新型羟基吡喃酮、羟基吡啶酮类化合物的合成与铜绿假单胞菌生物膜抑制剂的发现

发布时间：2020-04-23 14:23

【摘要】：目的:细菌耐药性给临床抗感染带来巨大的挑战,细菌生物膜的形成是细菌耐药的一个重要机制。生物膜对细菌耐药、细菌感染、细菌生长都起到重要的作用。生物膜抑制剂可能是克服细菌耐药性的新策略。而生物膜的生长过程受细菌群体感应(QS)系统的调控。本论文设计新型的QS抑制剂作为抗铜绿假单胞菌生物膜药物,为克服细菌耐药性提供指导意义。方法:利用铜绿假单胞生物膜模型,通过高通量筛选实验室的化合物得到2-取代羟基吡喃酮衍生物具有良好的生物膜活性。我们以羟基吡喃酮为母核结构设计合成了五个系列的羟基吡喃酮化合物。并证实它们通抑制QS系统中PQS通路发挥其抗生物膜活性。通过分析PQS系统调控机制发现铁离子与PQS系统调控存在重要的关系,此外研究表明铁离子浓度可以影响生物膜的形成。基于这个分析结果,我们提出设计既具有螯合能力同时又作用于细菌群体感应系统的新型生物膜抑制剂的思路。以群体感应信号分子PQS作为药物模型化合物,对其结构进行模拟改造,利用生物电子等排体药物设计原理以去铁酮的基本结构羟基吡啶酮作为母环代替PQS的喹啉环。同时模拟其它细菌群体感应信号分子Acyl-HSL和OdDHL的酰胺键基团,利用骨架拼接原理得到N-((3-羟基-1,6-二甲基-4-氧-1,4-二氢吡啶-2-基)甲基取代酰胺母体结构。AHL信号分子具有亲水和亲酯的性质,是一类既具有水溶性,且能穿过细菌的物质。因此,以羟基吡啶酮作为亲水基团,在酰胺取代基位置引入疏水性的烷基和环状或芬香环基团;另外对酰胺键进行替换和其位置改变设计化合物。共设计了四个系列衍生物。以曲酸为起始原料,通过还原、羟醛缩合反应得到羟基吡喃酮衍生物。曲酸通过还原、羟醛缩合、羟基保护、胺化、亲核反应、肼解、成酰胺、脱保护基等反应得到羟基吡啶酮衍生物。测定衍生物的最小抑菌浓度(MIC)与对铜绿假单胞菌生物膜的抑制率;利用荧光分光光度法测定羟基吡啶酮衍生物的铁离子螯合常数。结果:本课题合成了羟基吡喃酮衍生物40个,所有化合物均通过~1H NMR、~(13)C NMR和HRMS进行结构确证。根据生物膜抑制实验的结果,总结化合物的SAR:1.苯环的对位被取代对活性有利;2.对位被吸电子基团和柔性长基团取代对活性有利;3.烷基侧链为5-6碳长度活性最好;4.羟基吡啶酮母核替换羟基吡喃酮,活性提高。化合物5g的活性最好,在20M浓度下生物膜抑制率为50.98±1.97%,而且化合物5g抑制QS系统中的PQS通路,不影响QS系统的las,rhl通路。设计合成羟基吡啶酮衍生物33个,所有化合物均通过~1H NMR、~(13)C NMR和HRMS进行结构确证。活性结果显示:羟基吡啶酮衍生物MIC均大于512μM,在20M均有生物膜抑制活性。羟基吡啶酮衍生物的SAR:1.烷基侧链为6-7个碳长度活性最好;2.R基是大环基团或带取代的芬香环基团对活性有利;3.增加环状基团的长度不利于活性;4.当磺胺键替代酰胺键后活性保持,而改变酰胺键位置活性降低。羟基吡啶酮的衍生物的螯合常数均大于19,部分化合物的螯合常数大于阳性对照去铁酮(pFe(III)20)。化合物18d具有出色的生物膜抑制活性,当抑制铜绿假单胞菌生物膜达到50%时,18d的浓度为0.6 nM。结论:本论文发现了抑制QS系统中PQS通路的新型生物膜抑制剂-羟基吡喃酮衍生物。在此,我们提了一种新颖的细菌生物膜抑制剂设计思路:设计既具有铁螯合能力同时又作用于细菌群体感应系统的新型生物膜抑制剂。本论文设计并合成了四个系列的羟基吡啶酮衍生物,它们具有较强的铁螯合能力和出色的生物膜抑制活性。活性结果证实了我们新设计理论的有效性,这为新型生物膜抑制剂的设计提供了一种全新设计理念。找到一个抗生物膜活性达到纳摩尔水平的先导化合物(18d),这为羟基吡啶酮衍生物开发成新型的生物膜抑制剂提供重要的研究基础。
【图文】：

耐药机制,群体水平,靶标

暨南大学硕士学位论文胞膜的通透性，把抗生素药物外排到细菌体外，降低细菌体内药物浓度；3.结构修饰抗生素作用靶标蛋白或表达其他可替换的靶标蛋白，使抗生素药物不能与靶标蛋白结合。在细菌群体水平，细菌耐药主要机制是细菌生物膜（Bacterial biofilmBF）形成，产生一个天然屏障，阻断抗生素进入细菌内，细菌在生物膜内的代谢降低或处于休眠状态[16]。因此，继续开发新型的抗生素已经不能有效的解决细菌耐药性问题，如何避免对细菌生命的直接杀伤作用，寻找新型抗菌药物已经成为目前医药上最亟需的任务之一，寻找新的靶标成为目前抗菌药物的研究趋势[17, 18]。针对细菌耐药机制开发新型的抗菌药物成为研究热点。

生物膜,细菌感染,细菌,细菌耐药性

暨南大学硕士学位论文研究表明，许多久治不愈的慢性细菌感染与细菌生物膜的形成密切相关[23]，如肺囊性纤维化、弥漫性广泛性细支气管炎、牙周炎、慢性前列腺炎、胆道感染、心辨膜性心内膜炎等疾病都与生物膜的形成有关[24]。与游离的单个细胞相比，生物膜中的细菌对抗生素、宿主免疫系统和环境压力的耐药能力增强了 10-1000倍[25]。因此，临床上引起慢性感染的细菌常常采用形成生物膜的生存方式。生物膜是一种高度多因素耐药水平特征的细菌群落，大多数抗生素对浮游细菌有效，但对生物膜内的细菌无效[26, 27]。生物膜的形成使慢性细菌感染的治疗更加难以治愈，且引发并发症增加了治疗成本，延长治疗时间。鉴于细菌生物膜在慢性及顽固性细菌感染和细菌耐药性中的重要影响，，针对细胞水平的细菌耐药机制，开发抑制细菌生物膜形成的抗菌药物具有很好的研究前景，为克服细菌耐药提供一种新策略。
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R914

【参考文献】