海藻代谢物作为抗耳念珠菌潜在抗真菌剂的计算机筛选研究

《Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences》：Computational screening of seaweed metabolites as potential antifungal agents against Candida auris

　　

背景：耳念珠菌（Candida auris）因对抗真菌治疗耐药且在医疗环境中持续存在，已成为严重的全球健康威胁。有效的治疗干预对降低死亡率和传播至关重要。本研究通过计算筛选鉴定二氢叶酸还原酶（DHFR）的潜在抑制剂，该酶是耳念珠菌生存和复制的关键酶。 结果：研究人员利用分子对接对1191种海藻代谢物进行筛选，根据结合亲和力选出前20个候选物。吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADMET）分析进一步优化选择，最终确定3个先导化合物，PubChem CID分别为145937、11672129和159086，其药物相似性和毒性特征良好。这些化合物普遍与活性位点残基GLU32、THR57、ALA11、ILE9、ILE19、LEU25、MET33、PHE36、TYR126和VAL10相互作用，表明它们结合于同一口袋。对接后分子力学/广义玻恩表面积（MM-GBSA）分析显示强蛋白-配体相互作用，CID 145937、11672129和159086的结合自由能分别为?40.43、?54.74和?54.70 kcal/mol。最高占据分子轨道与最低未占分子轨道（HOMO-LUMO）能隙分析表明其电子稳定性优异，物质活性谱预测（PASS）提示其具有潜在生物活性。分子动力学模拟（MD模拟）证实复合物稳定；主成分分析（PCA）和动态交叉相关矩阵（DCCM）显示动力学行为一致。模拟后MM-GBSA结合自由能和PCA3值分别为：CID 145937为?49.88 kcal/mol和4.85%，CID 159086为?48.64 kcal/mol和6.69%，CID 11672129为?70.83 kcal/mol和8.25%。 结论：简言之，尽管所有先导物均显示出抗耳念珠菌潜力，但源自梗绳藻（Ecklonia stolonifera）的CID 145937与靶蛋白形成最强且最稳定的复合物，是有望进一步开展体外和体内验证的抗真菌候选物。 临床试验编号：不适用。

研究背景

耳念珠菌（Candida auris）是一种新兴的多重耐药真菌病原体，被世界卫生组织列为关键优先病原体。其具有多重耐药性、在医疗环境易传播、感染粗死亡率达30%–70%、现有商业鉴定系统难以准确识别等特点，给免疫功能低下人群带来严重威胁。目前尚无美国食品药品监督管理局（FDA）批准的针对耳念珠菌二氢叶酸还原酶（DHFR）的抑制剂，而DHFR是叶酸代谢关键酶，抑制其活性可阻断真菌DNA合成，是抗真菌药物开发的重要靶点。海藻富含多种生物活性代谢物，具有广谱抗真菌等生物活性，为耐药真菌感染治疗提供了天然候选来源。计算机辅助药物设计（CADD）可高效筛选和优化化合物，大幅降低传统药物发现的时间与经济成本，为本研究提供了可行技术路径。

论文发表于《Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences》，研究通过全流程计算策略，从1191种海藻代谢物中筛选靶向耳念珠菌DHFR的潜在抑制剂，为耐药真菌感染的天然药物开发提供前期基础。

主要关键技术方法

研究采用全流程计算策略：从RCSB蛋白质数据银行获取耳念珠菌DHFR晶体结构（PDB ID：8A0Z）并进行预处理；从海藻代谢物数据库下载1191种化合物并完成质子化状态优化与能量最小化；利用薛定谔套件的Glide模块开展分子对接，按结合亲和力排序；通过Swiss-ADME与ProTox-3分别完成ADMET（吸收、分布、代谢、排泄及毒性）特征评估；采用MM-GBSA方法计算蛋白-配体结合自由能；借助PASS在线工具进行定量构效关系（QSAR）活性预测；基于密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6-311G(d,p)水平完成前沿分子轨道（FMO）分析；利用Desmond包开展200 ns全原子分子动力学模拟，并通过R语言Bio3D包完成轨迹分析。

研究结果

3.1 分子对接分析

对1191种海藻代谢物开展分子对接，筛选出结合亲和力最优的前20个化合物，对接得分介于?8.583至?6.805 kcal/mol，提示其与靶蛋白具有较强结合潜力。

3.2 ADMET评估

从前20个化合物中进一步筛选出3个先导化合物：CID 145937、CID 159086与CID 11672129。其中CID 159086完全符合利平斯基五规则；另两个化合物各有1项参数偏离，但整体药物相似性良好。毒性评估显示三者均仅具低概率肾毒性，CID 145937与CID 11672129额外表现低概率呼吸毒性，其余毒性参数均为阴性，整体安全性可接受。

3.3 蛋白-配体相互作用分析

三种先导化合物均与DHFR活性位点形成稳定相互作用：共同通过氢键结合GLU₃₂，通过疏水作用结合ILE₉、ALA₁₁、VAL₁₀等残基，结合模式高度重叠，证实其作用于同一活性口袋。

3.4 对接后MM-GBSA计算

结合自由能分析显示，CID 145937、CID 11672129与CID 159086的结合自由能分别为?40.43、?54.74与?54.70 kcal/mol，均为强负值，提示结合稳定且自发。

3.5 QSAR分析

活性谱预测显示三个化合物均具有DHFR抑制活性，其中CID 145937与CID 11672129同时具有明确抗真菌活性，提示其可直接作用于耳念珠菌感染防治。

3.6 前沿分子轨道分析

FMO计算显示CID 159086的HOMO-LUMO能隙最大（5.25 eV），化学稳定性最高但反应活性最低；CID 11672129能隙最小（4.77 eV），反应活性最高；CID 145937能隙为4.80 eV，兼具适中稳定性与反应活性。

3.7 分子动力学模拟

3.7.1 蛋白RMSD分析：三个复合物在200 ns模拟中骨架RMSD均值介于2.09–2.67 ?，整体结构稳定，波动幅度与游离蛋白接近。

3.7.2 配体RMSD分析：CID 145937配体RMSD均值仅1.02 ?，结合构象最稳定；CID 11672129波动相对较大。

3.7.3 RMSF分析：三个体系残基波动幅度相近，关键活性位点残基波动较低，无显著不稳定区域。

3.7.4 rGyr分析：CID 145937复合物回转半径最小（3.75 ?），结构最紧凑；CID 11672129相对松散。

3.7.5 SASA分析：CID 145937溶剂可及表面积最小，提示其埋入结合口袋更深，结合更紧密。

3.7.6 氢键分析：三个体系全程维持稳定氢键网络，平均氢键数约166–168个，结合界面作用持续。

3.7.7 蛋白-配体接触分析：CID 145937与靶蛋白形成最多非共价相互作用，结合界面覆盖更广。

3.7.8 PCA分析：CID 145937的第三主成分贡献率最低（4.85%），构象波动最小，结构最稳定。

3.7.9 DCCM分析：CID 145937复合物残基协同运动程度最高，动态相关性最强，结构整体性强。

3.7.10 模拟后MM-GBSA分析：模拟终点结合自由能显示CID 11672129结合最强（?70.83 kcal/mol），CID 145937次之（?49.88 kcal/mol），两者均维持高亲和力。

讨论与结论

讨论部分指出，本研究首次将海藻代谢物用于靶向耳念珠菌DHFR的抑制剂筛选，弥补了该方向的研究空白。综合各项指标，源自梗绳藻的CID 145937（Eckol， Eckol）虽在模拟后期结合自由能略低于CID 11672129，但其结合构象最稳定、结构最紧凑、动态相关性最强，且兼具良好药物相似性与明确抗真菌活性，是最优先导化合物。三个先导物均存在一定肾毒性风险，后续实验需关注安全性评价。研究受限于资源，暂未开展湿实验验证，结果为后续体外与体内研究提供了明确候选分子与作用机制参考。

结论：本研究针对耳念珠菌DHFR靶点，从1191种海藻代谢物中成功筛选出3个潜在抑制剂，其中Eckol（CID 145937）表现出最优的综合特征，为抗耳念珠菌天然药物研发奠定了计算基础。后续需通过酶活抑制实验、抗真菌药敏测试与动物模型进一步验证其疗效与安全性。