《Journal of Molecular Structure》：Design, Synthesis, and Anti-mycobacterial Evaluation of Isoniazid–Quinoline Hybrids: DFT, Molecular Docking, and Dynamics Studies
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抗結核藥物研究成功合成8個異煙肼-喹啉雜交化合物（3a-3h），其中3a和3e對結核分枝桿菌H37Rv株抑制活性顯著（MIC值5 μM和0.156 μM），分子對接和動態模擬顯示兩者與InhA結合穩定，藥代動力學評估顯示良好藥理特性和低細胞毒性。
哈迪普·考爾（Hardeep Kaur）| 塔明德·辛格（Taminder Singh）| 阿曼迪普·辛格（Amandeep Singh）| 拉詹·薩爾萬（Rajan Salwan）| 烏瑪·蘭詹·拉爾（Uma Ranjan Lal）| 尼圖·維爾瑪（Neetu Verma）| 索拉布·塞哈杰帕爾（Sorabh Sehajpal）| 戈帕爾·辛格·阿塔爾（Gopal Singh Attar）
印度旁遮普邦阿姆利則卡爾薩學院（Khalsa College Amritsar）化學研究生系，郵編143102
摘要
通過分子雜交策略設計并合成了八種新型異煙肼-喹啉雜化物（3a–3h），產率良好，其化學結構通過多種分析技術得到了確定。所有這些雜化物均被用于檢測其對Mycobacterium tuberculosis H37Rv菌株的抗微生物活性。其中，雜化物3a和3e表現出顯著的抑制作用，其最小抑制濃度（MIC）分別為5 μM和0.156 μM，與異煙肼相當。此外，這兩種雜化物對VERO細胞系的細胞毒性均可忽略不計（IC?? > 240 μg/mL）。分子對接研究表明，尤其是3e，能與InhA強選擇性地結合，這支持了InhA抑制作用是其潛在作用機制的觀點。分子動力學模擬進一步證實了3a和3e在InhA活性位點上的穩定性，持續時間為200納秒，其中3a表現出更強的相互作用持久性、更低的構象漂移以及更強的活性位點穩定性。分子力學/GBSA分析顯示3a（?124.00 kcal/mol）和3e（?99.24 kcal/mol）的結合自由能均有利，進一步證明了它們的抑制潛力。計算機模擬的藥代動力學分析預測，最活躍的雜化物具有良好的藥代動力學特性、高口服吸收率和可接受的毒性特征。密度泛函理論（DFT）分析表明3e具有較高的電子反應性，表現為較大的HOMO–LUMO能隙（3.78 eV）、較高的全局柔軟性（0.53 eV?1）和電負性指數（4.15 eV）以及較大的偶極矩（5.98 D），這些特性支持了其與InhA的強相互作用。總體而言，雜化物3e作為一種有前途的候選藥物，具有強大的抗微生物活性、結構穩定性、良好的藥物特性和最小的細胞毒性，值得進一步進行臨床前研究以用于結核病治療。
引言
結核病（TB）仍然是一個重大的全球健康挑戰，由Mycobacterium tuberculosis（Mtb）引起，該病原體主要攻擊肺部，但肺外表現也時有報道。2024年，全球約有1070萬新發結核病病例和123萬人因此死亡，其致死率超過了HIV/AIDS[1]。該疾病主要影響低收入和中等收入國家，近三分之二的病例來自包括印度、印度尼西亞、中國和菲律賓在內的八個國家[1]。盡管經過數十年的治療進展，由于耐藥菌株的出現和全球傳播，結核病仍然是一個嚴峻的公共衛生問題[2]。世界衛生組織（WHO）推薦的標準抗結核治療方案包括一線藥物組合，如異煙肼（INH）、利福平（RIF）、吡嗪酰胺（PZA）和乙胺丁醇（EMB），需長期服用[3]。盡管有效的聯合化療方案已經存在[4]，但結核病的臨床管理仍受到藥物引起的毒性[5]、胃腸道問題[6]、長期治療方案[7]以及多重耐藥（MDR）和廣泛耐藥（XDR）結核菌株的快速出現[8]的嚴重影響。
在一線藥物中，異煙肼（INH）因其效力和對分枝菌酸生物合成的選擇性抑制作用而成為結核病治療的基石。INH通過抑制InhA（烯酰酰基載體蛋白還原酶）發揮抗微生物活性，該酶是脂肪酸合成途徑中的關鍵酶，對分枝桿菌細胞壁的完整性至關重要[9]。INH是一種前藥，需要通過Mtb的過氧化酶（KatG）酶激活，形成INH–NAD?加合物[10]，該加合物牢固地結合在InhA的活性位點上，形成穩定的三元復合物（InhA-異煙酰-NADH）[11]。然而，KatG和InhA啟動子區域的不良突變是導致INH耐藥性和耐藥結核菌株出現的主要原因[12,13]。這些限制顯著降低了基于INH的療法的長期有效性，因此迫切需要探索新的抗微生物藥物發現策略。
為了克服這些挑戰，大量研究致力于開發無需KatG介導激活的直接InhA抑制劑[14,15]。雖然一些結構多樣的化合物在
體外顯示出對InhA的抑制作用，但許多候選化合物在
體內效果有限、藥代動力學特性不佳或容易迅速產生耐藥性，表明需要進一步的結構優化[16]。同時，最近的研究發現哺乳動物過氧化物酶（如乳過氧化物酶）能夠通過類似KatG的機制激活INH[17,18]，這提示可以探索替代的酶促途徑來恢復耐藥菌株中的INH活性[17,18]。
分子雜交技術也受到了廣泛關注，它涉及將兩種具有藥理活性的骨架結合在單一分子框架內，用于開發抗微生物藥物[19]。利用這種方法，多個研究小組合成了基于INH的雜化分子，使用了吡唑啉[20]、吲哚[21]、異煙肼[22]、二氫嘧啶酮[23]和嘧啶[24]等治療活性骨架，旨在保留INH的藥理優勢同時規避其耐藥性問題。這種分子雜交方法催生了LL-3858（SUDOTERB?），這是一種吡咯-INH雜化物，具有改進的抗微生物活性，并已進入二期臨床試驗[25]。這一發現激勵全球化學家探索新的骨架以開發新型基于INH的雜化物[26]。
喹啉骨架因其廣泛的生物活性而受到重視，如抗癌[27]、抗菌[28]、抗驚厥[29]、抗炎[30]、心臟保護[31]和抗瘧疾[32]作用，并已成為一類有前景的抗微生物劑[33]。基于喹啉的藥物貝達喹啉（TMC207）在臨床上的成功證明了其對敏感和耐藥Mtb菌株的卓越療效，驗證了喹啉衍生物的治療潛力。最近，貝達喹啉（一種二芳基喹啉類化合物，商品名為SIRTURO?）[34]在美國和歐洲國家被批準用于聯合治療MDR-TB（多重耐藥結核病）。然而，貝達喹啉會引起嚴重的副作用，如心電圖QT間期延長和肝毒性[35]。
考慮到喹啉固有的抗微生物活性以及我們正在進行的研究[36]，我們合成了一系列新型INH-喹啉雜化物（3a-3h）。進一步評估了這些雜化物的體外抗微生物活性和細胞毒性，并進行了分子對接研究，以預測它們與潛在生物靶點（包括InhA、乳過氧化物酶和Mtb KatG（過氧化酶）的結合相互作用。為了進一步驗證最活躍雜化物與InhA的穩定性和結合親和力，進行了分子動力學（MD）模擬和分子力學/GBSA結合自由能計算。此外，還計算機模擬評估了合成雜化物（3a-3h）的藥代動力學特性，以評估其藥物性質、生物利用度和毒性特征。
化學部分
INH-喹啉雜化物（3a–3h）按照方案1中描述的反應序列成功合成。最初，通過將市售的4,7-二氯喹啉與INH在乙醇中回流24小時，獲得了黃色的INH-喹啉沉淀物，產率為90%（表1，方案1）。其紅外光譜顯示特征性的NH伸縮峰位于3431和3115 cm?1，以及強烈的酰胺羰基吸收峰位于1680 cm?1。1H NMR光譜（DMSO-d?）顯示...
材料與方法
本研究中使用的化學品和試劑均為分析級，購自Merck和Spectrochem公司。熔點是在開放毛細管中測定的，未經校正。為了監測反應進展和進行比較，使用適當的溶劑系統在Merck公司的預涂層鋁片（60F254，0.2 mm）上進行了薄層色譜（TLC）分析。色譜圖在紫外光下觀察。
結論
總之，成功合成了八種新型INH–喹啉雜化物（3a–3h），并評估了它們對Mycobacterium tuberculosis H37Rv的抗微生物活性。其中，雜化物3a和3e表現出顯著的抑制作用，其MIC值分別為5 μM和0.156 μM，與一線抗結核藥物INH相當。這兩種雜化物對VERO細胞系的細胞毒性均可忽略不計，表明具有良好的安全性。
分子對接研究...
CRediT作者貢獻聲明
哈迪普·考爾（Hardeep Kaur）：撰寫初稿、軟件使用、方法論設計、資金獲取、概念構思。
塔明德·辛格（Taminder Singh）：監督、實驗設計、數據管理。
阿曼迪普·辛格（Amandeep Singh）：撰寫與編輯、初稿修訂、驗證、方法論設計、正式分析。
拉詹·薩爾萬（Rajan Salwan）：撰寫與編輯。
烏瑪·蘭詹·拉爾（Uma Ranjan Lal）：資源提供、方法論支持。
尼圖·維爾瑪（Neetu Verma）：方法論設計、實驗實施。
索拉布·塞哈杰帕爾（Sorabh Sehajpal）：數據可視化、軟件應用。
戈帕爾·辛格·阿塔爾（Gopal Singh Attar）：撰寫與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能的財務利益或個人關系可能構成利益沖突：哈迪普·考爾表示獲得了卡爾薩學院（Khalsa College Amritsar）的財務支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的可能影響本文研究的財務利益或個人關系。
致謝
H.K.博士感謝卡爾薩學院（Khalsa College Amritsar）提供的資助（資助函編號3837/日期2025年8月22日）以及實驗設施的使用權限，并感謝DST-FIST提供的Schr?dinger軟件支持。
