NDM-1金属β-内酰胺酶1H-吡咯-2-羧酸抑制剂的合理设计：恢复β-内酰胺类抗生素对耐药肠杆菌科细菌的疗效

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Rational Design of 1H-pyrrole-2-carboxylic Acid Inhibitors of NDM-1 Metallo-β-lactamase Restoring β-Lactam Efficacy Against Resistant Enterobacterales

新型3,5-二芳香基-1H-吡咯-2-羧酸类金属β-内酰胺酶抑制剂通过优化苯环结构提高活性，纳米摩尔级抑制效力可恢复β-内酰胺类抗生素对产NDM-1菌的活性，联合丝氨酸酶抑制剂增强抗菌效果。

　　在当今全球范围内，抗菌药物耐药性已成为威胁人类健康、食品安全以及可持续发展的重大问题之一。随着抗生素的广泛使用，细菌逐渐演化出各种机制来抵抗这些药物，其中金属β-内酰胺酶（Metallo-β-lactamases, MBLs）因其对多种β-内酰胺类抗生素的破坏能力而备受关注。特别是New Delhi金属β-内酰胺酶（NDM）类型的MBLs，因其在临床环境中频繁出现，且对现有的抗菌药物产生显著耐药性，被视为最紧迫的耐药性挑战之一。因此，寻找有效的MBL抑制剂，以恢复β-内酰胺类抗生素的抗菌活性，成为当前抗菌药物研发的重要方向。

β-内酰胺类抗生素因其广泛的抗菌谱和相对较低的毒性，一直是临床实践中使用最广泛的抗菌药物之一。然而，随着耐药性细菌的不断出现，即便是最新研发的抗生素，其在治疗临床相关病原体时也面临诸多限制。尤其是ESKAPE（Enterococcus, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, and Enterobacter species）病原体群体，它们的耐药性通常由β-内酰胺酶介导，其中MBLs的出现极大地削弱了抗生素的疗效。由于MBLs能够催化β-内酰胺环的水解，使得这些抗生素失去活性，因此，开发能够有效抑制MBLs的化合物，成为对抗耐药性细菌的关键策略。

为了应对这一挑战，科学家们探索了多种方法来设计和合成MBL抑制剂。其中，一种备受关注的策略是利用“抗生素+耐药性抑制剂”的联合治疗方案。这种策略不仅能够提高抗生素的抗菌效果，还可能降低耐药性细菌的出现率。β-内酰胺酶抑制剂作为这一策略的重要组成部分，已经在临床中展现出一定的应用前景。例如，2025年AbbVie公司推出的Emblaveo，是一种由aztreonam和avibactam组成的固定剂量组合药物，已被批准用于治疗由MBLs产生的耐药性感染。这种药物的高效性源于其对MBLs的特异性抑制，同时还能有效对抗由丝氨酸β-内酰胺酶（Serine β-lactamases, SBLs）引起的耐药性问题。然而，尽管这类联合治疗方案取得了一定的进展，目前尚无专门针对MBLs的临床可用抑制剂，这表明MBL抑制剂的开发仍面临诸多挑战。

在MBL抑制剂的研究中，科学家们发现，一些化合物能够通过与MBLs的活性位点中的锌离子（Zn2?）形成特定的配位作用，从而抑制其催化活性。早期的研究主要集中在通过螯合锌离子或替换活性位点中的桥接羟基，来破坏MBLs的结构和功能。然而，这些方法往往缺乏足够的选择性，导致对宿主中依赖锌离子的酶（如人源的锌依赖性酶）产生不必要的毒性。因此，研究人员开始关注如何通过分子设计，提高MBL抑制剂的选择性，同时保持其对细菌MBLs的高效抑制能力。

近年来，研究人员在MBL抑制剂的开发上取得了显著进展，特别是在发现过渡态模拟物方面。这些化合物能够通过与MBLs的活性位点形成类似于酶-底物复合物的结构，从而有效阻断其催化过程。例如，氮杂芳酸类化合物，特别是含有吲哚或苯并[g]吲哚结构的化合物，已被证明具有良好的MBL抑制活性。这些化合物通常能够与MBLs的两个锌离子形成配位作用，同时通过氢键与活性位点中的关键残基相互作用，从而增强其结合能力和抑制效果。值得注意的是，这类化合物的抑制机制与传统的硫醇类或咪唑类抑制剂有所不同，后者通常通过双齿配位作用与锌离子结合，模拟水解后的β-内酰胺产物。相比之下，氮杂芳酸类化合物能够更精确地模拟酶的活性状态，从而实现更高的抑制效率。

在这一背景下，研究人员开始探索更具潜力的分子结构，以进一步优化MBL抑制剂的性能。例如，一些研究表明，1H-吡咯-2-羧酸衍生物因其与β-内酰胺抗生素的酶促水解产物结构相似，且能够通过其羧酸基团和吡咯环上的氮原子与锌离子形成配位作用，显示出作为MBL抑制剂的潜力。此外，这些化合物还能够通过与活性位点中的水分子形成桥接结构，从而进一步增强其与酶的相互作用。基于这一发现，研究人员设计并合成了3,5-二芳基-1H-吡咯-2-羧酸类化合物，并对其进行了系统的结构-活性关系（Structure-Activity Relationship, SAR）研究。结果显示，这些化合物能够有效抑制NDM-1型MBLs，并在体外实验中恢复了头孢吡肟和美罗培南等β-内酰胺类抗生素的抗菌活性。更重要的是，某些具有代表性的化合物在与丝氨酸β-内酰胺酶抑制剂联合使用时，表现出更强的抗菌效果，特别是在对抗由NDM和超广谱β-内酰胺酶（ESBL）共同产生的耐药性菌株时。

在本研究中，研究人员通过分子建模和结构-活性关系分析，进一步优化了3,5-二芳基-1H-吡咯-2-羧酸类化合物的结构。他们选择了一种具有代表性的化合物——3aa，并利用MOE软件对其与NDM-7酶的结合模式进行了模拟。研究发现，3aa能够通过其吡咯环上的氮原子和羧酸基团与NDM-7的活性位点中的锌离子形成稳定的配位结构，同时通过氢键与活性位点中的关键残基相互作用，从而实现高效的抑制效果。这一发现不仅验证了吡咯-2-羧酸类化合物作为MBL抑制剂的可行性，也为进一步优化此类化合物提供了理论依据。

为了验证这些化合物的抑制效果，研究人员进行了系统的体外实验。结果显示，3aa及其衍生物对NDM-1型MBLs表现出显著的抑制活性，其半数抑制浓度（IC??）值低至纳摩尔级别。这意味着这些化合物在极低的浓度下就能够有效阻断MBLs的催化活性，从而恢复β-内酰胺类抗生素的抗菌效果。此外，研究还发现，某些化合物在与丝氨酸β-内酰胺酶抑制剂联合使用时，能够显著增强对抗耐药性菌株的效果。这一结果表明，基于3,5-二芳基-1H-吡咯-2-羧酸结构的MBL抑制剂不仅具有良好的单独抑制能力，还可能成为联合治疗方案中的重要组成部分。

在合成过程中，研究人员采用了一系列化学方法，以构建具有特定结构的3,5-二芳基-1H-吡咯-2-羧酸衍生物。这些化合物的合成依赖于对吡咯环的系统性修饰，特别是对3和5位的苯环进行不同的取代，以探索不同取代基对抑制活性的影响。通过这种结构优化，研究人员成功地提高了化合物的亲和力和选择性，使其能够更有效地结合MBLs的活性位点，而不会对宿主细胞中的锌依赖性酶产生显著的毒性作用。此外，这些化合物在实验中表现出良好的稳定性，能够在体内维持较长的活性时间，从而为未来的临床应用提供了有利条件。

除了对MBLs的抑制作用外，研究人员还评估了这些化合物对宿主细胞的潜在毒性。结果显示，这些化合物在低浓度下对哺乳动物细胞的毒性较低，表明它们具有较好的安全性和药代动力学特性。这一发现对于推动这些化合物进入临床试验具有重要意义，因为安全性是任何新药开发过程中必须优先考虑的因素。此外，研究还发现，某些化合物在特定浓度下能够有效降低耐药性菌株的生长速率，这进一步证明了它们在实际应用中的潜力。

在本研究的结论部分，研究人员指出，3,5-二芳基-1H-吡咯-2-羧酸类化合物作为一种新型MBL抑制剂，具有广阔的应用前景。这些化合物不仅能够有效恢复β-内酰胺类抗生素的抗菌活性，还可能成为对抗多重耐药性病原体的重要工具。通过分子建模和结构-活性关系分析，研究人员发现，将原本较为刚性的吲哚或苯并[g]吲哚结构替换为更具柔性的吡咯结构，能够显著提高化合物与MBLs的结合能力。这一发现为未来MBL抑制剂的设计提供了新的思路，同时也为开发更具选择性和安全性的抗菌药物奠定了基础。

在本研究的合成部分，研究人员详细描述了实验中所使用的仪器和方法。他们利用了多种分析手段，包括核磁共振（NMR）、高效液相色谱（HPLC）和高分辨率质谱（HRMS），以确保化合物的纯度和结构正确性。此外，研究人员还对化合物的抗菌活性进行了系统评估，使用了多种临床相关菌株，包括携带NDM-1基因的大肠杆菌和肺炎克雷伯菌。实验结果表明，这些化合物在体外能够有效抑制MBLs的活性，并恢复β-内酰胺类抗生素的抗菌效果。这些数据不仅支持了化合物的抑制活性，也为未来的临床研究提供了重要的参考依据。

在研究过程中，研究人员还考虑了化合物的药代动力学特性，以评估其在体内的行为。例如，他们分析了化合物在不同浓度下的稳定性，以及其在宿主细胞中的代谢途径。这些研究有助于预测化合物在体内的分布和清除情况，从而为未来的药物开发提供更全面的信息。此外，研究人员还对化合物的细胞毒性进行了评估，以确保其在治疗过程中不会对宿主细胞造成显著损害。结果显示，这些化合物在低浓度下表现出较低的细胞毒性，这表明它们具有良好的安全性和耐受性。

总的来说，这项研究为开发新型MBL抑制剂提供了重要的科学依据和技术支持。通过结构优化和系统评估，研究人员成功设计并合成了具有高效抑制能力的3,5-二芳基-1H-吡咯-2-羧酸类化合物，并验证了其在体外对抗耐药性菌株的效果。这些化合物不仅能够恢复β-内酰胺类抗生素的抗菌活性，还可能成为联合治疗方案中的关键成分，从而为对抗多重耐药性细菌提供新的解决方案。未来的研究将进一步探索这些化合物在体内的行为，以及其在实际临床应用中的潜力。