计算生物学引导新型抗结核药物马来酸的发现：从靶点筛选到体内外验证

为解决结核分枝杆菌耐药性问题，研究人员通过计算蛋白质组学筛选出靶点HisC，发现马来酸(maleic acid)具有强效抗结核活性(MIC 312μg/ml)，与利福平协同作用(∑FIC=0.375)，并在小鼠模型中实现3 log10 CFU肺菌落减少，为结核病治疗提供了新策略。

　　

结核病(Tuberculosis, TB)至今仍是全球最致命的传染病之一，每年导致数百万人感染并造成百万人死亡。更严峻的是，结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)的耐药性问题日益突出，世界卫生组织报告显示，2022年全球约有41万例多重耐药/利福平耐药结核病(MDR/RR-TB)病例，数量较2019年翻倍。传统结核治疗方案漫长而复杂，需联合使用4-5种药物，且伴随严重副作用，患者依从性差进一步加剧了耐药菌株的产生。面对这一挑战，开发新型抗分枝杆菌药物(anti-mycobacterial agents, AMA)迫在眉睫。

传统药物研发方法周期长、成本高且结果不确定性大。为此，Mohab M. Shalaby等研究人员在《BMC Microbiology》上发表了一项创新研究，采用计算生物学引导的药物发现策略，成功鉴定出有机酸化合物马来酸(maleic acid)作为高效抗结核候选药物，并通过多层次实验验证其疗效与安全性。

研究团队运用了三个关键技术方法：1）计算蛋白质组学分析，通过DEG、OGEE和VFDB数据库筛选结核分枝杆菌必需基因；2）分子对接与动力学模拟分析马来酸与靶点蛋白HisC（组氨酸磷酸氨基转移酶）的相互作用；3）体内外药效学评价，包括微量肉汤稀释法测定MIC/MBC、细胞毒性试验(MTT法)、小鼠感染模型及组织病理学分析。临床分离株来自埃及动物健康研究所。

结果

蛋白质数据库筛选与过滤

通过对三个蛋白质数据库（DEG、OGEE、VFDB）的系统性筛选，最终获得100个（DEG）、51个（OGEE）和10个（VFDB）符合标准的靶点蛋白。这些靶点均为非人源同源、胞内定位且在不同结核菌株中保守的必需蛋白。

潜在抗分枝杆菌药物的MIC测定

从389个潜在化合物中筛选出11种进行实验验证。马来酸表现出最优抗菌活性，对M. tuberculosis H37Rv的标准菌株和临床分离株的MIC均为312μg/ml，且对M. smegmatis的MIC相同。

马来酸的杀菌活性与安全性

马来酸表现出杀菌特性，MBC与MIC相同（312μg/ml）。其对人类肺成纤维细胞WI-38的IC₅₀高达374.44 mg/ml，选择性指数(SI)为1200，远高于安全阈值（SI>10），表明具有优异的安全性。

抗菌谱与耐药性诱导

马来酸对革兰阳性菌（如金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌）具有较强活性，MIC值与结核分枝杆菌相近。连续20代耐药性诱导实验中，多数菌株未出现显著耐药性，仅一株临床分离株(MtS3)的MIC在18代后从312μg/ml升至625μg/ml。

分子对接与机制研究

分子对接显示马来酸与靶点HisC的结合能为-5.0475 kcal/mol，形成4个氢键和2个离子键。分子动力学模拟提示复合物具有高度柔性。通过补充外源谷氨酸可逆转马来酸的抑制活性，证实其通过抑制HisC介导的谷氨酸合成发挥抗菌作用。

协同作用评价

马来酸与利福平联用表现出显著协同作用（∑FIC=0.375，协同得分>10），而与异烟肼联用仅显示相加效应。

体内抗结核活性

在小鼠感染模型中，马来酸治疗组（6.24 mg/kg）肺细菌载量较对照组降低3 log₁₀ CFU，效果显著优于异烟肼组（1 log₁₀ CFU降低）。组织病理学显示马来酸治疗组肺组织炎症轻微，结构保存完整。

结论与讨论

该研究成功建立了一套计算生物学引导的药物发现流程，能够快速从大量潜在化合物中筛选出有效候选药物。马来酸作为一种新型抗结核制剂，具有多重优势：1）作用机制新颖，通过抑制HisC酶干扰组氨酸生物合成途径；2）与一线药物利福平协同作用，可减少用药剂量并降低耐药风险；3）安全性高，选择性指数达1200；4）体内外验证显示强效杀菌活性和组织保护作用。

这项研究不仅为结核病治疗提供了新的候选药物，更重要的是展示了一种高效的药物研发范式，将计算生物学与实验验证相结合，加速抗感染药物的发现进程。未来研究可进一步优化马来酸的给药方案，探索其与其他抗结核药物的联合应用潜力，并推进临床前毒理学研究。