海洋海绵中村阿基斯海绵的抗菌二萜生物碱

《Bioorganic Chemistry》：Anti-microbial diterpene alkaloids from the marine sponge Agelas nakamurai

　　

摘要

对海绵Agelas nakamurai的CH₂Cl₂提取物的化学研究，分离得到了7个未报道的N-甲基嘌呤二萜生物碱，即nakamuranine A–G（1–7），此外还获得了（+）-8-epiagelasine T、agelasine D和（+）-agelamide D。通过广泛的光谱数据分析，包括用于绝对构型确定的ECD计算，对它们的结构进行了表征。这些类似物被检测了抗菌活性，其中nakamuranines E-G和agelasine D对S. aureus（ATCC 29213）和MRSA（T144）表现出强烈的抑制作用，MIC = 1–2 μg/mL。机制研究表明，这些具有生物活性的类似物作用于细胞膜，靶向细菌特有的磷脂PG并破坏膜完整性，从而发挥快速且强效的抗菌效果。

引言

Agelas属海洋海绵长期以来被认为是结构独特且生物活性强的次级代谢产物的丰富来源[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，其中agelasine类生物碱代表了一类独特的二萜-腺嘌呤杂合物。自首次分离以来，它们因复杂的结构特征和广泛的生物活性而引起了科学界的极大兴趣，包括细胞毒性[7]、[8]、[9]、[10]、抗疟疾活性[3]、[11]、[12]，以及特别是抗菌特性[7]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。

抗菌素耐药性（AMR）的上升迫切需要寻找新的化学骨架，而已知的二萜N-甲基嘌呤杂合骨架agelasines已显示出对各种致病细菌和真菌的强效且选择性活性。天然和合成衍生物对临床上相关菌株如金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌和粪肠球菌显示出MIC值范围为2至16 μg/mL[7]、[12]。初步的构效关系（SAR）研究表明，二萜链的长度和立体化学显著影响膜的渗透性和靶标相互作用[18]。尽管agelasines的具体靶标机制尚未完全阐明，但其作用方式被认为涉及与细胞膜的相互作用或抑制关键酶[19]。疏水性的二萜单元可能促进穿透细菌细胞壁，而离子性的腺嘌呤头部可能与细胞内靶标相互作用或破坏膜电位。此外，agelasines已被发现能抑制Na⁺、K⁺-ATPase，表明其潜在机制涉及离子转运干扰，这可能有助于其广泛的生物活性[20]。这些结果凸显了此类生物碱在临床治疗耐药细菌感染中的潜力。在本研究中，我们对海绵Agelas nakamurai的代谢物进行了深入的结构性探索。代谢物谱最初通过基于LC-MS/MS数据的全天然产物社会（GNPS）分子网络方法进行了分析[21]、[22]。一个主要分子簇被表征为与agelasines相关的二萜生物碱，这依赖于agelasine B、agelasine U、agelamide D等已知类似物的节点注释。然而，仍有许多节点未被鉴定，意味着有许多未报道的衍生物有待探索（Scheme 1）。在LC/MS和NMR推演出的结构特征指导下，分离并表征了10个agelasine型二萜生物碱，其中包括7个新结构（1–7）（Fig. 1）。对这些化合物的功能研究聚焦于其抗菌活性和机制[23]、[24]。

章节摘要

结构解析

Nakamuranine A（1）以白色无定形粉末形式获得。其分子式由HRESIMS（m/z 422.3274 [M]⁺）确定为C₂₆H₄₀N₅，需要十个不饱和度。1的¹H NMR数据显示了五个甲基单峰，位于δ_H 1.81、1.68、0.85、0.83和0.72，以及N-甲基腺嘌呤部分的典型共振峰，包括H-2′（δ_H 8.48, s）、H-8′（δ_H 9.53, s）和N-甲基（δ_H 3.89, s）（Table 1）。¹³C NMR数据呈现了26个碳共振峰，其中质子化碳被分配为

一般实验方法

柱色谱使用硅胶（200–300目，青岛海洋；H硅胶；Merck 300–400目）、ODS（50 μm，Daiso）、Sephadex LH 20（Amersham Pharmacia Biotech，Staffanstorp，瑞典）进行。HPLC分析使用Shimadzu SPD M20A二极管阵列检测器和YMC Triart C18柱（250 × 4.6 mm，5 μm）进行。半制备HPLC：Alltech仪器（426 HPLC泵，美国肯塔基州Nicholasville）配Alltech uvis 200检测器（210和230 nm）；色谱柱：YMC Triart C18和Waters Sunfire

结论

本研究鉴定出的二萜生物碱是海绵Agelas的独特成分，该物种持续暴露于海洋底栖环境中的微生物挑战。二萜骨架和嘌呤碱基分别源于其次级代谢和初级代谢。它们作为基本的化学模块，在生物体内无需复杂修饰即可产生高效抗菌分子，展示了海绵物种独特的化学防御能力。

CRediT作者贡献声明

孙若锋：撰写 – 初稿，调查。陈尚：调查。程伟：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，验证，监督，项目管理，获取资金。林文翰：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金委员会资助（22277004）。

孙若锋 | 陈尚 | 程伟 | 林文翰

北京大学天然药物及仿生制药国家重点实验室，北京 100191，中国