真菌源β-内酰胺酶抑制剂的计算机模拟发现及其对多重耐药肺炎克雷伯菌的潜在抑制作用

　　本研究针对多重耐药肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）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，通过分子对接和药代动力学模拟，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重要候选分子。

　　

随着抗生素的广泛使用，细菌耐药性已成为全球公共卫生领域的重大挑战。其中，多重耐药肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）引起的感染尤其令人担忧，该菌能够产生多种β-内酰胺酶（β-lactamases），包括碳青霉烯酶（carbapenemases）和超广谱β-内酰胺酶（ESBLs），这些酶能够水解β-内酰胺类抗生素，导致治疗失败。基因blaKPC-2、blaCTXM-14和blaTEM-52是常见的耐药基因，其编码的酶使细菌对碳青霉烯类和头孢类抗生素产生耐药性。目前，临床上使用的β-内酰胺酶抑制剂如阿维巴坦（Avibactam）虽有一定效果，但耐药菌株的不断出现亟需开发新型抑制剂。

在这一背景下，天然产物尤其是真菌次生代谢产物成为新药发现的重要来源。乌干达Kitagata热泉中的极端环境真菌能够产生结构独特、生物活性多样的化合物，这为发现新型抗菌剂提供了宝贵资源。本研究通过计算机模拟方法，评估了三种真菌来源的环己烷三酮类化合物作为β-内酰胺酶抑制剂的潜力，旨在为应对抗生素耐药性提供新策略。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   蛋白质结构准备：从蛋白质数据库（PDB）获取blaKPC-2（PDB ID: 6J8Q）、blaCTXM-14（8B3M）和blaTEM-52（1HTZ）的晶体结构，使用UCSF Chimera软件去除水分子、配体和杂原子，加氢和电荷优化。
2. 2.
   配体准备：化合物1（6-异丁酰基-2,2,4,4-四甲基环己烷-1,3,5-三酮）、化合物2和3（2,2,4,4-四甲基-6-取代酰基环己烷三酮）源自Kitagata热泉真菌代谢物的GCMS分析，与阿维巴坦对比。
3. 3.
   药代动力学和类药性评估：使用SwissADME和ADMETlab 3.0在线工具预测理化性质、吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADMET）参数。
4. 4.
   分子对接：运用AutoDock Vina算法在PyRx软件中进行对接，设定酶活性中心坐标，通过结合能和相互作用分析评估抑制潜力。

3.1. 化合物的理化性质

通过SwissADME分析表明，所有化合物的分子量（252.14–314.15 g/mol）和脂溶性（logP 1.885–2.997）符合Lipinski五规则，提示具有良好的口服生物利用度。化合物3具有较高的logP（2.997）和适中的溶解度，显示出最优的成药性特征。

3.2. 化合物的类药性质

所有化合物均符合Lipinski、Pfizer和GoldenTriangle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。化合物3的合成可及性（SAscore为Easy）和类天然产物评分（NPscore 0.892）进一步支持其作为先导化合物的潜力。

3.3. 化合物的药代动力学性质

胃肠吸收预测显示化合物1和2具有较好的肠道渗透性，而所有化合物的血脑屏障（BBB）渗透性均较低，减少了中枢神经系统副作用的风险。化合物3的血浆蛋白结合率（PPB）高达88.2%，提示其在体内可能有较长的半衰期和较高的系统暴露。代谢方面，所有化合物主要通过CYP3A4、CYP2C19和CYP2C9途径代谢，对细胞色素P450酶抑制较弱。排泄参数显示所有化合物的半衰期较短（0.322–0.437小时），表明它们会快速被清除。毒性预测表明，这些化合物无遗传毒性、致癌性和致突变性，但化合物3的皮肤致敏性评分较高，需进一步优化。

3.4. 分子对接和对接分析

分子对接结果显示，化合物3对三种β-内酰胺酶均表现出最强的结合亲和力（结合能：blaTEM-52为-7.1 kcal/mol，blaCTXM-14为-5.9 kcal/mol，blaKPC-2为-6.2 kcal/mol），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和Val104产生疏水相互作用，从而稳定结合在活性口袋内。与阿维巴坦的共价抑制机制不同，化合物3可能通过非共价相互作用发挥变构抑制效应。

4. 讨论

本研究通过计算机模拟方法全面评估了三种真菌代谢产物作为β-内酰胺酶抑制剂的潜力。化合物3不仅在结合亲和力方面表现突出，其药代动力学特征和安全性也优于或类似于现有抑制剂阿维巴坦。该化合物的结构互补性和相互作用模式表明，它可能通过阻断酶活性中心而恢复β-内酰胺抗生素的疗效。然而，这种基于非共价作用的抑制机制仍需通过分子动力学（MD）模拟和体外酶活性实验进一步验证。

5. 结论

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）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强效结合能力。该化合物具备良好的类药性和安全性，有望成为新型抗菌药物的先导化合物。后续研究应聚焦于分子动力学模拟、体外抑酶实验和体内药效评价，以推动其向临床应用转化。

该研究发表于《Separation and Purification Technology》，强调了天然产物在药物发现中的价值，并为应对全球抗生素耐药性挑战提供了新的科学依据。