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细菌感染一直严重威胁着人类的健康。抗生素自从第二次世界大战以来,就一直被广泛地用于细菌感染性疾病的治疗。然而,由于抗生素的滥用导致了世界范围内细菌耐药性的出现和流行。许多临床上本来起作用的抗生素失效,这为细菌感染性疾病的治疗带来了巨大的困难。因此,开发具有新作用机制的抗菌药物迫在眉睫。因为细菌细胞分裂蛋白FtsZ在细胞分裂中发挥的重要作用,它被认为是一个非常有潜力的抗菌药物靶点。近年来以FtsZ为靶点的抗菌药物的研究开发受到了广泛关注。
目前,FtsZ抑制剂中的苯甲酰胺类衍生物是研究的热点。这一类化合物作用于FtsZ蛋白中C端区域和螺旋H7之间的疏水性口袋简称PC位点。根据文献报道,对2,6-二氟-3-羟基苯甲酰胺(2,6-difluoro-3-hydroxybenzamide,DHBA)的3位羟基进行结构改造是获得FtsZ抑制剂的有效策略之一。基于此,本论文以DHBA为关键中间体,保留其能与PC位点形成关键疏水作用和氢键作用的2,6-二氟-苯甲酰胺结构片段,在其3位酚羟基上引入不同的烷基和芳烷基侧链,设计合成了A2F、B2F、C2F和D2F四个系列共42个目标化合物。
本论文以姜黄素(curcumin,CUR)为阳性对照化合物,采用微量稀释法对A2F-D2F所有目标化合物以及关键中间体DHBA的抗菌活性和靶向活性进行了测定。抗菌活性和靶向活性总结如下:
1.抗菌活性:
1)A2F-D2F系列中的绝大多数目标化合物对枯草芽孢杆菌的抗菌活性优于DHBA,对敏感肺炎链球菌和敏感化脓性链球菌的抗菌活性优于DHBA和CUR。A2F-C2F系列中的绝大多数目标化合物对三种金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性优于DHBA和CUR。
2)所有目标化合物中,化合物A2F5和B2F9对敏感金黄色葡萄球菌的抗菌活性最显著,MIC均为1.0μg/mL,分别是DHBA和CUR的1024倍和2048倍。此外,化合物B2F4、B2F7、C2F5和C2F10也具有较强的抗敏感金黄色葡萄球菌活性(MIC在2.0-4.0μg/mL之间)。
3)所有目标化合物中,化合物A2F5、B2F4和C2F5对枯草芽孢杆菌的抗菌活性最显著(MIC分别为0.25、0.50和0.50μg/mL),分别是DHBA的4096倍、2048倍和2048倍。此外,化合物B2F2-B2F3、B2F7、B2F9和C2F10也具有较强的抗枯草芽孢杆菌的活性(MIC在1-4μg/mL之间)。
2.靶向活性:
1)A2F-C2F系列中的绝大多数目标化合物对敏感金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细胞分裂抑制活性优于DHBA和CUR,对枯草芽孢杆菌的细胞分裂抑制活性优于DHBA。所有D2F系列目标化合物对大肠杆菌的细胞分裂抑制活性与DHBA和CUR的相当,少数D2F系列目标化合物对敏感金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌无靶向活性。
2)所有目标化合物中,化合物A2F5对敏感金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的细胞分裂抑制活性最显著,最小细胞分裂抑制浓度分别为0.25和0.125μg/mL。化合物B2F4对敏感金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的细胞分裂抑制活性也较为突出,最小细胞分裂抑制浓度分别为0.50和0.25μg/mL。此外,化合物A2F4、B2F2、B2F7-B2F9、C2F5和C2F10对敏感金黄色葡萄球菌也具有较强的细胞分裂抑制活性(最小细胞分裂抑制浓度在1-4μg/mL之间),化合物A2F4、B2F2、B2F3、B2F5、B2F7-B2F8和C2F10对枯草芽孢杆菌的最小细胞分裂抑制浓度在1-2μg/mL之间,同样表现出较强的细胞分裂抑制活性。
通过对目标化合物的MIC和最小细胞分裂抑制浓度进行分析,我们总结出如下构效关系:
1)在DHBA的3位引入带支链的烷烃侧链,活性优于引入环烷烃和带酯基的烷烃侧链,并且,在8个碳的支链烷烃侧链范围内,随着引入烷烃侧链长度的增长,对革兰氏阳性菌的抗菌活性和靶向活性也随之增强。而在烷烃侧链的末端引入的卤素原子的类型不同,对化合物的抗菌活性和靶向活性几乎无影响。
2)在DHBA的3位引入苄基侧链,能够增强抗菌活性和靶向活性,而且,苄基的间位引入氯原子、甲基等取代基优于邻位或对位引入卤素原子、甲基、硝基等取代基。
3)在DHBA的3位末端引入1H-苯并咪唑结构,抗菌活性和靶向活性均不理想。1H-苯并咪唑结构与3位酚羟基的氧原子之间碳链长度的改变和在1H-苯并咪唑结构中的6位上引入硝基均对抗菌活性和靶向活性影响不大。
综上所述,本文针对FtsZ的PC位点设计合成了A2F-D2F四个系列,共计42个3-芳烷氧基-2,6-二氟苯甲酰胺衍生物,其结构通过MS、1HNMR和IR等光谱分析方法进行了确认。在此基础上,我们采用微量稀释法对所有目标化合物的抗菌活性和靶向活性进行了系统评价,得到了若干个活性较突出的FtsZ抑制剂。同时,还根据活性结果对这四个系列的目标化合物进行了构效关系和分子对接分析。通过本论文的研究,为苯甲酰胺类FtsZ抑制剂构效关系的进一步研究提供了重要的理论指导,也为FtsZ抑制剂的研究开发提供了新的思路。