L-半胱氨酸乙酯与甲酯的抗菌-细胞毒活性评估及分子对接研究：为开发新型半胱氨酸衍生物药物提供新思路

《Amino Acids》：Evaluation of the antimicrobial-cytotoxic activities and molecular docking study of L-cysteine ethyl ester and L-cysteine methyl ester

本研究针对抗生素耐药性及癌症治疗困境，评估了L-半胱氨酸乙酯(LCEE)和L-半胱氨酸甲酯(LCME)的抗菌活性（对革兰氏阳性菌S. aureus更有效）、细胞毒性（对肝癌细胞PLC/PRF/5和HEP3B具有选择性抑制，IC50低至2 mM，选择性指数SI>1）及分子对接机制（与DNA旋转酶亚基B结合能达-6.4 kcal/mol）。结合ADMET分析（符合Lipinski五规则，胃肠道吸收率高），表明这两种酯类化合物具有口服生物可利用、肝脏靶向治疗肝细胞癌的潜力，为氨基酸衍生物药物研发提供了新候选。

　　

在全球公共卫生领域，抗生素耐药性的蔓延和癌症治疗手段的局限如同两座亟待翻越的大山。传统的药物在超级细菌和顽固癌细胞面前常常显得力不从心，这促使科学家们将目光投向了一类结构特殊、生物相容性好的小分子——氨基酸衍生物。其中，半胱氨酸因其结构中独特的巯基而备受关注，该基团使其具有高反应性，能够参与形成共价键，在蛋白质结构维持和多种代谢途径中扮演关键角色。然而，尽管半胱氨酸本身功能重要，其简单的酯类衍生物，如L-半胱氨酸乙酯和L-半胱氨酸甲基酯，其全面的生物活性，特别是抗菌和抗肿瘤活性，以及其作为潜在药物的特性，尚未得到系统性的探索。为了解决这一问题，并为开发新型抗菌和抗癌药物提供候选化合物，由Tuge Deniz Karaca、Hüseyin Balci、Arzu Aysan、Yusuf Sert和Alev Dogan组成的研究团队在《Amino Acids》上发表了他们的最新研究成果，系统评估了这两种半胱氨酸酯的生物活性及其分子机制。

研究人员综合运用了多种关键技术方法。抗菌活性采用微量肉汤稀释法测定L-半胱氨酸乙酯(LCEE)和L-半胱氨酸甲酯(LCME)对革兰阳性金黄色葡萄球菌和革兰阴性大肠杆菌的IC₇₀。细胞毒性通过MTS法检测化合物对健康人胚胎肾细胞(HEK293T)和两种肝癌细胞系(PLC/PRF/5, HEP3B)活力的影响，并计算IC₅₀和选择性指数(SI)。分子对接使用AutoDock Vina模拟化合物与大肠杆菌DNA旋转酶B亚基(PDB: 5MMN)的结合。ADMET性质和药物相似性通过SwissADME和pkCSM在线平台预测。此外，还利用密度泛函理论(DFT/B3LYP/6-311++G(d,p))计算了化合物的前沿分子轨道和分子静电势。细胞实验样本为购买的HEK293T、PLC/PRF/5和HEP3B细胞系，菌株来自ATCC。

抗菌测定

结果表明，L-半胱氨酸乙酯对革兰阴性大肠杆菌在所有测试浓度下均无生长抑制效果，但对革兰阳性金黄色葡萄球菌表现出较强的抑制活性，其IC₇₀值为250 μM，生长抑制率达98%。L-半胱氨酸甲酯对革兰阴性大肠杆菌的IC₇₀值为2000 μM（生长抑制率73%），对革兰阳性金黄色葡萄球菌的IC₇₀值为500 μM（生长抑制率98%）。总体而言，两种酯对革兰阳性菌的抗菌效果优于革兰阴性菌，这可能与革兰阴性菌外膜的结构有关。分子对接结果显示，LCME与靶标蛋白DNA旋转酶亚基B的结合能(-6.4 kcal/mol)低于LCEE(-5.6 kcal/mol)，表明LCME可能具有更好的抑制潜力。

氨基酸酯对癌细胞的抗增殖作用

细胞毒性分析显示，L-半胱氨酸乙酯在健康HEK293T细胞系中仅引起约20%的生长抑制，但在肝癌细胞系PLC/PRF/5和HEP3B中表现出显著的浓度依赖性生长抑制。在4 mM浓度下，PLC/PRF/5和HEP3B的细胞活力均降至约40%。L-半胱氨酸甲酯对HEK293T细胞的抑制不显著，但对两种肝癌细胞也有明显的生长抑制作用。计算得到的IC₅₀值表明，LCEE对HEP3B和PLC/PRF/5细胞的活性（IC₅₀ < 2 mM, 3.53 mM）强于LCME（IC₅₀ = 3.87 mM, >4 mM）。选择性指数(SI)分析进一步证实了其对癌细胞的选择性毒性，LCEE对PLC/PRF/5和HEP3B的SI值分别为2和4.1，LCME的SI值分别为2.05和2.06，均大于1，表明具有良好的抗癌特异性。

药物相似性和ADME特性

计算化学分析表明，LCEE和LCME均符合Lipinski五规则（分子量MW < 500，脂水分配系数MlogP < 5，可旋转键数nRot < 10，拓扑极性表面积TPSA < 140），预示其具有良好的口服生物利用度。ADME预测显示两者胃肠道吸收率高，但不易透过血脑屏障，降低了中枢神经系统毒性的风险。两者均不是P-糖蛋白底物，且对主要的CYP450酶无抑制作用，减少了药物相互作用的可能性。生物利用度雷达图显示两者的理化性质均落在理想的粉色区域内。

毒性分析

基于pkCSM的毒性预测显示，LCEE和LCME均无肝毒性，非hERG钾通道抑制剂（心脏毒性风险低），大鼠口服急性毒性和慢性毒性值相近。但两者均显示AMES试验阳性（提示潜在遗传毒性需实验验证），且LCEE预测有皮肤致敏性。

前沿轨道分析和MEP分析

前沿分子轨道能隙（HOMO-LUMO gap）分析显示，LCME的能隙值（6.032 eV）略小于LCEE（6.062 eV），表明LCME可能具有更高的化学反应活性和分子内电荷转移倾向。分子静电势图清晰展示了分子的亲电（红色区域）和亲核（蓝色区域）位点，为理解其反应性提供了直观依据。

综上所述，本研究通过系统的体外实验和计算机模拟，揭示了L-半胱氨酸乙酯和L-半胱氨酸甲酯作为新型小分子化合物的巨大潜力。它们对革兰阳性菌，特别是金黄色葡萄球菌，表现出选择性的抗菌活性；更重要的是，它们在有效抑制肝癌细胞增殖的同时，对正常肾细胞的毒性较低，显示出良好的选择性指数，这对于开发靶向性强、副作用小的抗癌药物至关重要。深入的分子对接研究揭示了其与细菌DNA旋转酶的结合模式，为理解其抗菌作用机制提供了结构基础。全面的ADMET和药物相似性评估则表明这两种化合物具有良好的类药性质和口服吸收潜力，且不易进入中枢神经系统，特别适合作为口服给药的肝靶向治疗候选药物进行后续开发。该研究不仅为半胱氨酸衍生物的生物学功能提供了新的实验证据，更重要的是，为应对抗生素耐药性和开发新型肝癌治疗策略提供了有前景的先导化合物，奠定了未来临床前研究的坚实基础。