喹唑啉酮-噻唑杂合体作为潜在抗菌剂的设计与合成：计算机模拟方法及体外生物学评价

《Letters in Drug Design & Discovery》：Design and synthesis of quinazolinone-thiazole hybrids as potential antimicrobial agents: In Silico approaches and In vitro biological evaluation

　　

由于抗菌药物效率低下，多项研究致力于开发新型喹唑啉酮-噻唑杂合体以治疗微生物感染。在喹唑啉酮的合成研究中，将噻唑片段整合至喹唑啉酮环，为开发新型抗菌剂提供了有前景的策略。本研究中，研究人员设计并合成了一系列新型喹唑啉酮-噻唑杂合体，对其进行了表征，通过计算预测其抗菌活性，并评估了其计算性质。新喹唑啉酮-噻唑杂合体（A5a-h）经设计、合成、表征后，进行了体外抗菌活性评价。利用软件对目标化合物进行了计算研究，以评估其ADME（吸收、分布、代谢、排泄）性质、分子对接以及与标准药物的相似性。喹唑啉酮噻唑杂合体（A5a-h）通过2-苯基-4H-苯并[d][1,3]噁嗪-4-酮（1）与4-(4-溴苯基)噻唑-2-胺反应得到化合物（3），后者再与各种胺反应获得目标化合物（A5a-h）。测试化合物经TLC（薄层色谱）、熔点、FT-IR（傅里叶变换红外光谱）、¹H和¹³C NMR（核磁共振）及质谱技术确证。目标化合物对微生物病原体进行了测试，显示出良好的抗菌活性。其中，化合物A5b和A5e对DNA旋转酶（-9.86及?9.86 kcal/mol）和羊毛甾醇14α-去甲基化酶（-9.46及?10.41 kcal/mol）表现出优异的结合亲和力，且与标准药物具有良好的相似性。体外抗菌评价显示，抑菌圈和最低抑菌浓度测定对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、大肠杆菌（Escherichia coli）和白念珠菌（Candida albicans）具有显著疗效。研究结果结合计算机模拟参数与体外生物学评价，表明喹唑啉酮-噻唑杂合体作为有前景的抗菌剂具有良好的结果。测试的目标化合物适合于新型抗菌剂的创新开发，特别是A5b和A5e。

该研究论文发表在《Letters in Drug Design》期刊上，聚焦于抗菌药物耐药性问题日益严重的全球健康挑战。

研究背景方面，抗菌药物耐药性的持续增长已被广泛认为是全球健康的重大威胁。细菌和真菌对传统抗生素的耐药性传播日益加剧，病原微生物在宿主细胞和器官组织中侵袭增殖，导致多种疾病。研究人员指出，耐药微生物可能导致未来全球死亡率的显著上升，这主要归因于抗菌药物效果的下降。因此，亟需开发合成药物以应对病原体和耐药感染带来的健康风险。抗菌药物能够抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及真菌等病原体的生长。噻唑片段作为一种含有氮和硫原子的五元环系统，对微生物靶点显示出酶学效力。DNA旋转酶（DNA Gyrase）和羊毛甾醇14α-去甲基化酶（Lanosterol 14α-Demethylase）抑制剂表现出多样的治疗潜力。喹唑啉酮母核因其合成可及性以及多样的体内外活性，被认为是药物化学中的"优势骨架"（Privileged Scaffold）。研究人员注意到，喹唑啉酮-噻唑杂合体在医药领域受到关注，因其表现出多种生物活性，如抗菌和抗真菌活性。多种抗生素如 albaconazole、fluquinconazole、ciprofloxacin、cefotaxime、amoxicillin 和 sulfathiazole 的基本骨架中都含有喹唑啉酮和噻唑片段。

基于持续开发有效且选择性抗菌剂的需求，研究人员设计并合成了一系列新型分子，对所获得的噻唑杂合体进行了评价和表征，这些杂合体显示出显著的抗菌效果。

研究人员为开展该研究采用了以下主要技术方法：首先，通过多步有机合成法制备了8个喹唑啉酮-噻唑杂合体（A5a-h），以2-苯基-4H-苯并[d][1,3]噁嗪-4-酮与4-(4-溴苯基)噻唑-2-胺为关键中间体，经芳香亲核取代反应引入不同胺类取代基；其次，运用AutoDock Vina软件进行分子对接研究，以PDB数据库中的2XCS（DNA旋转酶）和5TZ1（羊毛甾醇14α-去甲基化酶）为靶点蛋白，通过重对接验证（RMSD容差2.0 ?）确保网格图精度；第三，采用Chem 3D Ultra 12.0及在线Chem Silico软件计算ADME性质，包括分子量、摩尔折射率、Connolly溶剂可及表面积、分子表面积、溶剂排除体积、拓扑极性表面积和卵形度等参数；第四，基于七种物理化学参数计算与标准药物环丙沙星和氟康唑的相似性；第五，利用Protox 3.0在线软件进行体外细胞毒性预测；最后，通过琼脂井扩散法测定抑菌圈（ZOI）和稀释法测定最低抑菌浓度（MIC），评价化合物对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和白念珠菌的体外抗菌活性。

研究结果显示：

**合成与表征**：研究人员成功合成了8个喹唑啉酮-噻唑杂合体（A5a-h），产率为41%-52%。中间体3-(4-(4-溴苯基)噻唑-2-基)-2-苯基喹唑啉-4(3H)-酮（3）经与不同胺类（苯胺、对氯苯胺、对甲氧基苯胺、对甲苯胺、二苯胺、对氟苯胺、对氨基苯胺、4-氨基-1,2,4-三唑）反应得到目标化合物。所有化合物经TLC、熔点、FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR和高分辨质谱（HRMS）确证结构。FT-IR光谱中，芳香酰胺N-H伸缩振动出现在3276-3486 cm^-1范围，酮基特征吸收带位于1635-1684 cm^-1。¹H NMR显示特征性-NH质子单峰位于11.39-11.52 ppm，¹³C NMR中芳香碳信号出现在120-168 ppm范围，羰基碳化学位移约在170 ppm附近。

**分子对接研究**：通过AutoDock Vina软件对化合物A5a-h进行分子对接，评估其与DNA旋转酶（PDB: 2XCS）和羊毛甾醇14α-去甲基化酶（PDB: 5TZ1）的结合构象和亲和力。对接空间网格图尺寸分别为60×44×40 ?³和67×70×46 ?³，间距0.375 ?。化合物A5b和A5e对DNA旋转酶的结合能均为-9.86 kcal/mol，对羊毛甾醇14α-去甲基化酶分别为-9.46和-10.41 kcal/mol，表现出优异的亲和力。2D和3D视图显示这些化合物能够有效包封于靶蛋白活性口袋中。噻唑片段中的硫原子远离与Cys 74、Ser 63、Phe 52、Trp 54、Val 51以及Ser 74、Glu 70、Ala 62、Trp 54、Phe 52等残基的结合位点。

**ADME性质分析**：利用Chem 3D Ultra 12.0和Chem Silico在线软件计算目标化合物和标准药物的分子参数。所有化合物分子量范围为463.51-548.65，log P值为5.67-9.95，拓扑极性表面积（TPSA）为48.27-85.02 ?²。除A5b和A5e各有2个和2个Lipinski规则违反外，其余化合物大多符合Lipinski五规则，且具有合成了可及性。血脑屏障透过性均为阴性，生物利用度评分在0.17-0.55之间。

**相似性计算**：基于分子量、摩尔折射率、Connolly溶剂可及表面积、分子表面积、溶剂排除体积、拓扑极性表面积和卵形度共七种物理化学参数，计算目标化合物与标准药物的相似性。化合物A5b与环丙沙星的相似性为52%，A5e与氟康唑的相似性高达95%，表明这些化合物与标准药物具有潜在的结构性类似特征。

**体外细胞毒性预测**：通过Protox 3.0在线软件评价，所有测试化合物（A5a-h）对列出的17种受体（包括AA2AR、ADRB2、ANDR、AOFA、CRFR1、DRD3、ESR1、ESR2、GCR、HRH1、NR1I2、OPRK、OPRM、PDE4D、PGH1、PRGR）均未显示结合活性，不活性概率为0.65-0.90，表明这些化合物不太可能与此类受体发生相互作用，提示其可能具有较好的安全性特征。

**体外抗菌活性**：通过琼脂井扩散法测定抑菌圈（ZOI）和稀释法测定最低抑菌浓度（MIC），评价化合物对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和白念珠菌的抗菌活性。结果表明，几乎所有合成分子均具有良好的ZOI和MIC结果。化合物A5b和A5e表现最为突出：A5b对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和白念珠菌的抑菌圈分别为23 mm、24 mm和27 mm，MIC均为25 μg/mL；A5e的相应数据为24 mm、26 mm、28 mm，MIC同样均为25 μg/mL。相比之下，标准药物环丙沙星对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抑菌圈为27 mm和25 mm、MIC为25 μg/mL；氟康唑对白念珠菌的抑菌圈为30 mm、MIC为25 μg/mL。

**构效关系分析**：研究人员分析了取代基对生物活性的影响。含有对氯取代基的A5b和含有二苯胺基团的A5e表现出最强的抗菌活性，这表明喹唑啉酮核心部分所连接取代基的性质对活性有显著影响。当噻唑片段转化为杂合体时，抗菌活性得到增强，所选胺类取代基的性质影响了体外生物学评价结果。

讨论部分，研究人员对研究结果进行了综合分析。计算研究在ADME、相似性和分子对接方面均观察到可靠的优良结果。A5b和A5e在DNA旋转酶和羊毛甾醇14α-去甲基化酶的活性口袋中表现出优异的、有前景的抑制活性，结合能分别为-9.86、-9.86、-9.46和-10.41 kcal/mol。合成方法采用系列反应获得目标产物，中间体与噻唑核反应得到喹唑啉酮-噻唑杂合体，经乙醇重结晶后获得良好产率（41-52%）。化学反应机制为芳香亲核取代反应，通过亲核试剂取代噻唑环上卤素原子位置的C2位进行反应。化合物的物理化学性质、相似性和分子对接显示出良好的计算机模拟结果。A5b和A5e在体外评价中表现出优异的抗菌活性。抗菌效果评价显示，目标化合物的抑制值对微生物菌株表现出多样化的抗菌和抗真菌作用谱。MIC值范围为1.56-200 μg/mL，表明其对微生物菌株具有强效活性。体外抗菌活性结果揭示，潜在活性受到喹唑啉酮核心部分连接取代基的影响。大多数合成喹唑啉酮杂合体显示出有前景的抗菌活性，所有类似物在体外抗菌和抗真菌评价中表现出相同的趋势。噻唑片段转化为杂合体后抗菌活性增强，胺类取代基的性质影响了体外生物学评价mpp评价。A5b和A5e与标准药物相比表现出优异的抗菌活性。

研究结论部分翻译如下：总之，研究人员合成了一系列含有噻唑片段的新型喹唑啉酮-噻唑杂合体（A5a-h）。设计的喹唑啉酮杂合体经计算机模拟研究评价，包括ADME性质、相似性、分子对接和体外抗菌活性。八个喹唑啉酮-噻唑杂合体（A5a-h）经抗菌活性评价，针对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和白念珠菌。测试化合物（A5a-h）的效力通过物理化学性质和分子对接研究进一步证实，这些研究表明其对DNA旋转酶和羊毛甾醇14α-去甲基化酶具有良好的结合亲和力，能够对抗测试的病原体。杂合体的分子对接、相似性、体外抗菌和细胞毒性评价结果作为抗菌剂具有重要意义。在微生物测定中，化合物A5b和A5e对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌菌株表现出良好的抗菌效果。为进一步探索这些喹唑啉酮噻唑杂合体的治疗潜力，需要通过先进的筛选方法促进其作为抗菌剂的药物开发。