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以FtsZ为靶点的新型3-MBA衍生物的设计、合成及抗菌活性研究

作　者: 齐昀坤
导　师: 马淑涛
学　校: 山东大学
专　业: 药物化学
关键词: 3-甲氧基苯甲酰胺 Ftsz 耐药菌结构修饰抗菌活性
分类号: R96
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

抗生素的广泛应用尤其是滥用已经导致耐药菌的出现和流行,耐药菌感染已经严重威胁人类的健康。目前传播最广的两种耐药菌是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和多重耐药金黄色葡萄球菌(MDRSA)。这两种耐药菌对住院病人造成非常大的威胁,这一威胁正朝社区逼近。面对多重耐药菌,临床上原先使用的高效抗生素活性降低甚至失去抗菌活性。基于以上原因,人们迫切须要研发下一代抗菌药物以对抗日益增加的耐药菌感染。研发新型抗菌药物的首要困难是寻找新的抗菌研发靶点。细菌分裂必需蛋白对于细菌的二分裂是必不可少的,这类蛋白在形态上高度保守且不易变异,是最有希望的一类抗菌研发靶点。细菌体内共存在大约16种分裂必需蛋白,FtsZ是其中的起始蛋白并发挥核心作用。在细菌二分裂过程中,FtsZ水解鸟苷三磷酸,并在细菌中央聚合形成环状的Z环；与此同时,FtsZ招募下游的分裂蛋白。当Z环周围的鸟苷二磷酸浓度升高到阈值时,Z环收缩并促使分裂蛋白复合物形成隔膜,最后两个新细菌彼此分离。Z坏对于绝大多数致病菌的二分裂是必不可少的,而FtsZ的动态聚合和鸟苷三磷酸酶活性对于Z环的生成是缺一不可的。因此,化合物只要抑制FtsZ的动态聚合或抑制FtsZ的鸟苷三磷酸酶活性就能杀灭细菌。诸多化合物特别是天然产物能够强烈抑制FtsZ的理化活性并进而抑制细菌的二分裂。然而,绝大多数FtsZ抑制剂没有体内抗菌活性且无一进入临床研究。目前,只有PC190723被证明具有体内抗菌活性并有望进入临床试验。在诸多FtsZ抑制剂中,3-MBA是最有研发前景的一个先导化合物。与其它先导化合物如A-189和534f6等相比,3-MBA具有两大优势。首先,3-MBA对FtsZ的特异性强、亲和度高。其次,3-MBA能够较容易地穿透细菌细胞,这通常是其它FtsZ抑制剂的限制性因素。3-MBA的代表性衍生物是PC190723。计算机对接模型显示,3-MBA及其衍生物能够与FtsZ上羧基端和H7螺旋之间的裂缝结合。具体结合情况是：苯甲酰胺基团与R191、Q192、N263、V307、和T309等氨基酸组成的口袋结合,起着重要的FtsZ靶向作用；苯氧基的氧原子能够与R191和Q192形成氢键结合,显著增强3-MBA及其衍生物对FtsZ的亲和度；3-MBA的3位侧链能够与1172、E185、N188、1228和1230等氨基酸残基形成的疏水性通道结合,该区域的结合情况很大程度上决定了3-MBA衍生物的体外抗菌活性。目前,3-MBA及其衍生物对FtsZ的调控区域即H7螺旋没有抑制作用。科学家预测,如果3-MBA的3位侧链能够与H7螺旋结合,将大幅提高衍生物的抗菌活性。本论文以FtsZ为抗菌研发靶点,以3-MBA为先导化合物,选取3-MBA的3位甲基为主要结构修饰位点,设计合成了A、B和C三个系列的目标化合物,并系统测定了化合物的体外抗菌活性。在总结三个系列化合物构效关系的基础上,选取抗菌活性较强的化合物A5、A6和A7作为起始化合物进行进一步的结构修饰,而后得到D和E系列目标化合物。所有目标化合物的化学结构均已通过质谱、核磁共振氢谱和红外进行了确认。本论文采用96孔板微量稀释法对目标化合物的体外抗菌活性进行了测定。体外抗菌活性总结如下：针对金黄色葡萄球菌：1)与3-MBA相比,A系列所有化合物对MRSA、耐青霉素金黄色葡萄球菌和敏感型金黄色葡萄球菌(MSSA)的抗菌活性均有显著的提高(MIC8-128μg／ml)。其中A2和A7对三种金葡菌的MIC均为8μg／ml,抗菌活性是3-MBA的256倍。2)除了B1和B9,B系列化合物对三种金葡菌的抗菌活性得到极大的提高(MIC4-128μg/ml)。抗菌活性最强的B5和B12对三种金葡菌的抗菌活性是3-MBA的256～512倍。3)C系列化合物对金葡菌的抗菌活性总体上明显弱于A和B系列化合物。只有C6和C12具有较好抗菌活性(MIC8-32μg/ml)。4)与3-MBA相比,D和E系列化合物体外抗金葡菌活性没有提高,MIC均大于128μg/ml。针对链球菌属菌株：与3-MBA相比,A-E系列目标化合物体外抗六种链球菌的活性没有提高,所有化合物的MIC均大于128μg／ml。通过MIC测定,本论文对目标化合物的构效关系和抗菌谱等进行了深入研究,总结如下：1)大多数3-MBA衍生物对金葡菌属具有较好的体外抗菌活性,但所有的3-MBA衍生物对链球菌属基本没有抗菌活性。这一现象与Stokes教授的研究一致,但具体原因目前还不是很清楚。2)MRSA和耐青霉素金黄色葡萄球菌等耐药菌对3-MBA衍生物尚未产生耐药性。3)3-MBA的3位甲基可以用其它基团取代。用烷烃和卤代烷烃取代甲基能够大幅提高衍生物的抗菌活性；当引入氯代烷烃和溴代烷烃时,烷烃侧链长度以4个碳原子为最佳,过长或过短均会明显降低抗菌活性。4)在3-MBA的3位引入芳环侧链,能够增强抗菌活性,但是侧链长度及末端基团类型对抗菌活性影响较大。在3-MBA的3位引入小极性基团比引入大极性基团具有更强的抗菌活性,这可能是由于3-MBA的3位侧链是与FtsZ上的疏水性通道结合。通过本论文的研究,我们发现：FtsZ是一个非常有希望的抗菌研发靶点,目前尚未被深入研究；在诸多FtsZ抑制剂中,3-MBA是较为理想的抗菌先导化合物,具有很好的研究前景；3-MBA的3位甲基是潜力巨大的结构修饰位点,通过对3位侧链长度及末端基团类型进行深入优化,可以得到抗敏感型和耐药型葡萄球菌活性明显提高的3-MBA衍生物。在以后的研究中,可以进一步探索其它有前景的结构修饰位点,并尝试多位点同时修饰的方法。

全文目录

摘要  8-11
Abstract  11-15
符号说明  15-16
第一章前言  16-49
  1.1 抗菌药物发展历程概述  16-17
  1.2 抗菌药物的分类及作用机制  17-22
    1.2.1 抗生素的分类及作用机制  17-20
    1.2.2 抗菌化学治疗药的分类及作用机制  20-22
  1.3 MRSA  22-26
    1.3.1 MRSA简介  22-23
    1.3.2 MRSA感染的治疗  23
    1.3.3 MRSA的耐药性  23-26
  1.4 FtsZ  26-30
    1.4.1 Z环简介  26-27
    1.4.2 FtsZ：一个新型抗菌药物研发靶点  27-30
  1.5 FtsZ抑制剂  30-47
    1.5.1 利用计算机对接技术寻找FtsZ抑制剂  30
    1.5.2 天然产物  30-35
    1.5.3 全合成化合物  35-42
    1.5.4 3-MBA及其衍生物  42-47
  1.6 小结  47-49
第二章目标化合物的设计  49-56
  2.1 设计思想  49
  2.2 抗菌靶点的选择  49-50
  2.3 先导化合物的选择  50-51
  2.4 先导化合物的修饰  51-53
  2.5 目标化合物的设计  53-56
第三章目标化合物的合成  56-82
  3.1 3-羟基苯甲酰胺的制备  57-58
  3.2 A系列目标化合物的合成  58-62
  3.3 B系列目标化合物的合成  62-67
  3.4 C系列目标化合物的合成  67-72
  3.5 D系列目标化合物的合成  72-77
  3.6 E系列目标化合物的合成  77-82
第四章目标化合物的抗菌活性测定  82-92
  4.1 实验原理  82
  4.2 实验材料  82-83
  4.3 实验方法  83-84
  4.4 测定结果  84-88
    4.4.1 抗金黄色葡萄球菌活性  84-87
    4.4.2 抗链球菌活性  87-88
  4.5 讨论  88-92
第五章总结与展望  92-98
  5.1 总结  92-96
  5.2 展望  96-98
参考文献  98-107
致谢  107-108
附录Ⅰ 目标化合物结构及中英文名称对照  108-120
附录Ⅱ 目标化合物MS、~1H NMR、IR谱图  120-203
研究生期间的学术成果  203-204
学位论文评阅及答辩情况表  204

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