真菌源β-内酰胺酶抑制剂的计算机模拟发现及其抗耐药机制研究

　　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）导致的抗生素失效问题，通过分子对接和药代动力学分析，发现化合物2,2,4,4-四甲基-6-(3-甲基丁酰基)环己烷-1,3,5-三酮（Compound 3）具有强结合亲和力和良好成药性，为开发新型β-内酰胺酶抑制剂提供了先导化合物，对解决抗生素耐药性具有重要意义。

　　

随着多重耐药菌的日益泛滥，全球公共卫生面临严峻挑战。其中，肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）作为常见的医院获得性感染病原体，因其能够产生β-内酰胺酶（β-lactamases）而对包括碳青霉烯类和超广谱β-内酰胺类在内的多种抗生素产生耐药。这些酶可水解β-内酰胺类抗生素的活性结构，导致治疗失败。特别是由blaKPC-2、blaCTXM-14和blaTEM-52等基因编码的碳青霉烯酶和超广谱β-内酰胺酶（ESBLs），已成为临床抗感染治疗的重要障碍。

为解决这一难题，研究人员将目光投向天然产物，尤其是源自特殊生境（如温泉）的真菌代谢产物。这些微生物在极端环境下进化出独特的次级代谢途径，其产物具有结构多样性和显著的生物活性潜力。本研究选取来自乌干达基塔加塔温泉（Kitagata Hot Spring）真菌中的三种环己烷三酮衍生物，通过计算机模拟方法评估它们作为β-内酰胺酶抑制剂的潜力。

该研究发表于《Separation and Purification Technology》，通过整合生物信息学、分子对接和药代动力学预测，系统分析了三种化合物与关键β-内酰胺酶的相互作用，并评估了它们的成药性和安全性。

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（PDB: 8B3M）和blaTEM-52（PDB: 1HTZ）的晶体结构，使用Chimera软件去除水分子和杂原子，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（C1–C3），并以临床抑制剂阿维巴坦（Avibactam）作为对照。
3. 3.
   理化与药代动力学分析：通过SwissADME和ADMETlab 3.0平台预测分子量、脂溶性（logP）、溶解度（logS）、胃肠道吸收、蛋白结合率等参数。
4. 4.
   分子对接：使用AutoDock Vina在PyRx软件中对化合物与β-内酰胺酶活性位点进行对接，分析结合能（kcal/mol）和相互作用模式。

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）。Compound 3的logP为2.997，表明其具有适中的亲脂性，有利于膜通透性和口服生物利用度。溶解度方面，Compound 1的logS为-2.404，显示相对较好的溶解特性。

3.2. 化合物的类药性质

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。Compound 3的QED值为0.801，表明其具有较高的药物相似性。此外，所有化合物均未显示PAINS（泛干扰化合物）警报，提示其具备进一步开发的潜力。

3.3. 药代动力学性质

药代动力学预测表明，所有化合物具有中等到高的胃肠道吸收能力，但血脑屏障（BBB）穿透性较低，减少了潜在的中枢神经系统副作用。Compound 3的血浆蛋白结合率（PPB）为88.2%，提示其在体内可能有较长的半衰期。代谢方面，这些化合物主要经由CYP3A4、CYP2C19和CYP2C9酶代谢，但抑制潜力较低。毒性预测显示无致突变、致癌或遗传毒性风险，但Compound 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

分子对接结果显示，Compound 3对三种β-内酰胺酶均表现出最强的结合亲和力，其对接得分分别为：blaTEM-52: -7.1 kcal/mol、blaCTXM-14: -5.9 kcal/mol、blaKPC-2: -6.2 kcal/mol。与阿维巴坦相比，Compound 3对blaTEM-52和blaKPC-2的结合能力接近，而对blaCTXM-14略优。进一步的相互作用分析表明，Compound 3通过氢键与Ser70、Lys73、Glu166等关键催化残基结合，并通过疏水作用与Phe72、Val104等残基稳定结合，显示出良好的活性位点互补性。

本研究通过系统的计算机模拟分析，发现源自温泉真菌的化合物2,2,4,4-四甲基-6-(3-甲基丁酰基)环己烷-1,3,5-三酮（Compound 3）具有较强的β-内酰胺酶抑制潜力。该化合物不仅表现出优异的结合亲和力和类药特性，还具有较低的系统毒性，是一种有前景的先导化合物。与现有抑制剂阿维巴坦相比，Compound 3通过非共价相互作用实现抑制，可能具有新的作用机制。

该研究强调了天然产物在抗菌药物发现中的价值，为应对多重耐药菌感染提供了新的策略。然而，后续仍需通过分子动力学模拟、体外酶抑制实验和体内药效学研究进一步验证其稳定性和有效性。这一发现不仅有助于推动新型β-内酰胺酶抑制剂的开发，也为从极端环境中发掘微生物资源提供了科学依据。