减少耐药性的产生。

苯并咪唑是一种广泛应用于药物开发的杂环化合物，具有多种生物活性，包括抗菌、抗增殖、抗糖尿病、抗炎、抗痉挛、抗病毒和抗高血压等作用。其结构的脂溶性特性使其能够更好地渗透细胞膜，并与酶的活性位点形成稳定的结合。因此，苯并咪唑在抗结核药物设计中具有重要价值。近年来，研究人员发现，通过引入电子吸电子基团可以显著提高苯并咪唑衍生物的抗菌活性，特别是在对抗耐药菌株方面表现出更强的效力。

基于异烟肼和苯并咪唑的结构优势，本研究提出了一种新的抗结核药物设计策略，即通过分子杂交技术，将两种结构结合在一起，形成具有双重作用机制的化合物。这些化合物不仅保留了异烟肼对结核分枝杆菌核心酶InhA的抑制作用，还借助苯并咪唑的脂溶性和高结合能力，提高了药物在体内的稳定性与生物利用度。这种设计思路符合当前药物研发的多靶点、多作用机制的发展趋势，旨在开发出更高效、更安全的抗结核药物。

为了实现这一目标，本研究首先合成了含有2-苯基-1H-苯并[d]咪唑基团的化合物，即2-苯基-1H-苯并[d]咪唑（3a-p）衍生物。该化合物通过o-苯二胺、芳香醛和羧酸衍生物在4N HCl和甲醇溶剂中的反应合成。随后，将这些化合物与乙酰氯乙酸酯在干乙腈中进行反应，得到乙基2-(1H-苯并[d]咪唑-1-基)乙酸酯（4a-p和4’a-d）衍生物。最后，通过异烟肼与上述化合物在绝对酒精中的反应，得到了目标化合物N'-(2-(2-苯基-1H-苯并[d]咪唑-1-基)乙酰)异烟肼（5a-p）和N'-(2-(1H-苯并[d]咪唑-1-基)乙酰)异烟肼（5’a-d）。

为了验证这些化合物的药理学活性，研究团队对其进行了广泛的实验评估。通过体外实验，研究人员测试了这些化合物对结核分枝杆菌及其耐药菌株的抗菌和抗结核活性。结果表明，某些化合物表现出显著的最低最小抑菌浓度（MIC），表明其具有较强的抗菌活性。此外，还对这些化合物的抗氧化活性进行了评估，使用了DPPH、NO和H?O?等方法，以考察其在自由基清除方面的潜力。

在药代动力学研究方面，研究团队通过计算机模拟技术对化合物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）性质进行了分析。这种模拟方法能够帮助预测化合物在体内的行为，为后续的实验研究提供理论支持。此外，还进行了分子对接研究，以评估这些化合物与结核分枝杆菌关键酶——NADH依赖的烯酰-酰基载体蛋白还原酶（Enoyl-ACP reductase，InhA）之间的相互作用。InhA是分枝菌酸合成过程中的重要酶，其活性位点的结构决定了药物能否有效结合并发挥抑制作用。通过分子对接研究，研究人员可以预测化合物与InhA的结合模式，并评估其结合亲和力。

为了进一步验证化合物与InhA之间的结合稳定性，研究团队还进行了分子动力学模拟。这种模拟方法能够模拟化合物与酶在体内的动态相互作用，从而评估其在体内的稳定性。结果显示，某些化合物在与InhA结合后表现出较高的稳定性，这表明它们具有较强的结合能力，并可能在体内保持较长的活性时间。这一结果为后续的临床研究提供了重要的理论依据。

此外，研究团队还参考了近年来的文献，发现类似的分子杂交策略在抗结核药物设计中已经取得了一定的进展。例如，Krishnu SG等人（2025）合成的苯并咪唑衍生物在对抗结核分枝杆菌方面表现出较强的抑制作用，这归因于其结构中的增强的疏水相互作用和活性位点的占据能力。Yoon等人（2013）则发现，苯并咪唑上的电子吸电子基团能够显著提高其对敏感和耐药菌株的抗菌活性，进一步证明了苯并咪唑在抗结核药物设计中的重要性。Mishra等人（2024）则回顾了异烟肼与苯并咪唑的分子杂交策略，指出这种设计能够优化药物对靶点的结合，并提高其药代动力学特性，从而增强抗结核活性。

综上所述，本研究通过异烟肼和苯并咪唑的分子杂交策略，合成了一系列新型抗结核药物候选物。这些化合物不仅在结构上具有创新性，还在药理学活性评估中表现出显著的潜力。通过实验和计算机模拟的结合，研究人员进一步验证了这些化合物在体内的行为，并评估了其作为抗结核药物的可能性。研究结果表明，这些化合物可能成为未来抗结核药物开发的重要候选物，为解决耐药性问题提供了新的思路和方向。

在研究过程中，团队成员各司其职，共同完成了化合物的合成、表征、活性评估和模拟研究。其中，Dhanji Rajani负责实验设计、数据分析和研究可视化；Hitesh Patel负责软件开发、资源协调和研究方法的优化；Chintan Parmar参与了实验操作和数据分析；Riya Khandelwal负责论文撰写和编辑；Shital Thacker参与了实验操作和数据分析；Mahesh Vasava则负责整体研究的指导和设计。团队成员的协作使得本研究能够顺利进行，并取得有价值的成果。

本研究的成果不仅有助于推动抗结核药物的研发，还为其他领域的药物设计提供了借鉴。例如，通过分子杂交技术，研究人员可以开发具有多靶点作用的药物，以应对复杂的疾病机制。此外，本研究还验证了计算机模拟在药物研发中的重要性，为未来的药物筛选和优化提供了高效的技术手段。因此，本研究不仅在抗结核药物领域具有重要意义，也在更广泛的药物研发领域具有推广价值。

在数据和资源支持方面，本研究得到了学校和相关机构的大力支持。研究团队感谢学校为实验提供了必要的设备和资源，并感谢相关资助机构提供的电子资源支持。其中，M.S.V获得了 Rajiv Gandhi 国家奖学金的资助，这为研究的顺利进行提供了重要的经济支持。此外，研究团队还强调，所有研究数据将在需要时提供，以促进学术交流和进一步研究。

本研究的最终目标是开发出一种新型的抗结核药物，以应对当前抗结核治疗中的挑战。通过结构优化和分子设计，研究人员希望找到一种能够有效抑制结核分枝杆菌关键酶InhA的化合物，从而提高其抗结核活性。同时，研究人员也关注这些化合物的抗氧化活性，以评估其在治疗其他相关疾病中的潜力。本研究的结果表明，这些化合物可能在多个方面表现出良好的药理学特性，为未来的药物开发提供了重要的线索。

总的来说，本研究通过异烟肼和苯并咪唑的分子杂交策略，合成了一系列具有潜在抗结核活性的化合物。这些化合物在结构上具有创新性，在药理学活性评估中表现出显著的潜力，并通过计算机模拟技术验证了其与关键酶InhA的结合能力。研究团队的协作和努力使得本研究能够顺利进行，并取得有价值的成果。未来，这些化合物有望成为抗结核药物开发的重要候选物，为解决耐药性问题提供新的解决方案。