苯并-γ-吡酮类抗金黄色葡萄球菌HLA抑制剂的构效关系研究及效果评估

《Food Bioscience》：Study on the Structure-Activity Relationship and Effect Evaluation of Benzo -γ -Pyrones Anti- S. aureus Hla Inhibitors

苯并-γ-吡喃酮类化合物抑制金黄色葡萄球菌α-溶血素（Hla）的活性与结构关系研究。通过构建BNCD数据库筛选18种化合物，结合剂量响应模型和分子对接，确定最优结构特征（C2-B环连接、A环5,7-二羟基、B环4'-羟基或3',4'-邻苯二酚），评估细胞毒性和动物模型保护效果，证实这些天然产物可作为非抗生素抗毒力治疗候选药物。

　　

孙婷婷|江琳|杨丽娇|陈思怡|刘洋|刘静|徐飞

中国农业科学院饲料研究所动物抗菌素耐药性监测重点实验室，北京100081，中国

摘要

苯并-γ-吡酮衍生物在食品工业和药物研究中得到广泛应用。通过构建的苯并-γ-吡酮天然化合物数据库（BNCD），我们筛选出18种含有苯并-γ-吡酮核心骨架的化合物，针对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的α-溶血素（Hla）进行了研究，并将其分为五类（A-E）。通过溶血实验鉴定出10种有效的抑制剂，并利用剂量-反应模型生成IC50曲线。剂量-反应分析得出的IC50值，结合Hla分泌调节因子（AgrC、AgrA、SarR、SarA）的分子对接结果，揭示了关键的药效团结构。最佳结构特征包括：一个苯并-γ-吡酮骨架，A环上有一个C2连接的B环，以及一个被4′-羟基或3′,4′-邻苯二酚基团取代的B环。莫林（morin）、芹菜素（apigenin）、（±）纳林根宁（naringenin）和甘草素（liquiritigenin）的最小抑制浓度（MIC）均大于2000 μg/mL。随后的细胞毒性评估（CCK-8实验）显示，莫林和芹菜素在2000 μg/mL浓度下对牛乳腺上皮细胞无显著毒性（P > 0.05），纳林根宁在500 μg/mL浓度下无毒性，甘草素在250 μg/mL浓度下无毒性。此外，这些化合物在体外Raw264.7巨噬细胞模型和体内Galleria mellonella幼虫感染模型中均表现出浓度依赖性的保护作用，可对抗金黄色葡萄球菌引起的损伤。总之，本研究确定了特定的苯并-γ-吡酮类化合物作为有前景的非抗生素抗毒力剂，针对金黄色葡萄球菌的Hla具有潜力。这些发现为设计功能性食品和开发新型抗毒力治疗药物提供了理论基础。

引言

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是人类和多种动物的常见定植菌，同时也是导致多种传染病的关键病原体，包括乳腺炎、心内膜炎、败血症等（Hodille等人，2017年）。虽然传统抗生素疗法最初非常有效，但现在面临广泛耐药性、宿主毒性和药物残留等问题（Wu等人，2022年）。值得注意的是，金黄色葡萄球菌已经对多种抗生素产生了耐药性，包括像万古霉素这样的最后一线药物（Foster，2017年；Ragunathan等人，2019年）。因此，迫切需要开发新的治疗策略来克服传统抗生素的局限性。针对金黄色葡萄球菌感染的有前景的替代策略包括噬菌体疗法（Cherbuin等人，2025年）、抗毒力疗法（Su等人，2022年）、抗菌肽（Mwangi等人，2019年）和疫苗（Ranjbariyan等人，2022年）。金黄色葡萄球菌利用多种毒力因子来促进宿主入侵和持续感染。这些因子介导了诸如粘附于宿主细胞以促进定植、直接细胞毒性以及破坏宿主细胞信号通路等过程。因此，抑制这些毒力因子的表达或活性，而不是直接杀死细菌，可以为宿主免疫系统提供有效清除感染和缓解症状的机会。这是抗毒力疗法的核心。α-溶血素（Hla）是金黄色葡萄球菌分泌的一种关键外毒素，尤其是在对数生长期后期（Busch等人，2025年；Chan等人，2023年）。Hla以水溶性单体的形式分泌，在宿主细胞膜上寡聚形成跨膜七聚体β-桶状孔（Liu等人，2024年）。这些孔洞破坏膜完整性，导致包括红细胞、淋巴细胞、上皮细胞和巨噬细胞在内的多种宿主细胞裂解（Li等人，2025年）。金黄色葡萄球菌是全球牛乳腺炎的主要致病菌，占病例的70%以上，其中Hla在发病机制中起重要作用。鉴于其关键作用，Hla成为抗毒力策略的主要靶点。已有研究表明，多种植物和微生物中的天然产物通过抑制Hla的产生或其孔洞形成活性来减弱金黄色葡萄球菌的致病性。例如，黄酮类化合物异苏丹内酯（isosakuranetin）在体外浓度为32 μg/mL时就能抑制金黄色葡萄球菌的溶血活性，以剂量依赖的方式抑制Hla的转录和表达，并调节其上游调控因子RNAIII（Tian等人，2023年）。Wang等人证实了α-毒素（Hla）在金黄色葡萄球菌引起的肺损伤中的关键作用，并展示了ampelopsin在减轻这种损伤中的治疗潜力（Wang等人，2023年）。类似地，hispidulin通过靶向agr群体感应系统抑制α-溶血素的表达，显示出作为抗金黄色葡萄球菌剂的潜力（Ren等人，2022年）。尽管已经鉴定出许多天然化合物作为Hla抑制剂，但对其结构-活性关系（SAR）的系统性研究，尤其是在特定化学类别内的研究仍然不足。这种缺乏深入的SAR知识限制了抑制剂优化和开发。

苯并-γ-吡酮是一类重要的有机杂环化合物，由一个苯环与一个含氧的六元杂环结构连接而成（Xi等人，2024年）。苯并-γ-吡酮是许多生物活性天然产物的核心骨架，在植物、水果和蔬菜中普遍存在。它们表现出广泛的药理活性，包括抗菌、抗氧化和抗炎作用（Frank等人，2019年；Kumla等人，2018年；Pang等人，2018年；Wu等人，2021年；Yang等人，2020年）。这些特性使它们成为功能性食品开发和药物研究的有吸引力的候选物质。因此，本研究旨在系统地鉴定基于苯并-γ-吡酮的Hla抑制剂。我们采用溶血抑制实验筛选化合物，建立了关键取代基的结构-活性关系（SAR），并利用分子对接模拟它们与Hla分泌调节系统中的关键蛋白（AgrC、AgrA、SarR、SarA）的相互作用。此外，我们还评估了有前景抑制剂的细胞毒性，并在细胞和动物感染模型中评估了它们的保护效果。我们的发现为设计针对金黄色葡萄球菌感染的新型抗毒力剂和功能性食品提供了基础。

BNCD的建立与分类

苯并-γ-吡酮天然化合物数据库（BNCD）是通过收集含有苯并-γ-吡酮核心骨架的市售天然产物的信息建立起来的。从这个数据库中，选取了18种小分子化合物作为代表，系统地涵盖了与本研究相关的关键结构变异，特别是羟基化模式和苯环取代位置的多样性。

小分子抑制剂对金黄色葡萄球菌Hla的影响

我们建立了一种溶血抑制实验来筛选针对金黄色葡萄球菌α-溶血素（Hla）的小分子抑制剂（图2a）。选择溶血抑制率≥90%的化合物进行进一步的剂量-反应分析。在A类化合物中，山柰酚（kaempferol）、槲皮素（quercetin）和莫林（morin）（图2c-e）表现出强效的、浓度依赖性的Hla介导的溶血抑制作用，在62.5 μg/mL、62.5 μg/mL和125 μg/mL浓度下分别达到了超过90%的抑制率。剂量-反应曲线显示...

讨论

基于初步报告和我们小组关于苯并-γ-吡酮化合物抑制金黄色葡萄球菌α-溶血素（Hla）潜力的预实验结果，本研究旨在系统地研究这类天然产品的结构-活性关系（SAR），并评估其作为抗毒力治疗药物的可行性。我们首先构建了苯并-γ-吡酮天然化合物数据库（BNCD），并选择了18种代表性化合物进行进一步研究...

结论

通过系统筛选和结构-活性关系（SAR）分析，本研究确定了抑制金黄色葡萄球菌α-溶血素（Hla）活性的苯并-γ-吡酮衍生物的最佳结构特征：一个苯并-γ-吡酮骨架，A环上有一个C2连接的B环，以及一个优选被4′-单羟基或3′,4′-邻苯二酚基团取代的B环。分子对接研究为这一结构提供了理论依据...

CRediT作者贡献声明

孙婷婷：撰写——初稿，正式分析，数据管理。杨丽娇：撰写——审阅与编辑。江琳：撰写——审阅与编辑。陈思怡：撰写——审阅与编辑。刘静：方法学研究。刘洋：撰写——审阅与编辑。徐飞：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1800902）和农业科技创新计划（ASTIP，编号IFR-06）的资助。