新型单环β-内酰胺类化合物的构效关系与晶体结构研究及其对青霉素结合蛋白PBP1b的抑制作用

《Journal of Medicinal Chemistry》：Structure–Activity Relationship and Crystallographic Study of New Monobactams

本文系统研究了新型单环β-内酰胺类抗生素（monobactams）的构效关系（SAR）及晶体结构特征，通过计算机辅助设计、合成及生物活性评价，发现多个对青霉素结合蛋白PBP1b具有强抑制活性的化合物，其中化合物11的IC50达42 nM。研究揭示了卤键等新型相互作用机制，为克服抗菌药物耐药性（AMR）提供了新策略。

　　

引言

抗菌药物耐药性（AMR）是全球公共卫生的重大挑战，每年导致约470万人死亡。细菌青霉素结合蛋白（PBPs）是β-内酰胺类抗生素的关键靶点，其通过催化肽聚糖交联维持细菌细胞壁完整性。单环β-内酰胺类抗生素（如已上市的氨曲南）对金属β-内酰胺酶（MBLs）天然耐药，但其抗菌谱窄且易受超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）影响。本研究通过结构优化设计新型单环β-内酰胺衍生物，旨在增强对PBP1b的抑制活性并拓展抗菌谱。

结果与讨论

计算机辅助设计

研究以商业可得的(2S,3S)-3-氨基-2-甲基-4-氧代氮杂环丁烷-1-磺酸（1）为母核，采用药效团模型和二维相似性搜索策略设计化合物。基于氨曲南与PBP1b的共晶结构（PDB: 5HLB），构建三种药效团模型筛选化合物库，最终合成26个衍生物（2–27）。其中，苯乙酸侧链衍生物（如6）表现出显著PBP1b抑制活性，后续通过引入卤素取代基（如化合物11的2,6-二氯苯基）进一步优化活性。

化学合成

化合物通过TBTU、CDI或氯甲酸乙酯介导的酰胺化反应合成，经反相色谱纯化为钾盐或DIPEA盐。核磁共振（NMR）和高分辨质谱（HRMS）确认结构，元素分析验证反离子含量。

生物学评价

PBP1b抑制活性与抗菌活性

采用BOCILLIN FL法检测化合物对肺炎链球菌PBP1b的抑制活性。化合物11的IC₅₀为42 nM，优于氨曲南（IC₅₀= 3.2 μM）。苯乙酸类衍生物（8–21）普遍对革兰阳性菌（如金黄色葡萄球菌）有效，而二维相似性筛选获得的化合物（22–27）对革兰阴性菌（如大肠杆菌、肺炎克雷伯菌）活性显著。透膜性实验表明，部分化合物（如17、22）易受细菌外排泵影响。

晶体结构研究

获得10个化合物与截短型PBP1b*（PDB: 9SG5–9SGE）的共晶结构。结构显示，化合物22的氨基噻唑侧链通过水分子桥与Gly656形成氢键，而化合物11的2,6-二氯苯基与Thr654骨架羰基形成卤键，这是首次在单环β-内酰胺与PBP相互作用中报道该机制。对比不同物种PBP结构（如鲍曼不动杆菌PBP1a、铜绿假单胞菌PBP3）发现，Thr654所在保守KTG模序的构象相似，提示卤键策略具有广谱抑制潜力。

结论

通过理性设计获得多个纳摩尔级PBP1b抑制剂，晶体学揭示了卤键等新型结合模式。化合物11和22兼具强酶抑制活性与抗菌效果，为针对多重耐药菌的药物开发提供了新思路。

实验部分

蛋白纯化与活性测定

肺炎链球菌PBP1b通过GST标签系统纯化，抑制活性通过荧光各向异性法测定。抗菌活性采用微量肉汤稀释法评估，菌株涵盖ESKAPE病原体。

晶体学方法

PBP1b*晶体通过悬滴法生长，配体浸泡后收集同步辐射数据（ESRF光束线MASSIF-1），结构经分子置换和迭代优化解析。