靶向结核分枝杆菌赖氨酰tRNA合成酶(LysRS)的新型抑制剂设计与开发：从先导化合物优化到临床前候选药物

为解决多药耐药结核病(MDR-TB)治疗危机，英国邓迪大学药物发现单元团队针对结核分枝杆菌赖氨酰tRNA合成酶(LysRS)开展系统性药物研发。通过结构引导的合理设计，研究人员优化获得临床前候选化合物49，其展现出纳摩尔级酶抑制活性(IC50=50 nM)、优异的选择性(>25,000倍优于人类KARS1)及体内疗效(ED99=12 mg/kg)，为应对结核病耐药挑战提供了全新作用机制的候选药物。

　　

结核病至今仍是全球重大公共卫生威胁，尽管已有四联疗法（异烟肼、利福平、乙胺丁醇和吡嗪酰胺）作为一线治疗方案，但多药耐药结核病(MDR-TB)的不断涌现和现有药物的毒副作用使得临床治疗面临严峻挑战。更令人担忧的是，世界卫生组织推荐的二线治疗方案（含贝达喹啉、pretomanid等）已出现耐药病例，这凸显开发全新作用机制抗结核药物的紧迫性。

英国邓迪大学生命科学学院药物发现单元的研究人员将目光投向蛋白质合成关键酶——赖氨酰tRNA合成酶(Lysyl-tRNA synthetase, LysRS)。作为氨基酸-tRNA合成酶家族成员，LysRS负责将赖氨酸装载到对应tRNA上，其编码基因lysS被证实是结核分枝杆菌的必需基因。研究人员通过高通量筛选发现苗头化合物1（MIC=20 μM），随后展开系统的药物化学优化，相关成果发表在《Journal of Medicinal Chemistry》。

研究团队运用X射线晶体学解析了M. tuberculosis LysRS与配体的复合物结构（PDB:7qh8），采用基于结构的药物设计策略，重点针对分子的四个区域（R₁-R₄）进行构效关系研究。通过微摩尔级酶活性检测、结核分枝杆菌体外抑制实验（MIC）、肝细胞毒性评估（HepG2 IC₅₀）及小鼠急性感染模型等关键技术，结合药物代谢动力学分析，逐步优化先导化合物。

结果与讨论

先导化合物发现与初步探索

初始苗头化合物1（LysRS IC₅₀=42 μM）经R₁位环己基取代后（化合物3），活性提升20倍。晶体结构显示该区域存在关键差异：LysRS的Met271（对应人类KARS1 Thr337）形成疏水口袋底部，为选择性设计提供可能。

R₂口袋的构效关系开发

引入乙氧基（化合物10）显著提高选择性（>100倍），其晶体结构（PDB:9qea）揭示该基团通过水分子网络与Asp480相互作用，且能诱导LysRS特有构象变化（Asn258-Pro267环区柔性），而人类KARS1因Leu329-Ile564氢键网络限制无法适应该变化。

R₁口袋的优化策略

(1R,2S)-2-羟基环己基取代（化合物25）显著改善药代特性，其晶体结构（PDB:9qei）显示羟基与Glu422形成氢键。而(1S,7S)-2,2-二氟-7-羟基环庚基（化合物49）则同时实现与Met271疏水相互作用和Glu422极性结合，使酶抑制活性达50 nM。

组合优化与体内验证

将最佳R₁/R₂特征组合获得的化合物49，在小鼠急性结核感染模型中实现2.5 log₁₀菌落数降低。机制研究表明该系列化合物作为ATP竞争性抑制剂，对LysRS表现出独特的非竞争性抑制模式——随赖氨酸浓度增加而增强抑制活性，这与其结合ATP口袋但依赖酶-赖氨酸复合物形成的机制相符。

这项研究不仅验证了LysRS作为抗结核药物新靶点的可行性，更通过结构生物学指导的理性设计，将苗头化合物优化为具有临床开发价值的候选药物。化合物49展现的强效抑制（MIC=40 nM）、卓越选择性（人类KARS1 IC₅₀=1.2 mM）及理想药代特性，为应对日益严峻的结核病耐药问题提供了全新解决方案。研究揭示的ATP结合口袋变构机制，也为其他氨基酰-tRNA合成酶抑制剂的开发提供了重要参考。