应用活性位点扩张算法的抗结核二氢叶酸还原酶特异性抑制剂的研发

Mycobacterium tuberculosis (M. tb) is responsible for main deaths in the world, and the rapid increase of multi-drug-resistant tuberculosis brings big challenges to the chemotherapy. Therefore, it is very urgent to find new drug targets and new drugs to benefit the public. Research shows that through inhibiting the binding of dihydrofolate reductase of Mycobacterium tuberculosis (mt-DHFR) to the dihydrofolate will cause cell death. This study will use computer aided drug design to identify specific inhibitors for mt-DHDR. It is planed by performing Active Site Pressurisation (ASP) method to explore the active site on mt-DHFR, and then by combining the virtual screening and molecular docking to identify potential hits. These hits will be purcharsed and tested the IC50s against mt-DHFR and human DHFR (h-DHFR). Those hits show strong inhibitations on mt-DHFR and weat ones on h-DHFR will be chosen for structural optimization by different computaional methods, such as molecular dynamic simulations and QSAR etc. The structure-optimized compounds will be synthensied in the medicinal chemistry lab for further activity and specific test. By repeating optimizing the structures of molecules, 2-5 leading compounds will be identifed.

随着耐多药结核病的日益增长，发现新的药物靶点和研发全新的抗结核药物已经迫在眉睫。结核病的主要致病菌是结核分枝杆菌。研究表明通过阻断二氢叶酸与结核分枝杆菌的二氢叶酸还原酶（mt-DHFR）的结合会导致病菌因缺乏核酸组分而死亡。本研究将使用计算机辅助药物设计技术来确定结核分枝杆菌的二氢叶酸还原酶的特异性抑制剂。本研究计划使用活性位点自然扩张这一新算法扩张二氢叶酸还原酶的活性位点，之后通过虚拟筛选，分子对接等手段搜索小分子数据库。得到的候选小分子将被购买并测试其对mt-DHFR和人二氢叶酸还原酶（h-DHFR）的活性。这些初步的抑制剂将通过分子动力学模拟以及构效关系等方法优化其结构以期成为具有纳摩尔级结合率的候选先导化合物。这些候选先导化合物将在化学实验室进行合成，从而进一步测试其体外生物活性和选择性，若活性未达标，则重复结构优化直至得到满足要求的2-5个先导化合物。

课题组通过综合应用计算机辅助药物设计、虚拟筛选、分子对接、分子模拟、生物活性测试等技术，获得8个对核分枝杆菌二氢叶酸还原酶（mt-DHFR）有纳摩尔级结合活性的小分子，且这些小分子均显示出较强的抗结核分枝杆菌活性。其中一个以1,3-二氨基-7H-吡咯并[3,2-f]喹唑啉为母核的化合物（NSC339579）尤为引人注目。该化合物对mt-DHFR的IC50为6 nM，其对结核分枝杆菌的抑制活性与目前临床二线用药对氨基水杨酸的抑菌活性相当。更重要的是该化合物以全新三环结构为母核，此结构在以往mt-DHFR抑制剂研究中未见报道，因此这将极大拓展该类药物的化学空间。之后本课题组以NSC339579为模板，通过相似性筛选，另获得两个类似物，其抗结核分枝杆菌MIC提高至0.78μg/mL和1.56μg/mL。课题组基于对结核分枝杆菌二氢叶酸还原酶结构的研究和前期搜索的结果，合成了两个系列化合物，共计74个新化合物：1、以2，4-二氨基嘧啶为母核（50个）；2、以1,3-二氨基-7H-吡咯并[3,2-f]喹唑啉为母核的化合物（24个）。其中16个化合物表现出纳摩尔级抗mt-DHFR活性（与MTX基本相当），这16个化合物中有5个表现出很强的抑制结核分枝杆菌的能力，其中最好的两个化合物MIC和MBC均小于0.78μg/mL。通过该项目的研究，课题组得到了一类未见报道的抗结核分枝杆菌二氢叶酸还原酶抑制剂。该类抑制剂表现出很强的体外活性，将可作为先导化合物进行深入研究，从而为抗结核新药研发提供宝贵思路。