《Chemistry & Biodiversity》：Development of Novel Furan–Chalcone Derivatives as Targeting Bacterial DNA Gyrase and Topoisomerase IV: Design, Synthesis, and In Silico Studies
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一系列新型呋喃–查尔酮衍生物（Na1–Na8）被合成，并通过整合的体外（in vitro）与计算（in silico）方法评估了其抗菌、抗氧化、DNA旋转酶（DNA gyrase）抑制活性及计算性质。在合成的化合物中，Na5对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出
一系列新型呋喃–查尔酮衍生物（Na1–Na8）被合成，并通过整合的体外（in vitro）与计算（in silico）方法评估了其抗菌、抗氧化、DNA旋转酶（DNA gyrase）抑制活性及计算性质。在合成的化合物中，Na5对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出最强的抗菌活性，且最低抑菌浓度（MIC）值较低。抗氧化研究表明，Na3、Na4和Na5具有显著的自由基清除活性。针对DNA旋转酶B亚基（DNA gyrase B）的分子对接研究显示，这些化合物在ATP结合口袋内具有良好的结合相互作用。针对大肠杆菌（Escherichia coli）DNA旋转酶和拓扑异构酶IV（topoisomerase IV）的酶抑制研究证实，Na5在测试化合物中表现出最强的抑制活性。ADME预测表明其具有可接受的类药性和药代动力学性质。此外，Na5的密度泛函理论（DFT）分析揭示了合适的最高占据分子轨道–最低未占分子轨道（HOMO–LUMO）能隙以及有利于其生物活性的电子性质。总体而言，研究结果确定Na5是开发靶向细菌DNA旋转酶和拓扑异构酶IV的新型抗菌药物中一个有前景的先导候选化合物。
论文解读文章
一、研究背景与研究目的
抗菌药物耐药性（antimicrobial resistance, AMR）的快速蔓延已成为严峻的全球性健康挑战，显著削弱了现有抗生素的临床疗效，迫切需要开发具有新作用机制的抗菌药物。与此同时，氧化应激（oxidative stress）被日益认为是微生物致病性与宿主组织损伤的关键促进因素，常加重感染严重程度并促进炎症反应。因此，发现兼具抗菌与抗氧化双重功能的化合物，代表了一种应对耐药感染并最大限度减少氧化损伤的有前景的治疗策略。
DNA旋转酶（DNA gyrase）是细菌所特有的一种II型拓扑异构酶，在DNA复制、转录及染色体超螺旋状态的维持中发挥不可或缺的作用。其ATP酶亚基——DNA旋转酶B亚基（GyrB）——因在哺乳动物细胞中缺失而成为抗菌药物开发的理想分子靶点，具有高靶点选择性和低宿主毒性。抑制GyrB可破坏DNA超螺旋过程中的ATP依赖性链穿越，最终导致细菌死亡。然而，靶向GyrB的抑制剂开发仍然有限，亟需结构多样、能有效调节该酶的骨架分子。
含呋喃环（furan ring）的杂环化合物因其良好的电子性质、结构简单性和广泛的生物活性谱（包括抗菌、抗氧化和抗癌活性）而备受关注。呋喃部分富含氧杂原子和共轭π电子体系，有利于氧化还原活性以及与生物大分子的关键相互作用。此外，α,β-不饱和羰基体系（如查尔酮类骨架）是众所周知的迈克尔受体（Michael acceptor），可与酶活性位点中的亲核残基相互作用，增强生物活性。基于上述考虑，研究人员设计了(E)-3-(3-(呋喃-2-基)丙烯酰基)苯基衍生物系列（Na1–Na8），该骨架整合了呋喃杂环、α,β-不饱和羰基连接基和芳香苯基部分，预期赋予双重生物学功能：通过共轭体系的自由基清除和电子离域实现抗氧化活性，以及通过有效结合细菌DNA旋转酶B的ATP结合口袋实现抗菌活性。苯环上供电子和吸电子取代基的引入可进一步微调理化性质和生物活性。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员采用整合的计算与实验策略开展了这项研究。首先通过O-酰化和Claisen–Schmidt缩合两步法合成了8个呋喃–查尔酮衍生物（Na1–Na8），并对缩合反应条件（催化剂类型、浓度、反应时间）进行了系统优化。主要关键技术方法包括：分子对接研究（molecular docking，针对DNA旋转酶B，PDB ID: 1KZN）以阐明结合模式和关键相互作用；体外抗菌活性评价（琼脂孔扩散法和微量肉汤稀释法测定抑菌圈、最低抑菌浓度MIC和最低杀菌浓度MBC）；酶抑制活性测定（针对大肠杆菌DNA旋转酶和拓扑异构酶IV）；DPPH自由基清除实验评价抗氧化活性；ADME药物性质预测；以及密度泛函理论（DFT）计算分析前沿分子轨道性质。
三、研究结果
3.1 化学合成
通过两步法成功合成了目标呋喃–查尔酮衍生物。第一步以K?CO?为碱、DMF为溶剂，在回流条件下将2/4-羟基苯乙酮与相应酰氯进行O-酰化反应，得到O-酰化中间体。第二步为Claisen–Schmidt缩合反应，系统考察了不同催化体系对产率的影响。结果表明，强碱催化剂（NaOH和KOH，10%–20%浓度）在较短时间内即可获得高产率（83%–92%）；KF/Al?O?在多相催化条件下（15 wt%，无溶剂条件）2小时内即可达到90%–92%的产率，是可持续的替代方案；酸催化方法通常需要较长反应时间且产率相对较低。所有最终化合物均获得良好至优异的产率（82%–99%），并通过1H NMR、13C NMR、IR和质谱确认了结构。
3.2 生物活性评价
3.2.1 抗菌和抗真菌活性
采用琼脂孔扩散法对合成化合物进行了初步抗菌筛选。结果显示，Na1、Na4和Na5对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出显著抗菌活性。其中Na5抗菌效力最强，抑菌圈范围为38.20 ± 1.02至50.73 ± 0.64 mm，尤其对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）的抑制活性接近环丙沙星。Na4也表现出广谱抗菌活性（抑菌圈39.56 ± 1.55至44.60 ± 0.53 mm），Na1对革兰氏阳性菌的抑菌圈超过45 mm。Na2和Na3抗菌活性中等，Na6活性有限，Na7对所有测试菌株均无活性。抗真菌筛选显示，Na8对白色念珠菌（C. albicans）和假丝酵母（C. mycoderma）表现出最突出的抗真菌活性（抑菌圈分别为35.78 ± 0.59 mm和20.52 ± 0.36 mm），而Na4、Na5和Na6无抗真菌活性，表明其对细菌具有选择性。
MIC和MBC测定进一步证实，Na5抗菌活性最强，对全部测试菌株的MIC值为10–15 μM，MBC值为30–35 μM，其中对粪肠球菌（E. faecalis）MIC最低（10 μM），对金黄色葡萄球菌为11 μM，且MBC/MIC比值表明其具有杀菌作用模式。Na1和Na4的MIC范围为14–22 μM，MBC约为MIC的两倍。Na2和Na3活性中等（MIC 30–35 μM），Na6仅对大肠杆菌和粪肠球菌有选择性活性，Na7和Na8无抗菌活性。总体抗菌活性趋势为：Na5 > Na1 ≈ Na4 >> Na2 ≈ Na3 > Na6 >> Na7 ≈ Na8。
3.2.2 DNA旋转酶和拓扑异构酶IV抑制活性
对活性最强的化合物Na1、Na4和Na5进行了大肠杆菌DNA旋转酶和拓扑异构酶IV的酶抑制评价。结果显示，Na5抑制活性最强，在10 μM浓度下对DNA旋转酶的残余酶活性（RA）为50%，对拓扑异构酶IV的RA为52%。Na4表现出中等抑制（对DNA旋转酶RA为76%，对拓扑异构酶IV为70%），Na1抑制较弱（RA分别为81%和80%）。
3.2.3 抗氧化活性
DPPH自由基清除实验表明，Na3抗氧化活性最强，IC??值为7.00 ± 0.05 μM，优于标准品抗坏血酸（IC?? = 10.58 ± 0.01 μM）。Na4和Na5也表现出显著抗氧化活性（IC??分别为8.10 ± 0.52和9.07 ± 1.00 μM）。Na2和Na7活性相当（IC??均为9.10 μM左右），Na1和Na8活性中等，Na6活性最弱（IC?? = 11.14 ± 1.02 μM）。抗氧化活性趋势为：Na3 > Na4 ≈ Na5 > Na2 ≈ Na7 > Na1 ≈ Na8 > Na6。
3.2.4 构效关系分析
构效关系（SAR）分析表明，苯酯部分取代基的性质和位置强烈影响抗菌和抗真菌活性，而呋喃–α,β-不饱和羰基核心对活性至关重要。Na5的优异抗菌活性归因于环己烷羧酸酯部分带来的高亲脂性（cLogP ≈ 3.95），增强了膜通透性和与胞内靶点的相互作用。Na4优于Na3表明苯环对位取代可改善抗菌效力。抗氧化活性主要由电子离域和取代基对自由基中间体的稳定化作用决定。
3.3 计算研究
3.3.1 分子对接研究
分子对接研究以DNA旋转酶B（PDB ID: 1KZN）为靶点，通过重对接验证了对接方案（RMSD = 0.013 ?）。Na5表现出最高的结合亲和力（对接分数?8.1 kcal/mol），与Asn46和Arg136形成稳定氢键，与Arg76形成π–阳离子相互作用，与Ile78形成π–σ相互作用，并通过与Pro79、Ala47、Ile90、Val167、Val120和Met91等残基的疏水和范德华相互作用稳定结合。Na6和Na7的对接分数为?7.6 kcal/mol，与环丙沙星相当。Na5的结合亲和力强于环丙沙星（?7.6 kcal/mol）和阿莫西林（?6.9 kcal/mol），凸显其作为潜在抑制剂的优势。
3.3.2 药物相似性与ADME研究
所有化合物的分子量均低于350 Da，可旋转键数为6–7，氢键受体4–5个、供体0个，拓扑极性表面积（TPSA）为56.51–68.98 ?2，均符合Lipinski五规则。共识log P值为2.30–3.95，表明亲脂性适中。ADME预测显示所有化合物均具有高胃肠吸收和血脑屏障通透性，非P-糖蛋白（P-gp）底物。Na1–Na6预测抑制CYP1A2、CYP2C19和CYP2C9，而Na7和Na8不抑制CYP1A2，代谢性药物相互作用风险较低。
3.3.3 DFT分析
DFT前沿分子轨道分析显示，Na5的HOMO和LUMO能量分别为?0.23429和?0.08859 a.u.，能隙为0.14570 a.u.（3.96 eV），表明适度的化学反应活性和良好的动力学稳定性。全局硬度（η）和软度（S）分别为0.07285和6.86 a.u.，表明分子具有可观的软度和有利的电荷转移相互作用。亲电性指数（ω）为0.179 a.u.，表明分子具有良好的亲电性质。分子静电势（MEP）图显示氧原子周围为富电子区域，氢原子附近为缺电子区域，支持与生物靶点形成分子间氢键的可能性。
四、结论与意义
本研究通过整合实验与计算策略，成功设计、合成并系统评价了一系列新型呋喃–查尔酮衍生物（Na1–Na8）。研究结果表明，Na5是最有前景的抗菌先导化合物，具有最低的MIC和MBC值、最强的DNA旋转酶和拓扑异构酶IV抑制活性以及最高的分子对接结合亲和力，其活性可归因于环己烷羧酸酯部分带来的高亲脂性和有利的靶点结合特征。Na3在抗氧化活性方面表现最优，优于标准品抗坏血酸。所有化合物均符合类药性规则并具有可接受的药代动力学性质。DFT分析进一步支持了Na5的电子性质与其生物活性的关联。该研究为基于呋喃骨架的抗菌药物开发提供了有价值的构效关系见解，Na5作为靶向细菌DNA旋转酶和拓扑异构酶IV的新型抗菌药物先导候选物，值得进一步的优化和生物学评价。
