吡唑啉席夫碱衍生物作为抗菌剂的合成、计算机辅助研究及体外评价

《Letters in Drug Design & Discovery》：Synthesis, In Silico Approaches and In Vitro Evaluation of Pyrazoline Schiff Base Derivatives as Antimicrobial Agents

　　

中文摘要翻译：吡唑啉席夫碱是一类含氮杂环化合物，具有多种生物活性，有望开发为抗菌剂。本研究合成并表征了新型含吡唑啉杂环化合物，预期其具有抗菌活性，并通过计算研究进行了筛选。研究旨在设计并合成新的吡唑啉席夫碱衍生物，评估其理化性质及体外抗菌特性。新设计的化合物对微生物感染最具针对性，因此合成新药分子对社会健康问题至关重要。方法部分首先对受试化合物进行了计算机模拟研究、理化性质及抗菌筛选。以对氯苯甲醛（1）与对氨基苯乙酮（2）在氢氧化钠水溶液中反应得到查尔酮化合物（3），再与水合肼（4）及醇性冰醋酸反应生成中间体（5），随后与不同取代苯乙酮（6）在乙醇性冰醋酸中反应，得到一系列吡唑啉-席夫碱化合物（7W1-W6）。采用薄层色谱（TLC）、熔点（M.P.）、红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）和质谱等方法对衍生物进行了分析和确认。此外，利用在线软件评估了目标化合物的ADMET性质和相似性。通过分子对接研究阐明了含吡唑啉化合物与关键蛋白靶点之间的相互作用。结果与讨论部分成功合成并表征了目标化合物（7W1-W6），其中W2和W5对DNA旋转酶和二氢叶酸还原酶表现出良好的结合亲和力，且与标准药物具有相似性。对接结合自由能（-8.0、-9.9、-8.3、-10.8 kcal/mol）和相似性结果良好。体外抗菌测试表明，吡唑啉席夫碱靶标对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和白色念珠菌具有显著功效。化合物W2（抑菌圈ZOI分别为23、22、21 mm，最低抑菌浓度MIC=25）和W5（ZOI分别为21、21、22 mm，MIC=25）在计算机模拟和体外评价中均表现出良好的抗菌活性。结论表明，分子对接、相似性及生物学评价结果均显示吡唑啉席夫碱靶标作为抗菌剂具有良好前景，尤其是W2和W5。

论文解读：

研究背景方面，杂环化合物在药物化学中具有重要地位，其多样化的抗菌特性使其成为新药研发的热点。吡唑啉席夫碱作为含氮杂环化合物，由吡唑啉（吡唑的二氢衍生物）与席夫碱（由伯胺和羰基缩合形成，含-C=N-官能团）结构组合而成，兼具两类活性骨架的优点。目前抗菌药物耐药性问题日益严重，微生物感染的治疗面临严峻挑战。DNA旋转酶（DNA gyrase）和二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase, DHFR）已被确认为抗菌药物设计的关键靶点，抑制这些酶可阻断微生物的生长或导致细胞死亡。然而，现有药物因耐药性及不良反应等问题亟需开发新型高效的抗菌分子。本研究旨在设计合成一系列新型吡唑啉席夫碱衍生物，通过计算机辅助筛选和体外抗菌实验评估其作为抗菌剂的潜力，以期为解决社会健康问题提供新的候选药物。

研究人员以对氯苯甲醛和对氨基苯乙酮为原料，在氢氧化钠水溶液中发生缩合反应生成查尔酮中间体，再与水合肼在醇性冰醋酸中回流环化得到4-(5-(4-氯苯基)-1H-吡唑-3-基)苯胺中间体，最后与六种不同取代的苯乙酮在乙醇性冰醋酸中缩合，合成了一系列吡唑啉席夫碱目标化合物（7W1-W6）。通过薄层色谱（TLC）监测反应进程，采用熔点测定、红外光谱（FT-IR）、核磁共振氢谱（1H NMR）、碳谱（13C NMR）和质谱（HRMS）等手段对产物进行了结构表征。在计算机模拟方面，利用SwissADME在线工具评估了化合物的吸收、分布、代谢、排泄（ADME）性质及理化参数；通过相似性评价计算化合物与标准药物（环丙沙星、氟康唑）的相似度；使用AutoDock Vina软件进行分子对接研究，以DNA旋转酶（PDB: 7FVT）和二氢叶酸还原酶（PDB: 4HOF）为靶蛋白，预测化合物的结合亲和力，并通过重对接（redocking）方法验证对接网格的准确性。体外抗菌活性采用琼脂孔扩散法测定抑菌圈（ZOI）和最低抑菌浓度（MIC），受试菌株包括枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、大肠杆菌（Escherichia coli）和白色念珠菌（Candida albicans），并以环丙沙星和氟康唑作为标准对照药物。此外，利用Protox 3.0在线软件预测了化合物的肝毒性、致突变性、细胞毒性和心脏毒性等毒理学参数。

研究结果包括以下方面：合成与结构表征结果表明，所有目标化合物（7W1-W6）均成功合成，产率42%～51%，熔点42～155 °C，TLC Rf值在0.49～0.70之间。FT-IR光谱显示了芳香和脂肪族C-H伸缩振动峰（2950～3155 cm^-1和2780～2900 cm^-1）以及C=N、C=C等特征吸收峰。1H NMR谱显示甲基单峰在δ 3.35～3.84 ppm，吡唑啉环质子信号在δ 2.50～2.88 ppm。13C NMR谱中所有芳香碳在δ 115～168 ppm范围内。HRMS证实W2的分子离子峰m/z为386.14（[M+H]⁺）。ADME与理化性质预测显示，化合物W2和W4符合Lipinski规则（0个违反），其余化合物有1个违反；所有化合物的合成可及性评分在2.90～3.88之间，生物利用度评分为0.55，表明其具有良好的类药性。相似性评价显示，W5对环丙沙星的相似度为52%，W2对氟康唑的相似度为82%，说明这些化合物与标准药物在理化参数上具有较高相似性。分子对接结果表明，所有目标化合物对DNA旋转酶（7FVT）的结合自由能在-7.8～-8.3 kcal/mol之间，对二氢叶酸还原酶（4HOF）的结合自由能在-9.1～-10.8 kcal/mol之间，均优于标准药物环丙沙星（-6.9 kcal/mol）和甲氧苄啶（-7.5 kcal/mol）。其中W2（-8.0和-9.9 kcal/mol）和W5（-8.3和-10.8 kcal/mol）表现出最强的结合亲和力。重对接验证的RMSD值表明对接方法可靠。毒性预测表明，所有化合物对所列受体均表现为非活性（概率0.52～0.87），但W2和W4具有潜在致突变性风险（概率0.85和0.76），其余化合物无致突变性。体外抗菌活性显示，W2对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抑菌圈分别为23、22、21 mm，MIC均为25 μg/mL；W5的抑菌圈分别为21、21、22 mm，MIC均为25 μg/mL，与标准药物环丙沙星（ZOI=24、23、25 mm，MIC=25）和氟康唑（ZOI=23、25 mm，MIC=25）相当。其他化合物活性较低，MIC值在50～200 μg/mL之间。构效关系（SAR）分析表明，苯乙酮苯环上取代基的电子效应和位置显著影响抗菌活性，其中对氨基（W2）和对溴（W5）取代基有利于增强活性。

讨论部分指出，吡唑啉席夫碱衍生物通过与DNA旋转酶和二氢叶酸还原酶的活性位点形成氢键、疏水相互作用等非共价作用，从而抑制微生物生长。计算机模拟结果与体外实验数据具有良好的相关性，验证了所设计化合物的合理性。研究局限性包括合成路线优化和全面抗菌筛选受经费和时间限制未能深入展开。研究结论表明，新合成的吡唑啉席夫碱衍生物（7W1-W6）成功实现了设计目标，其中W2和W5在计算机模拟和体外抗菌实验中均表现出优异的潜力，优于或等同于标准药物，可作为新型抗菌药物研发的先导化合物。本研究为吡唑啉席夫碱类抗菌剂的进一步结构优化和开发提供了科学依据。