去铁胺在尿路致病性大肠杆菌中的分子对接与能量分析基于实验模型

《Microorganisms》：Molecular Docking and Energetic Analysis of Deferoxamine in Uropathogenic Escherichia coli in an Experimental Model

　　

神经源性膀胱（NB）是一种与排尿障碍相关的疾病，会导致尿液淤滞并增加对尿路感染（UTIs）的易感性，这些感染主要由大肠杆菌引起。在此背景下，细菌铁获得了系统代表了替代抗菌策略的有吸引力的靶点。本研究旨在结合神经源性膀胱的实验模型与分子分析，调查去铁胺与大肠杆菌铁获得蛋白之间的相互作用。研究在大鼠中通过完全脊髓横断诱导神经源性膀胱实验模型，随后通过膀胱穿刺收集尿液并对尿路病原体进行微生物学表征。随后，进行分子对接和能量分析，以评估去铁胺及其Fe-DFO络合物与铁羟肟酸获得了途径的FhuE受体的结合，并将FhuA和FhuD准备为同一途径的相关靶标以提供结构背景。动物表现出尿潴留和细菌定植，大肠杆菌被确认为病原体。分子对接结果显示，Fe-DFO在铁载体识别口袋内存在几何上合理的容纳，涉及与铁载体识别和运输相关的残基，并且与参考配体相比，其结合亲和力得分与弱至中度的结构互补性一致。得出的结论是，神经源性膀胱模型为研究尿路感染提供了一个生物学相关的框架，且去铁胺表现出的分子相互作用与大肠杆菌的铁羟肟酸获得了系统一致。由于目前的分析仅限于Fhu途径，这些发现不能外推到涉及多个平行获得系统的整体细菌铁稳态中。目前的研究被明确定位为一项概念验证研究；在神经源性膀胱模型中在体给予DFO、铁获得的功能测定、转运蛋白特异性实验以及分子动力学分析被确定为未来工作的优先方向。

神经源性膀胱（NB）继发于神经系统病变，导致膀胱神经支配改变，损害了尿液的储存和排泄，进而引发尿潴留并显著增加尿路感染（UTIs）风险。在众多致病因素中，大肠杆菌是导致此类感染的主要病原体。由于传统抗生素耐药性日益增加，寻找替代抗菌策略显得尤为迫切，而细菌的铁获得了系统则成为了极具潜力的干预靶点。在生理条件下，三价铁（Fe³⁺）的生物可用性极低，革兰氏阴性菌必须依赖如铁羟肟酸获得了（Fhu）等特定系统摄取铁以维持增殖与毒力。去铁胺（DFO）作为一种临床上用于治疗铁过载的羟肟酸型铁螯合剂，其外源性与细菌蛋白的相互作用机制尚不明确。为弥补这一知识空白，研究人员将实验模型与计算生物学相结合，旨在探讨DFO及Fe-DFO络合物是否能够通过干扰大肠杆菌的Fhu途径来发挥潜在作用。论文发表在《Microorganisms》期刊上。

本研究所使用的关键技术方法包括：在来自联邦马拉尼昂大学动物设施中心的六只成年大鼠中，通过完全脊髓横断构建NB实验模型，收集尿液进行微生物鉴定；采用密度泛函理论（DFT）对Fe(III)-DFO络合物进行量化优化；运用SAMSON平台中AutoDock Vina算法对FhuE受体进行分子对接与能量分析并验证其构象可靠性；此外，通过微量稀释法测定最低杀菌浓度（MBC），并在小鼠RAW 264.7巨噬细胞系中进行细胞毒性测定。

在实验模型与膀胱炎部分，通过脊髓横断诱导的大鼠表现出后肢运动功能丧失和逼尿肌无反射，出现了严重的尿潴留。尿样分析和培养证实，由于尿液淤滞，所有动物均发生了由大肠杆菌定植引发的中重度活动性感染性膀胱炎。

在分子对接与FhuE结合模式结构分析部分，研究首先通过将共结晶配体重新对接验证了协议精度（RMSD为0.4 ?）。对接得出Fe(III)-DFO络合物的结合亲和力得分为?7.4 kcal/mol，低于天然配体（?9.29 kcal/mol），这表明外源性Fe-DFO络合物仍能在FhuE受体的识别口袋内呈现几何上合理的空间契合。结构叠加显示，尽管Fe-DFO与天然铁载体共享了中央结合腔，但二者识别策略不同，Fe-DFO未与关键残基ARG142形成极性锚定点，而是主要与GLU710形成单一氢键并依赖空间位阻和范德华力维持结构稳定。

在体外实验部分，杀伤浓度（MBC）测定显示，在2048 μg/mL浓度下，DFO能将大肠杆菌菌落恢复减少至检测限以下，表现出一定的浓度依赖性抑细菌恢复效应。同时，细胞毒性实验测算得出其半数细胞毒性浓度（CC₅₀）为444.3 μg/mL，表明在该浓度以下细胞耐受性相对较好，但MBC值远超CC₅₀。

在讨论与结论部分，研究人员指出，尽管结果显示了DFO具备几何与受体结合的潜力并可在体外减少细菌恢复，但鉴于其MBC远高于CC₅₀，这表明在测试浓度下该效应不具备直接的治疗转化价值。因此，当前研究仅作为一项概念验证，证明了去铁胺可作为特异干扰Fhu介导的铁羟肟酸获得了途径的候选结构，而非传统抗生素。局限在于该研究仅聚焦于Fhu途径，且未包含分子动力学模拟等热力学分析。结论重申了大鼠NB模型成功再现了继发于大肠杆菌感染的病理生理学特征，同时为未来利用DFO及类似物在铁限制条件下功能性验证、生物膜测定和在体分配等辅助抗菌干预研究提供了重要的结构性假设基础。