多尺度计算机模拟分析苯氧乙酰胺：结合ADME（吸收、分布、代谢和排泄）-毒性评估、多靶点对接、分子动力学验证以及Hirshfeld晶体分析技术，用于优化抗菌候选化合物

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Multiscale in-silico profiling of phenoxy-acetamide: integrated ADME–Tox assessment, multi-target docking, molecular-dynamics validation, and Hirshfeld crystal analysis for antibacterial lead optimization

本工作通过整合ADME-Tox预测、多靶点对接、分子动力学模拟和密度泛函理论（DFT）及Hirshfeld晶体分析，全面解析了苯氧基醋酰胺衍生物M4的抗菌机制。结果表明，M4通过疏水埋藏和弱极性锚定实现多靶点稳定结合，其固态表面特性与分子动力学行为一致，为优化溶栓靶向的先导化合物提供了理论依据。

　　

阿卜杜萨马德·本阿布（Abdessamad Benabbou）、乌萨马·基贝奇（Oussama Khibech）、优素福·德拉维（Youssef Draoui）、穆罕默德·布赫里姆（Mohamed Bouhrim）、霍斯尼·齐亚特（Hossni Ziyat）、穆罕默德·阿尔-扎拉尼（Mohammed Al-zharani）、法赫德·A·纳斯拉（Fahd A. Nasr）、阿什拉夫·艾哈迈德·库尔塔姆（Ashraf Ahmed Qurtam）、赛义德·阿巴迪（Said Abadi）、阿拉尔·查利乌伊（Allal Challioui）、穆罕默德·阿努阿尔·哈拉德（Mohamed Anouar Harrad）、拉希德·图扎尼（Rachid Touzani）

穆罕默德·普雷米尔大学（University Mohammed Premier），理学院，应用化学与环境实验室（LCAE），Bd. Med VI B.P. 717，乌杰达（Oujda），60000，摩洛哥

摘要

抗菌素的耐药性正在超越现有的治疗方法，这促使人们寻找新的抗菌剂候选物。我们通过全计算（all-in-silico）方法研究了苯氧乙酰胺类化合物M4，将其电子结构与结合能力和空间排列方式联系起来。在对五种细菌靶点的对接实验中，PBP3口袋（PDB 7JWL）的亲和力最高（-6.8 kcal·mol^-1），其他位点的亲和力介于-6.3至-5.1 kcal·mol^-1之间。在最高亲和力复合物的100纳秒分子动力学模拟中，分子骨架的移动性较低，RMSF值大部分在0.05至0.20纳米范围内，表明分子与靶点的结合较为稳定。密度泛函理论（DFT，HOMO/LUMO、ELF/LOL）分析显示，M4主要通过分散作用与靶点结合，并具有选择性的弱极性相互作用。Hirshfeld分析表明，M4的分子表面呈紧凑的准球形（体积V = 411.5 ?^3；表面积A = 377.9 ?^2；球形度g = 0.708；非球形度a = 0.110；V/A ≈ 1.09 ?），其接触方式以H···H键为主（占66.1%），其次是C···H和H···C键（各占16.2%和15.4%），说明分子的结合主要依赖于全方位的分散作用。这些多尺度分析结果共同表明：M4具有多靶点结合能力，并且其结合稳定性主要由疏水作用驱动。

引言

21世纪一个无声的健康危机是细菌对抗生素的耐药性不断上升。自从青霉素问世以来，每十年都会出现效力更强的抗菌剂，但病原菌很快就会进化出相应的抗性机制[1]、[2]、[3]。世界卫生组织警告称，某些肠杆菌科（Enterobacterales）、假单胞菌（Pseudomonads）和葡萄球菌（Staphylococci）的多重耐药性已经非常严重，甚至连最后一线的治疗手段也难以奏效。这一问题不仅限于临床领域：它还威胁到公共卫生支出、手术安全、癌症化疗以及食品生产链的完整性[4]、[5]、[6]。因此，目前有两种主要策略：发现新型抗生素和合理优化现有药物结构[7]、[8]。历史上，高通量的表型研究通常在开发后期才系统评估药物的药代动力学和毒理学特性，但随着研发成本的增加和临床淘汰率的上升，这种做法已变得不可持续[9]、[10]。

为应对这一挑战，科学界正转向数据驱动的发现方法，利用数字化学工具在原子水平上绘制配体与蛋白质靶点的结合模式，并预测其在体内的行为。SwissADME、ProTox-III和AutoDock Vina等平台结合三维可视化和分子动力学模拟，可以预测药物的吸收、分布、代谢、排泄和毒性。这些环保且成本效益高的技术能够在动物实验之前就发现潜在的结构问题、溶解度瓶颈或多重CYP酶抑制现象，从而将合成工作重点转向具有更高转化潜力的化合物[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。同时，结构生物学（X射线晶体学、冷冻电子显微镜和核磁共振）的进步大大增加了高分辨率细菌蛋白结构的数量，使得针对青霉素结合蛋白、膜转运蛋白和代谢酶等关键靶点的对接研究成为可能[16]、[17]、[18]、[19]。计算化学与结构生物学的结合形成了一个循环研究体系，其中化学设计、预测药理学和生物学验证相互促进。

在这种背景下，苯氧乙酰胺衍生物M4引起了药物化学界的关注[20]。其疏水核心能够深入蛋白质口袋，而极性基团则提供了可调的相互作用；实验结果已经证明其具有广谱抗菌活性。然而，迄今为止尚未对其吸收、代谢稳定性、毒性以及针对不同靶点的亲和力进行过全面的全计算分析。这种研究空白反映了文献中的一个普遍问题：实验研究往往与计算评估脱节，而两者的结合对于降低研发失败率至关重要。因此，结合结构分析、计算化学和预测药理学对于开发高效、安全且可持续的抗菌剂至关重要。

本研究全面体现了这一整合理念：它通过（i）对其ADME-Tox特性的全面计算分析，（ii）在多个细菌靶点上的原子级结合模式映射，（iii）100纳秒分子动力学模拟其构象变化，以及（iv）使用CrystalExplorer进行的固体表面分析，丰富了关于M4的实验文献（见图1）。这些互补的证据为进一步优化该化合物提供了理论依据，并为未来的实验研究提供了数据驱动的路线图。

计算工具在药代动力学分析中的应用

药物的药代动力学过程（包括吸收、分布、代谢和排泄，ADME）受一系列生化和生理事件的调控，这些事件决定了药物如何穿过细胞膜、在体内循环、经历生物转化以及最终被清除。全面理解这些过程对于预测药物的治疗效果和安全性至关重要。现代计算工具在这一评估中发挥了不可或缺的作用，能够快速提供基于化学原理的预测结果。

实验候选物M4与参考抗生素环丙沙星（Ciprofloxacin）的ADME比较分析

在进行比较分析之前，有必要说明选择环丙沙星作为阳性对照的理由：这种第三代氟喹诺酮类药物具有广谱抗菌活性（针对肠杆菌科、假单胞菌和部分敏感葡萄球菌），其临床数据（药代动力学/药效学、耐药机制和毒理学）记录详尽，并且具有全球统一的质量控制标准（CLSI M100）。基于这样的基准进行评估可以确保研究的可靠性。

结论

本研究通过整合ADME-Tox预测、多靶点对接、分子动力学、密度泛函理论（DFT，HOMO/LUMO、ELF/LOL）和Hirshfeld晶体分析，提供了关于苯氧乙酰胺衍生物M4的完整研究视角。这些分析结果均指向一种一致的结合机制：M4通过分散作用与蛋白质靶点结合，结合过程中伴随着弱极性相互作用，其固态表面特性也支持这一机制。

作者贡献声明

阿什拉夫·艾哈迈德·库尔塔姆（Ashraf Ahmed Qurtam）： 实验研究、数据可视化及方法学设计。霍斯尼·齐亚特（Hossni Ziyat）： 方法学设计及正式数据分析。穆罕默德·布赫里姆（Mohamed Bouhrim）： 软件开发及方法学应用。优素福·德拉维（Youssef Draoui）： 方法学设计及概念构思。乌萨马·基贝奇（Oussama Khibech）： 方法学设计、实验研究及数据整理。阿卜杜萨马德·本阿布（Abdessamad Benabbou）： 方法学设计、实验研究及数据整理、概念构思。拉希德·图扎尼（Rachid Touzani）： 文章撰写与编辑、初稿撰写、结果验证、研究监督及方法学指导。

未引用的参考文献

[35]、[36]、[37]、[38]。

数据获取说明

本研究生成或分析的所有数据均可在文章及其补充材料中找到，或根据合理请求向通讯作者索取。如需获取额外的数据集（包括完整的分子对接文件、Gaussian 09计算结果、GROMACS轨迹文件、SwissADME、pkCSM和ADMETlab 3.0表格），请联系：[e-mail]

利益冲突声明

作者声明在本文的发表过程中不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, IMSIU）科研部的支持与资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2501）。我们特别感谢Marwan团队的高性能计算（HPC）支持，他们提供的计算资源和及时技术帮助使我们能够顺利完成分子动力学模拟。他们的贡献对研究的成功至关重要。