化合物库再利用策略开发新型NDM-1金属β-内酰胺酶抑制剂：多样化锌结合基团的发现与应用

本研究针对日益严峻的抗菌素耐药性问题，聚焦于金属β-内酰胺酶(NDM-1)抑制剂的开发。研究人员通过改造氯乙酰胺片段库获得硫醇类化合物，结合晶体结构解析与计算机辅助设计，发现了IC50达14 μM的新型抑制剂，揭示了疏水相互作用对活性的关键影响。该研究为临床急需的MBL抑制剂开发提供了新思路。

　　

抗菌素耐药性已成为全球公共卫生的重大威胁，其中β-内酰胺类抗生素的失效尤为突出。细菌通过产生金属β-内酰胺酶(MBLs)等耐药机制，使这类重要药物失去活性。尽管针对丝氨酸β-内酰胺酶(SBLs)的抑制剂已应用于临床，但MBLs因其独特的锌离子依赖性催化机制，至今尚无临床可用抑制剂。特别是新德里金属β-内酰胺酶1(NDM-1)，作为分布最广的B1亚类MBL，能水解几乎所有β-内酰胺类抗生素，给感染治疗带来极大挑战。

针对这一难题，国外研究团队在《European Journal of Medicinal Chemistry Reports》发表了一项创新研究。研究人员另辟蹊径，将原本用于靶向细菌肽聚糖合成酶MurA的氯乙酰胺片段库进行改造，通过两步合成转化为潜在的MBL抑制剂。这一策略不仅提高了研发效率，也为发现新型抑制剂提供了独特切入点。

研究采用了多项关键技术：1）基于片段库的化合物改造与合成；2）X射线晶体学解析NDM-1与抑制剂的复合物结构（分辨率达1.13 ?）；3）计算机辅助药物设计，包括分子对接和3D相似性筛选；4）构建包含13.4万种化合物的锌结合基团(ZBG)虚拟库；5）荧光法测定酶抑制活性(IC₅₀)；6）抗菌活性评价采用最小抑菌浓度(MIC)测定。

【2.1. 硫醇片段的合成】
研究人员将13种氯乙酰胺转化为相应硫醇衍生物(8a-20a)，其中14a对NDM-1的IC₅₀达到20 μM。晶体结构显示14a以两种构象结合NDM-1活性中心，硫醇基桥接两个锌离子，取代催化水分子。

【2.3. X射线晶体学】
高分辨率(1.13 ?)结构解析发现，14a在NDM-1活性位点呈现双结合模式，引起L10环构象变化。关键发现是抑制剂芳香环与Trp87、Met61等疏水残基的相互作用，为后续设计提供了结构基础。

【2.4. 计算建模与合成】
基于晶体结构信息，研究团队通过分子对接和虚拟筛选，设计并合成了更大体积的硫醇类化合物(21b-24b)。特别构建的ZBG库涵盖硼酸、硫醇、α-氨基酰胺等多种锌结合基团，为探索新型抑制剂奠定了基础。

【2.5. 第二系列NDM-1抑制剂的评价】
优化后的化合物22b抑制活性提升至14 μM。结构分析表明，增加的芳香基团能更好地占据活性位点，与L3环疏水残基产生额外相互作用。值得注意的是，活性化合物的sp³杂化碳比例普遍较低(平均0.20)，提示分子平面性可能影响抑制效能。

【2.6. 抗菌活性的测定】
虽然化合物单独使用时未显示抗菌活性，但31-35等能降低美罗培南对产NDM-1大肠杆菌和沙门氏菌的MIC，表明其具有恢复抗生素敏感性的潜力。

这项研究通过创新的"老药新用"策略，成功将氯乙酰胺库转化为NDM-1抑制剂。晶体结构解析揭示了硫醇类化合物独特的双结合模式，为后续设计提供了关键结构信息。特别是通过计算机辅助设计获得的化合物22b，其抑制活性较初始先导物提高近50%，证明了扩大分子体积以增强疏水相互作用的可行性。研究还建立了包含多种ZBG的虚拟库，为开发新型MBL抑制剂提供了宝贵资源。

这些发现对解决临床MBL耐药问题具有重要意义：首先，证明了片段库再利用策略在抗生素耐药研究中的价值；其次，揭示了NDM-1活性位点的可塑性，为设计广谱抑制剂提供了新思路；最后，鉴定的活性化合物可作为进一步优化的起点，推动临床急需的MBL抑制剂研发。随着耐药菌株的不断出现，这类研究将为维护抗生素的有效性做出重要贡献。