Tobramycin

铜绿假单胞菌因生物膜形成能力和多重耐药机制，已成为临床抗感染治疗的重大挑战。其群体感应系统（QS）中的LasR蛋白是调控生物膜发育与毒力表达的关键枢纽，成为抗毒力药物研发的热点靶点。然而，传统LasR抑制剂普遍存在靶点结合证据缺失、生物利用度低或毒性高等问题。 4月2日，广东工业大学生物医药学院郑俊霞教授团队采用机器学习驱动的多级虚拟筛选，在4.7万化合物中精准锁定一个全新苯胺苯乙酸酯衍生物—2g，具有亚微摩尔级生物膜抑制活性且无杀菌活性。机制上，通过直接结合LasR选择性抑制其调控的毒力通路，降低毒力因子产生和细菌运动。同时2g将传统抗生素环丙沙星和妥布霉素的有效剂量分别降低1000、500倍，并延缓耐药性产生。 标题：Machine learning-driven discovery of aniline phenylacetate derivatives as LasR-targeted biofilm inhibitors against Pseudomonas aeruginosa infections. 译名：利用机器学习技术筛选出靶向LasR蛋白的苯胺苯乙酸酯衍生物，可作为抑制铜绿假单胞菌感染的生物膜抑制剂 影响因子：IF=14.6/Q1 期刊：Acta Pharmaceutica Sinica B 发表时间：2026年4月2日 集思慧远含有多种虚拟筛选库，如中药单体库，FDA库和天然产物库等，可针对已知靶点筛选激动剂/抑制剂，后续分子实验、多组学测序（转录组/蛋白组/代谢组等）、机制研究及完整课题设计也可提供相关服务。需要的老师长按下面二维码联系。 研究思路 1. 虚拟筛选：构建图神经网络—药效团—分子对接—分子动力学多层次筛选模型，以LasR为核心靶点，成功发现苯胺苯乙酸酯类先导物； 2. 化合物合成、结构优化与生物膜抑制活性：经合成与构效关系优化，获得含间位三氟甲基与酰胺连接的硝基药效团的2g化合物，可选择性抑制生物膜形成，而非直接杀菌活性； 3. 机制解析：转录组、SPR和分子动力学等证实2g通过靶向LasR阻断QS通路，抑制生物膜相关基因与毒力因子表达； 4. 体外活性：2g抑制毒力因子产生和细菌运动、与抗生素协同增效并抑制耐药进化； 5. 体内疗效、安全性与药代动力学：小鼠皮肤伤口感染模型证实2g体内协同抗生素抗感染、促愈合、良好安全性与成药潜力。 研究结果 1. 靶向LasR抑制剂的理性设计 收集1,029个已知LasR抑制剂划分为训练集（823个）、测试集（206个）和验证集（103个）。基于Chemprop构建图神经网络（GNN）二分类模型，其训练准确率99%、测试准确率83%、AUC-ROC=0.92，活性评分>0.75时预测活性化合物准确率>99%；整合GNN、药效团、分子对接、分子动力学模块，形成稳健ML筛选框架（图2A）。 多维筛选结果： (1)以4,7256个化合物为初始库，GNN筛选出4,207个评分>0.75的化合物； (2)经4个药效团特征（2个氢键受体、1个氢键供体、1个疏水中心）、Phase Score>0.974筛选，得到914个化合物； (3)LasR天然配体3OC12-HSL为参照，分子对接采用Glide SP（≤-6.823 kcal/mol）与XP（≤-7.035 kcal/mol）两级筛选，获得171个与Tyr56/Asp73/Ser129互作的化合物（图2C-D）； (4)100 ns分子动力学模拟显示，1f-LasR和1h-LasR复合物RMSD均<1.4 Å，MM/GBSA结合自由能分别为-50.37、-71.67 kcal/mol（图2E），确定1f、1h为先导化合物。 2. 苯胺苯乙酸酯衍生物的合成优化，并评估其抗生物膜活性与构效关系 以先导化合物1f、1h为基础，设计合成三大系列苯胺苯乙酸酯衍生物；所有衍生物经¹H NMR、¹³C NMR、HRMS确证结构（方案1‑3）。 抗生物膜活性：结晶紫法检测铜绿假单胞菌PAO1生物膜抑制，所有化合物无直接抗菌活性（MIC>256 μmol/L）。1f（氟取代）活性最优（IC50=0.27 μmol/L），优化得到含三氟甲基和硝基的2g（0.14 μmol/L），较阳性对照阿奇霉素（12.45 μmol/L）增效88倍（表1-2）；短链衍生物4c活性优异（IC50=0.52 μmol/L），长链4e活性丧失（>100 μmol/L）。 SAR关系：①取代基：吸电子基团（尤其氟、三氟甲基）显著提升活性，供电子和大体积基团削弱活性；②连接基：酯/酰胺的选择依赖于核心环的电子性质，短链有利；③骨架：硝基二苯基酰胺为必需药效团，硝基缺失导致活性骤降。2g整合间位三氟甲基与酰胺连接的硝基药效团，活性最优。 3. 化合物2g的生物膜调控作用 共聚焦显微镜显示2g（0.1‑20 μmol/L）剂量依赖性降低生物膜生物量与厚度，10‑20 μmol/L近乎完全破坏结构（图3B-C、F）；72 h动态分析显示2g特异性抑制QS依赖的生物膜成熟阶段（8‑16 h），不影响早期黏附（图3G）；对24 h成熟生物膜具有清除活性，最低有效浓度1.56 μmol/L（补充图）。 量化结果显示，2g可显著降低生物膜内活菌数（图3H-I），对浮游菌无生长抑制，表明其选择性破坏生物膜形成，而非直接杀菌活性。对多重耐药菌株MDR‑PA FB、PA1167同样具有高效抑制活性（图3D-E），表明其具有独立于传统耐药途径的机制活性。 4. 2g调控生物膜基因的转录组与机制 为阐明2g抗生物膜活性背后的分子机制，进行了转录组分析，结果显示生物膜细胞中2g显著下调lasR、全局调控因子vfr及下游的鞭毛运动、胞外多糖合成基因（图4A‑D），RT‑qPCR验证（图4E）。 SPR证实2g剂量依赖性结合LasR，与天然配体AHL竞争性结合，对接显示2g占据AHL结合口袋（图4F‑H）。200 ns分子动力学显示2g-LasR复合物稳定（RMSD<2.0 Å），关键残基Asp73、Tyr56、Thr75和Trp88参与结合，虚拟突变关键残基导致结合亲和力显著下降（图4I-J）。 5. 广谱QS干扰与选择性毒力抑制 验证2g的QS抑制广谱性与毒力调控。对CV026菌株，2g剂量依赖性抑制C6‑HSL诱导的紫色菌素产生，不影响细菌生长（图5A）。对铜绿假单胞菌，2g显著降低绿脓菌素、胞外多糖合成，不影响鼠李糖脂（图5B‑D）；GFP报告菌株显示选择性抑制las、pqs启动子活性，不影响rhl（图5E‑H）。表明2g选择性抑制las和pqs途径，从而减少绿脓菌素和胞外多糖产生，以阻止生物膜相关毒力。 细菌运动性影响：SEM显示2g处理后IV型菌毛近乎完全消失，且剂量依赖性抑制群集运动，中度抑制游泳运动（图5I-J），这与转录组学/qPCR显示下调鞭毛组装基因一致。进一步发现，2g处理不影响胞内c‑di‑GMP水平，表明运动抑制能力独立于c‑di‑GMP通路。强化了2g主要通过靶向破坏LasR介导QS系统起作用。 6. 与传统抗生素的协同增效作用 评估2g作为抗生素佐剂的协同活性与耐药抑制作用。棋盘法显示2g与环丙沙星（Cip，FICI=0.0625）、妥布霉素（Tob，FICI=0.125）强协同，与阿奇霉素相加，与头孢他啶等无协同（图6A‑C）。对MDR临床株PA1167，组合部分恢复抗生素敏感性（图6E）。在lasR敲除突变体中协同作用完全消失，回补株恢复（图6J‑M）。 动力学特征上，时间‑杀菌曲线显示2g+Cip或Tob可在24 h内将细菌清除至检测限以下，而单药组在8 h后出现再生（图6N）。抗生素耐药性上，连续传代显示PAO1菌株中，2g联合Cip或Tob后，MIC显著降低，在多重耐药临床分离株（PA FB和PA1167）也呈现这一趋势（图6F‑I）。以上表明2g通过LasR依赖机制增强Cip和Tob的抗菌活性，显著延缓耐药性产生。 7. 体内药效、安全性评价与药代动力学 体内药效：小鼠皮肤伤口感染模型中，2g联合低剂量环丙沙星、妥布霉素，细菌负荷显著降低，伤口愈合加速，效果与高剂量单药抗生素相当（图7A‑M）；机制上，联合治疗平衡了炎症微环境：抑制中性粒细胞浸润，上调VEGF、下调TGF‑β1、TNF‑α、IL‑6（图8A‑F）。 安全性：治疗期间小鼠体重稳定，主要器官无病理损伤（图7C、F、I-J、M-N）。100 μmol/L 2g对HepG2、A549、293T细胞无毒性（存活率>90%，图9A‑C）；斑马鱼胚胎无发育毒性（图9D）；对小鼠、兔红细胞无溶血活性（溶血率<5%，图9E‑H）。 药代动力学：大鼠口服生物利用度26.8%，体内暴露持续20 h，主要分布于肝脏，肺、肾有效浓度达标（图9I‑K）；腹腔与口服给药后主要器官无病理损伤（图9L-M）。以上表明2g在体内将两种抗生素疗效提升500倍，安全性良好，药代动力学支持口服给药。 文章总结 本研究基于构建的机器学习虚拟筛选流程，发现了靶向LasR的苯胺苯乙酸酯类先导物，经系统优化得到候选分子2g。通过转录组学、SPR、基因敲除/回补、多种体外功能实验以及小鼠伤口感染模型、药代与安全性评价，完整验证了2g靶向LasR抑制生物膜形成、毒力因子产生与细菌运动，并与抗生素协同抗感染的潜力。 集思慧远含有多种虚拟筛选库，如中药单体库，FDA库和天然产物库等，可针对已知靶点筛选激动剂/抑制剂，后续分子实验、多组学测序（转录组/蛋白组/代谢组等）、机制研究及完整课题设计也可提供相关服务。需要的老师长按下面二维码联系。 往期推荐 · 浙江大学Cell+1！多组学揭示铁死亡抑制因子MARCH7，双重泛素化机制调控铁稳态，高通量筛选锁定MARCH7稳定剂大黄素蒽酮可有效抗铁死亡 基于实验和AI改造DAAO，高效耐热用于草铵膦生物合成 Nature子刊最新突破｜AI与分子动力学模拟联动，解锁蟾毒灵靶向降解ERα逆转他莫昔芬耐药的分子胶机制 2个月接收！南京大学90%生信发11+：集网络毒理学+单细胞+空转+虚拟敲除，揭示邻苯二甲酸酯经铁死亡-EMT轴驱动子宫内膜异位症 注：本文原创表明为原创编译，非声张版权，侵删！ 关于集思慧远 集思慧远（GENEPIONEER）致力于将生命科学和化学相结合，助力客户达成科研创新的目标。更多信息请浏览：genepioneer.cn 南京集思慧远生物科技有限公司于2015年4月成立，是一家专业从事科研实验服务的公司。公司总部坐落在具有丰厚历史底蕴的南京，坐标在南京大学旁的江苏生命科技创新园，办公面积2000m²，员工人数100+。集思医学主营业务有： 1.基因/转录/蛋白/代谢/微生物等常规高通量组学及单细胞和空间转录组等时空组学； 2.表观组学：WGBS/Ribo-seq/CUT&Tag/ATAC-seq/Hi-c/m6A/m5C/ac4C等各类修饰）的表观遗传研究，助力新靶点发现、药物作用机制研究及疾病表观调控机制探索； 3.蛋白修饰：磷酸化、乙酰化、泛素化、乳酸化、组蛋白甲基化等修饰 4.专业的医学方案整体设计，利用生物信息学对公共数据进行深入挖掘分析，并提供干湿结合实验； 5.新靶点发现及验证服务，通过ABPP/TPP/DARTS等技术加速小分子药物靶点发现； 6.难成药靶点降解剂开发技术PROTAC； 7.基于AI的药物筛选/设计/优化/抑制剂开发等； 8.无需抗体的临近标记（PLA）技术提供蛋白互作研究。 9.纳米材料递送药物系统开发，定制化纳米载体设计与制备，解决药物靶向递送至病灶组织/细胞等药物递送难题。 集思的荣誉及成果：2017获国家高新技术企业，2020众创板挂牌，2021获江苏省民营科技企业称号。2024荣膺江苏省“专精特新”中小企业、栖霞高新区TOP20明星企业称号。创始人先后获“创业南京”人才计划二等奖，“中国江苏创新创业大赛”优胜奖，“南京市创新型企业家”称号等。集思的愿景：打造生命科学行业的航空母舰，为人类生命健康保驾护航，为人类生产生活谋福祉。