計算機解析と有機合成、生化学的評価を融合したメタロβラクタマーゼ阻害剤の開発

结合计算机分析、有机合成和生化评价开发金属-β-内酰胺酶抑制剂

• 批准号: 22KJ0477
• 负责人: 加茂 大知
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0477/
• 关键词: 薬剤耐性菌; メタロ-β-ラクタマーゼ; 有機合成; 理論薬物設計; 構造活性相関; X線結晶構造解析; 創薬化学

薬剤耐性菌の脅威は世界的に広まっている。ペニシリンなどで知られるβ-ラクタム系抗菌薬は、臨床で広く用いられる。これらを加水分解する酵素であるβ-ラクタマーゼのうち、活性中心に亜鉛原子を持つメタロ-β-ラクタマーゼ(MBL)は、抗菌薬最後の砦と言われるカルバペネム系抗菌薬も分解し、多剤耐性菌の一因として危惧されている。病原細菌の薬剤耐性に関する問題は世界的に深刻であり、MBL阻害薬物の開発が急務である。本研究では、MBL阻害活性を示すヒット化合物の構造を改変し、MBL阻害活性の向上した新規化合物を創出した。ヒット化合物をその構造から3領域に分け、それぞれの領域の構造最適化を並行して行った。その結果、2つの領域をそれぞれ改変した化合物でMBL阻害活性の向上が見られた。化合物の構造改変には、所属研究室の強みである計算機解析によるin silicoスクリーニングを活用した。市販のソフトウェアで数百から数千の構造改変案を作成したのち、所属研究室で独自に開発した分子力場計算プログラムを用いてドッキングシミュレーションを行い、誘導体を設計した。設計した化合物の有機合成を行い、in vitroによるMBL阻害活性の評価を行った。良好なMBL阻害活性を示した化合物については、MBLの一種であるIMP-1との共結晶を取得し、X線結晶構造解析により構造活性相関を明らかにした。その結果、合成した化合物は、MBL活性中心の金属イオンへの配位と、結合ポケットにおける疎水性相互作用がMBLとの結合に寄与していた。得られた構造活性相関の知見を基に、分子動力学シミュレーションを用いて、MBL阻害の詳細なメカニズムの解析を進めた。

耐药细菌的威胁在全球范围内日益严重。 β-内酰胺类抗生素，如青霉素，在临床上广泛使用。在水解这些物质的酶中，活性中心有一个锌原子的金属-β-内酰胺酶（MBL）也可以降解被称为抗生素最后堡垒的碳青霉烯类抗生素，从而导致多重耐药性。人们担心这可能是细菌滋生的一个因素。病原菌耐药问题是世界范围内的严重问题，迫切需要开发MBL抑制剂。在这项研究中，我们通过修改具有 MBL 抑制活性的热门化合物的结构，创造了一种具有改进的 MBL 抑制活性的新化合物。根据结构将命中化合物分为三个区域，并并行进行每个区域的结构优化。结果，在两个区域中的每一个中修饰的化合物均表现出改善的 MBL 抑制活性。为了修改化合物的结构，我们利用计算机分析进行计算机筛选，这是我们实验室的强项。在使用商用软件创建数百到数千种结构修饰后，他们通过使用最初在实验室开发的分子力场计算程序进行对接模拟来设计衍生物。有机合成了设计的化合物，并在体外评价了它们的 MBL 抑制活性。对于表现出良好MBL抑制活性的化合物，我们与MBL的一种类型IMP-1获得了共晶，并通过X射线晶体结构分析阐明了构效关系。结果，在合成的化合物中，MBL活性中心与金属离子的配位以及结合口袋中的疏水相互作用有助于与MBL的结合。基于所获得的结构-活性关系的知识，我们利用分子动力学模拟分析了 MBL 抑制的详细机制。