WalK组氨酸激酶抑制剂的优化、抗细菌生物膜作用及机制

NIH findings indicated that more than 80% of bacterial infections were related with biofilm. Bacterial biofilm can resist not only the host immune destruction, but also most of antibiotic, and the resistance was up to a thousand times more than planktonic bacteria. WalK/WalR, an important two-component signal transduction system of bacteria, not only regulated cell wall metabolism, but also affected biofilm formation. Moreover, it was more difficult to cause drug resistance. Therefore, WalK/WalR is considered to be a new target for the development of anti-bacterial biofilm drugs. This proposal focuses the discovery of WalK histidine kinase inhibitors with high inhibitory activity. Firstly, hit compounds will be obtained by the structure-based virtual screening; secondly, after the structural optimization of hit compounds and WalK histidine kinase inhibitors found in previous research, new molecules with structural diversity will be designed and synthesized; thirdly, WalK histidine kinase inhibitors with high inhibitory activity will be obtained by the structure-activity relationship. At last, the molecular mechanism of small molecule was revealed by the X-ray crystallographic data of the co-crystallization complex of WalK histidine kinase inhibitor and WalK histidine kinase, which will provide more accurate theoretical basis and guidelines for the further rational structure-based drug design. At the same time, preliminary evaluation of the pharmacokinetics and toxicity studies will be carried out to lay the foundation for the ultimate development of original new drugs for the treatment of bacterial biofilm infection.

美国NIH调查发现80%以上的细菌性感染与生物膜有关。细菌生物膜不但可以抵挡宿主的免疫杀伤，而且对大多数抗生素耐药，其耐药性比浮游菌高达千倍，危害严重亟待解决。细菌双组分信号转导系统WalKR不但调控细胞壁代谢，为细菌生存所必须，而且与生物膜形成相关，还较难引起耐药，被认为是研制抗细菌生物膜药物的新靶标。本课题拟在前期研究基础上，以WalK组氨酸激酶为靶标，用基于结构的虚拟筛选方法获得苗头化合物；再对苗头化合物和前期研究中已发现的WalK组氨酸激酶抑制剂进行结构优化，设计合成多样性新结构分子；进一步结合酶抑制活性和抗菌活性，研究构效关系获得高活性的WalK组氨酸激酶抑制剂。并以此为探针培养与WalK蛋白的共晶复合物，以揭示抑制剂与靶蛋白的作用模式，为更准确地进行基于结构的合理药物设计提供理论依据和指导。同时开展初步药代和毒性评价等成药性研究，为最终研发原创治疗细菌生物膜感染新药奠定基础。

美国NIH调查发现80%以上的细菌性感染与生物膜有关。细菌生物膜不但可以抵挡宿主的免疫杀伤，而且对大多数抗生素耐药，其耐药性比浮游菌高达千倍，危害严重亟待解决。细菌双组分信号转导系统WalKR不但调控细胞壁代谢，为细菌生存所必须，而且与生物膜形成相关，还较难引起耐药，被认为是研制抗细菌生物膜药物的新靶标。.本项目以高分辨且同源性更高的WalK和ATP的共晶结构（PDB编号：3SL2）为模板，对表葡菌的WalK组氨酸激酶的HATPase_c功能域的同源模建，并进行了基于结构的虚拟筛选。对苗头化合物（I和II）利用活性基团拼接、生物电子等排、碳链增长和缩短，断裂和开环等药物设计方法，对侧链的活性基团进行替代，共设计合成了69个类似物。.在总结了抗菌活性的构效关系的基础上，针对化合物I的类似物，选择了抗菌活性较强的7个化合物I-15， I-16， I-17，I-24， I-25， I-26 和 I-27进行了深入的研究，包括对不同细菌的最小抑菌浓度，对表皮葡萄球菌的最小杀菌浓度，对表皮葡萄球菌生物膜形成能力的抑制作用，与万古霉素、头孢唑啉的协同作用，细胞毒性及溶血性，作用靶标的验证。针对化合物II的类似物，选择了抗菌活性较强的6个化合物2k，2o，2p，2q，2f和2r进行了深入的研究，包括对表皮葡萄球菌的杀菌效果，对表皮葡萄球菌早期生物膜的作用效果，对表皮葡萄球菌成熟生物膜内细菌的作用，对新西兰白兔生物膜感染动物模型的作用效果，作用靶标的验证。进一步选择2个活性化合物2f和2r分别进行了单次静脉给药的药代动力学实验，并对化合物2r进行了急毒等初步安全性评价。结果显示化合物2f和2r有潜力作为候选药物进行进一步的成药性评价。.该课题已发表SCI论文2篇，申请国内专利2项，培养研究生2名。.