通过对苯并呋喃化合物TAM16进行骨架替换得到的一系列4H-色烯-4-酮衍生物，并对这一系列衍生物的抗结核活性进行了测试，发现化合物8d对药物敏感和耐药结核病具有活性。初步的可药性评估表明，化合物8d具有良好的小鼠和人类微粒体稳定性、低细胞毒性和可接受的口服生物利用度。体内研究表明，化合物8d在治疗3周后对急性结核病小鼠模型显示出适度的疗效。因此，8d是一种很有前途的抗结核先导化合物。
分子对接(Molecular docking) 是基于结构药物设计的核心模拟手段，依据受体与配体作用时的几何匹配和能量匹配过程，模拟受体-配体相互作用，预测两者间最佳的结合模式和结合亲和力。采用分子对接模拟技术，科研人员可以进行基于结构的药物虚拟筛选，药物分子的结构改造，配体和受体相互作用的机理研究等工作，从而大大提高实验效率。在BIOVIA Discovery Studio这一分子模拟的综合平台中，分子对接程序包含Libdock、CDOCKER、Flexible Docking，这三种对接算法各有优势，能够满足广大科研工作者的多种应用需求，为其提供配体受体间相互识别的“利器”。
ref：European Journal of Medicinal Chemistry. Accepted：January 2020, IF=5.572
链接：https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2020.112075
一、研究背景
结核病是全球十大死亡原因之一，根据世界卫生组织的数据，在2018年，估计有1000万新的结核病例，约有120万人死于结核病。此外，大约有50万新的耐利福平结核病病例，其中78％是耐药结核病。因此，迫切需要新的抗结核药物。结核分枝杆菌的细胞壁对其生存力和毒力至关重要。因此，细胞壁合成酶是抗结核药物开发的诱人靶标。分支杆菌酸是长链脂肪酸，对分支杆菌细胞壁的通透性和完整性很重要。破坏霉菌酸的生物合成途径是发现抗结核药物的一种策略，已被许多当前的一线和二线抗结核药物。聚酮化合物合酶13 (Pks13)在霉菌酸合成中执行最后的组装步骤。Pks13催化羧酰辅酶A和巯基叶酰AMP之间的克莱森型缩合反应，产生霉菌性的β-酮酸酯，并通过硫酯键连接到Pks13的C末端(C-ACP)域。Pks13的硫酯酶(TE)结构域可裂解该硫酯键，并在分支杆菌的β-酮酸酯和TE结构域的Ser1533之间形成酯键。然后，Pks13的TE域将缩合产物转移到海藻糖上，以合成海藻糖单霉酸酯(TMM)的前体。
因此，抑制Pks13会干扰霉菌酸合成的关键途径，并杀死结核分枝杆菌。最近，已经报道了少数Pks13抑制剂，所以Pks13是开发新结核病药物的潜在药物靶标。含有N、O或S的杂环是合成许多抗结核药的关键基团，例如咪唑并[1,2-a]吡啶、喹诺酮、噻唑、苯并噻嗪硫酮、吡啶、吲哚和1,3,4-恶二唑。
基于Pks13对结核分枝杆菌存活的必要性以及杂环化合物在抗结核药物开发中的应用，在这项研究中，我们通过以骨架为苯并呋喃的化合物TAM16来开发抗结核病化合物。含有4H-色烯-4-酮的杂环化合物对结核分枝杆菌H37Rv和耐药结核病分离株表现出良好的活性。
二、Pks13抑制剂的设计
已知抑制剂TAM16可阻断Pks13-硫酯酶(TE)域的活性位点。分析TAM16与Pks13的结合模式可知，TAM16的羰基氧与Asn1640的氨基氢之间以及TAM16的羟基与Asp1644的羟基氢与Gln1633的羰基氧之间可形成氢键作用。TAM16的哌啶环与残基形成范德华堆积相互作用。在晶体结构信息的指导下，我们使用骨架替换的方法得到了含4H-色烯-4-酮骨架的化合物8a，并分析化合物8a和Pks13的结合模式，发现8a和Pks13-TE域的结合模式与TAM16类似的构象。此外，对接结果表明8a的6-OH与Asp1644的羟基氢之间形成了氢键相互作用，以及8a的4’-OH与Gln1633的羰基氧与Ser1636的羟基氢之间存在氢键相互作用。化合物8a的哌啶环也与残留的Tyr1663形成范德华堆积相互作用。基于这些结果，首先合成并评估了化合物8a，其对结核分枝杆菌H37Rv表现出中等的MIC(3.84 mg/mL)，因此通过对8a进行基于结构的优化。在4H-色烯-4-酮中，对R1，R2和R3进行修饰，得到一系列化合物，并对生物活性进行活测试和构效关系分析，最终得到化合物8d具有低毒性和高SI值。
三、化合物8d的作用机制分析
评估了化合物8d (MIC：<1 mg/mL)对Vero细胞的毒性，并计算了选择性指数(SI)值。化合物8d具有低毒性和高SI值，并且对小鼠和人的肝微粒体表现出优异的代谢稳定性。为了研究化合物8d与PKs13的结合模式，使用了BIOVIA Discovery Studio2018中的CDOCKER进行了分子对接。分析结合模式发现化合物8d的羟基氢与ASP1644的羟基氧、Gln1633的羰基氧和Ser1636的羟基氢之间形成了氢键相互作用。8d的4H-色烯-4-酮骨架与Phe1670形成π-π相互作用，而8d的氮杂环丁烷环形成与Tyr1663形成了范德华相互作用。这与TAM16中哌啶的结合模式一致。
四、结论
为了开发新型的Pks13抑制剂。作者采用BIOVIA Discovery Studio中的CDOCKER的分子对接的方法对先导化合物8a进行设计改造并合成了一系列化合物，并对其体外和体内活性进行了评估。通过SAR分析可知2位的芳基对活性至关重要，而4-羟苯基取代基对活性有利。在4H-色烯-4-酮骨架的3位上的氢具有最佳活性，5位上具有仲胺环的化合物显示出对结核分枝杆菌的有效活性。对8d与Pks13的结合模式分析可知Asp1644，Gln1633和Ser1636与8d形成了关键氢键相互作用。活性测试可知8d对耐药结核病分离株具有活性，并且初步药物性评估显示，小鼠和人的微粒体稳定性良好，细胞毒性低，并且口服生物利用度可接受。因此，化合物8d可作为潜在的抗结核先导化合物。所以，通过分子模拟的方法可以指导新型药物分子的设计和改造，大大加快新药设计的速度，节省创制新药工作的人力和物力。
图1 (A)基于苯并呋喃的抗结核病药物的设计策略；
(B) TAM16和(C) 8a分别与Pks13的结合模式
图2 化合物8d与PKs13的结合模式
为什么选择Discovery Studio？
1. BIOVIA Discovery Studio 中共有三种对接程序，这三种对接算法各有优势，能够满足广大科研工作者的多种应用需求；
2. BIOVIA Discovery Studio 中有多种对接结果的评价分析手段，包括2D/3D相互作用图分析（可以分析氢键、疏水作用、卤键等多种非键作用类型）、结合口袋表面分析、氢键热图、多种打分函数、结合能的计算等；
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