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导语
抗生素耐药性的增加使得开发具有新型抗菌机制的新抗生素变得尤为迫切。FtsZ蛋白（丝状温度敏感突变体Z）在细菌细胞分裂中发挥着重要作用，在最近的报道中被认为是开发新抗生素的一个有吸引力的靶点。
一些具有大共轭平面的季铵化合物（QACs），如小檗碱（1）、13-取代的环小檗碱（2）、合成吡啶衍生物（3）、5-甲基-2-苯基菲啶（4）和血根碱（5），已被确定可以靶向FtsZ（图1）。最近，宁波大学梁洪泽课题组通过合理的设计在海洋生物碱Fascaplysin的5-环共平面的季铵分子骨架上通过引入不同的基团改变化合物的疏水性和增加与受体之间额外的氢键，从而得到了一系列新的Fascaplysin衍生物。这些Fascaplysin衍生物对革兰氏阳性菌有出色的体外杀菌效果和低的细胞毒性、溶血活性，并且被证实能靶向FtsZ蛋白。相关研究成果以“Design and synthesis of fascaplysin derivatives as inhibitors of FtsZ with potent antibacterial activity and mechanistic study”为题发表在Eur. J. Med. Chem.（DOI: 10.1016/j.ejmech.2023.115348）。
图1. FtsZ靶向分子（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
前沿科研成果
Fascaplysin衍生物作为FtsZ抑制剂的抗菌活性和机理研究
在本研究中，作者合成了一系列新的Fascaplysin衍生物。通过引入不同基团使化合物具有不同的疏水性并且有一些化合物能与靶点产生额外的氢键作用（图2）。
图2. Fascaplysin衍生物的合成（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
通过测试化合物B1–B17对革兰氏阳性菌（MRSA ATCC43300,B. subtilis BNCC336690和S. pneumoniae ATCC49619）和革兰氏阴性菌（E. coli ATCC25922）的最低抑制浓度（MICs）评估这些化合物的体外抗菌活性。结果表明：这些化合物对测试的革兰氏阳性菌有出色的抗菌活性，其中化合物B3、B6、B8和B16的抗菌活性最佳，对MRSA ATCC43300的MIC值分别为0.098、0.098、0.049和0.098 μg/mL。随后作者选择B3、B6、B8和B16这四个化合物进行后续研究。体外杀菌动力学研究表明：这四个化合物均能在体外快速杀死MRSA。此外，化合物B3、B6、B8和B16能够避免MRSA的耐药性产生。扫描电子显微镜图像显示：化合物B3、B6、B8和B16能够破坏MRSA的细胞表面，证明引入的疏水基团有利于分子对细菌细胞表面的作用。
随后作者研究了化合物B3、B6、B8和B16与FtsZ蛋白的作用机理。通过对枯草芽孢杆菌（B. subtilis BNCC336690）的细胞形貌观察，发现这些化合物可以通过干扰FtsZ的正常生理活动阻断细菌细胞的正常分裂，使得细胞变长（图3）。
图3. 细胞形貌观察实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
动态光散射实验表明：化合物B3、B6、B8和B16在体外以浓度依赖的形式促进FtsZ的聚合，并且B3和B16的作用更明显（图4）。
图4. 动态光散射实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
透射电镜实验表明：FtsZ聚合物明显增厚和延长，显示出所测试的化合物可以刺激FtsZ丝在纵向和横向的成束作用（图5）。
图5. TEM实验（图片来源 Eur. J. Med. Chem.）
化合物B3、B6、B8和B16以浓度依赖的方式抑制FtsZ的GTP酶活性。其中，B6表现出最强的抑制效果，在0.32 μg/mL的浓度下，FtsZ的GTP酶活性降低了40%（图6）。
图6. GTP酶活实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
分子对接模拟实验表明化合物能与FtsZ的C端结合（图7）。对接结果合理地解释了作者的分子设计策略，即对化合物的修饰使其通过额外的疏水作用和氢键与FtsZ更好地结合，从而相应地促进了抗菌活性的增强。这为今后对此类化合物的修改提供了重要的指导。
图7. 分子对接模拟实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
在浓度为12.5 μg/mL（MIC的128-256倍）时，被测化合物的溶血率为0%，显示出这些化合物对人类红细胞的溶血活性可以忽略不计。在12.5-50 μg/mL的浓度范围内，化合物处理后的细胞存活率分别为B8（14.6%、12.8%和13.2%）、B3（104.1%、106.3%和101.1%）、B6（98.8%、100.3%和98.2%）以及B16（103.0%、84.1%和73.3%）（图8）。
图8. 溶血活性和细胞毒性实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
最后作者还测试了化合物B16对MRSA生物膜的生成抑制作用。结果表明B16以浓度依赖的方式抑制生物膜的形成（图9）。
图9. 生物膜生成抑制实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）
总结
通过调节疏水性，作者合理地设计和合成了一系列新型的fascaplysin衍生物。结果表明，所有这些化合物对测试中的革兰氏阳性抗性和易感细菌都表现出卓越的抗菌活性。化合物B3、B6、B8和B16表现出快速的细菌杀伤动力学性质，可以避免细菌耐药性的发展，并且有可忽略的溶血活性和低细胞毒性。对抗菌机制的进一步研究显示，增加的疏水性可以有效地破坏细菌的细胞表面完整性，并通过疏水相互作用促进化合物与FtsZ的域间裂隙结合。作者的这些研究结果显示，fascaplysin衍生物可能是一类新的FtsZ抑制剂。此外，课题组正在对fascaplysin衍生物进行进一步的结构优化和抗菌研究。
本篇工作通讯作者为宁波大学梁洪泽研究员和王潇博士。宁波大学硕士研究生裘弘达为该论文的第一作者，硕士研究生赵星为第二作者。上述研究工作得到宁波市科技创新2025重大专项（2020Z093、2019B10067）和中国国家自然科学基金（82002190）资助。
教授简介
宁波大学梁洪泽研究员，博士后，硕士生导师。安徽师范大学本科，中国科学院长春应用化学研究所硕士，香港浸会大学博士，日本学术振兴会（JSPS）基金获得者，日本东北大学博士后，加州大学河滨分校博士后。近年来研究工作涵盖化学、生物医药、功能材料等交叉学科领域的基础理论及应用开发。主要研究方向：（1）多靶点抗阿尔兹海默症（AD）药物，多靶点杀耐药菌药物，抗缺血性脑中风药物、杀寄生虫药物；（2）高特异性、高选择性、高灵敏度富集磷酸化肽功能材料，磷酸化蛋白组学，AD早期诊断生物标志物发现及药物作用机制，抗菌机制；（3）环境净化材料。目前主持和参与宁波市科技创新2025重大专项2项。近期研究成果发表在European Journal of Medicinal Chemistry、Acs Sustainable Chemistry & Engineering、 Acs Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry B、Acs Chemical Neuroscience、Marine Drugs、International Immunopharmacology、Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis等相关领域专业学术期刊上。
邀稿
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