真菌代谢物作为β-内酰胺酶抑制剂的计算机筛选与分子机制研究：对抗多重耐药肺炎克雷伯菌的新策略

　　本研究针对多重耐药肺炎克雷伯菌产生的β-内酰胺酶（如blaKPC-2、blaCTXM-14和blaTEM-52）导致的抗生素耐药问题，通过计算机模拟和分子对接技术，筛选出来自真菌的三种代谢物作为潜在抑制剂。结果表明化合物3（2,2,4,4-Tetramethyl-6-(3-methylbutanoyl)cyclohexane-1,3,5-trione）具有最强的结合亲和力、良好的药代动力学特性和低毒性，为开发新型β-内酰胺酶抑制剂提供了重要先导化合物，对解决抗菌药物耐药性具有重要意义。

　　

随着抗菌药物耐药性（AMR）的全球蔓延，多重耐药菌株尤其是产β-内酰胺酶的肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）已成为临床感染的重大威胁。这类细菌通过产生碳青霉烯酶（如KPC-2）和超广谱β-内酰胺酶（ESBLs，如CTXM-14和TEM-52），能够水解β-内酰胺类抗生素，导致治疗失败。目前临床上使用的抑制剂如阿维巴坦（Avibactam）虽有一定效果，但耐药性问题仍在加剧，迫切需要开发新型抑制剂。

在这一背景下，研究人员将目光投向天然产物，特别是源自极端环境的真菌代谢物。乌干达基塔加塔温泉（Kitagata Hot Spring）中的嗜极真菌能够产生结构独特、具有潜在生物活性的次级代谢产物。本研究通过计算机模拟（in silico）方法，从三种真菌衍生的环己烷三酮类化合物中筛选具有β-内酰胺酶抑制潜力的先导分子，旨在为应对多重耐药菌提供新的解决方案。该研究发表于《In Silico Research in Biomedicine》，系统评估了这些化合物的结合机制、药代动力学特性及毒性风险，为后续实验验证与开发奠定了基础。

为开展本研究，作者主要采用了以下几项关键技术方法：

1. 1.
   蛋白质结构准备：从蛋白质数据库（PDB）获取blaKPC-2（PDB: 6J8Q）、blaCTXM-14（8B3M）和blaTEM-52（1HTZ）的晶体结构，使用UCSF Chimera进行去水、加氢和电荷优化；
2. 2.
   配体准备：选取来自真菌代谢物的三种化合物（1–3）及对照药物阿维巴坦，通过GC-MS分析获得其结构；
3. 3.
   理化与药代性质预测：利用SwissADME和ADMETlab 3.0评估分子量、脂溶性（logP）、溶解性（logS）、胃肠道吸收、蛋白结合率等；
4. 4.
   分子对接：采用AutoDock Vina（集成于PyRx软件）将配体对接到β-内酰胺酶活性位点，使用Discovery Studio Visualizer分析氢键、疏水作用等关键相互作用。

研究结果如下：

3.1. 化合物的理化性质

通过SwissADME分析显示，所有化合物的分子量在252.14–314.15 g/mol之间，符合Lipinski五规则（Rule of Five）。化合物3的脂溶性最高（logP=2.997），溶解度适中，提示其具备较好的口服生物利用度潜力。

3.2. 类药性质

所有化合物均符合Lipinski、Pfizer和Golden Triangle规则，未出现任何类药性违规，表明它们适合作为口服药物进一步开发。

3.3. 药代动力学性质

所有化合物表现出中等到高程度的胃肠道吸收，但血脑屏障（BBB）穿透性低，降低了中枢神经副作用风险。化合物3的血浆蛋白结合率（PPB）最高（88.2%），提示其在体内可能有较长的滞留时间。此外，细胞色素P450酶（CYP3A4、CYP2C19、CYP2C9）代谢预测显示这些化合物不易抑制CYP，药物相互作用风险较低。排泄方面，半衰期（T_1/2）较短（0.322–0.437小时），表明它们会快速清除。

毒性预测表明，所有化合物无致突变、致癌或遗传毒性风险，但化合物3的皮肤致敏性评分较高，需进一步优化。

3.4. 分子对接与对接分析

对接结果显示，化合物3对三种β-内酰胺酶均表现出最强结合亲和力，其对接得分分别为：blaTEM-52（-7.1 kcal/mol）、blaCTXM-14（-5.9）、blaKPC-2（-6.2），与阿维巴坦相当甚至更优。进一步分析表明，化合物3与blaKPC-2的催化残基Ser70、Lys73和Glu166形成多个氢键，并与Phe72、Val104发生疏水相互作用，稳定结合于酶活性中心，可能通过非共价、变构机制抑制酶活性。化合物1和2结合较弱，未能完全占据活性位点。

4. 讨论

本研究通过计算机模拟全面评估了三种真菌代谢物作为β-内酰胺酶抑制剂的潜力。化合物3不仅在结合亲和力上表现最佳，其药代动力学特性和安全性预测也最为理想，符合开发为口服药物的基本要求。与已知抑制剂阿维巴坦相比，化合物3通过非共价结合模式发挥作用，可能具有新的抑制机制，避免现有耐药性问题。然而，该结论仍需通过分子动力学（MD）模拟和体外酶抑制实验加以验证。

5. 结论

化合物3（2,2,4,4-Tetramethyl-6-(3-methylbutanoyl)cyclohexane-1,3,5-trione）被确定为一种潜在的β-内酰胺酶抑制剂，其对多重耐药肺炎克雷伯菌的关键耐药酶具有高亲和力、良好的类药性质和较低毒性，具备成为新型抗菌先导化合物的潜力。这一发现不仅凸显了真菌天然产物在药物发现中的价值，也为应对全球抗生素耐药性挑战提供了新思路。

该研究由Kadai Alhaji Lawan、Ismail Abiola Adebayo、Hussain Yahaya Ungokore、Eilu Emmanuel、Ilemobayo Victor Fasogbon和Saheed Adekunle Akinola合作完成，所有作者均对研究设计、数据分析与论文撰写做出了贡献。本研究未接受任何资金资助，所有数据均来源于已发表文献。