新德里金属—β-内酰胺酶(NDM-1)抑制剂的计算机辅助设计与研究

摘要

1928年Fleming教授发现青霉素以来的八十多年里，人类已经研制和发现了十余类数千种抗生素类药物，并广泛的应用于临床医疗中。抗生素类药物60年前应用于临床以来，人类的感染性疾病发病率和死亡率得到了前所未有的控制。但是，随着人类对抗生素的滥用和误用，很多病原菌已经具有了抗生素的耐药性，感染性疾病的疗效呈逐渐下降的趋势。
　　 2010年8月11日，著名医学杂志《柳叶刀》刊文报导，南亚出现了一种特殊的肠杆菌科细菌，对几乎对所有抗生素都有耐药性。该报道随即引起媒体广泛关注，被称之为“超级细菌”。此种细菌的质粒上携带有blaNDM-1基因，它能够表达一种β-内酰胺酶，几乎可以水解所有临床应用的抗生素。因为首次病例在印度新德里发现，所以研究者们把它叫做新德里金属-β-内酰胺酶1(New Delhimetallo-β-lactamase1，NDM-1)。更为严重的是，由于blaNDM-1基因位于质粒上，可在不同菌种之间水平转移，致使其他菌种也具有耐药性。
　　 NDM-1细菌的出现使得人类面临了一种感染“无药可治”的尴尬境地，如何解决NDM-1超级细菌已经成为了摆在人类面前的重要课题。研究发现，NDM-1细菌体内的一种耐药酶——新德里金属-β-内酰胺酶-1（NDM-1酶）能够水解当前临床应用的全部β-内酰胺类抗生素，是这种超强耐药性出现的罪魁祸首，如果能够发现一种抑制剂成功抑制NDM-1酶的活性，即可恢复β-内酰胺类抗生素对NDM-1细菌的抗菌活性。
　　 本课题旨在通过计算机辅助药物设计的方法，发现具有NDM-1酶抑制活性的的苗头化合物。首先，我们基于分布式运算集群建立了高通量虚拟筛选体系，并利用具有69万分子的数据库作为测试集，对虚拟筛选体系的筛选速度和能力进行了测试。针对新德里金属-β-内酰胺酶-1(NDM-1)靶点，我们利用虚拟筛选体系对包含660万分子的类药分子库进行虚拟筛选，得到了13类421个分子。经过目视检查，选择其中12个进行购买与合成，并进行了生物活性测试与结构优化改造，获得了对NDM-1酶具有较高抑制活性的候选化合物，通过对其进一步的优化与改造，阐述了衍生物结构与活性之间的关系，以上研究将为抗NDM-1药物研发提供新方法和新思路。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

第一节 概述

第二节 β-内酰胺类抗生素与耐药性

1．2．1 青霉素类抗生素

1．2．2 头孢菌素类抗生素

1．2．2 碳青霉烯类抗生素

1．2．4 β-内酰胺类抗生素的耐药性

第三节 金属β-内酰胺酶类

1．3．1 β-内酰胺酶类的分类

1．3．2 金属-β-内酰胺酶类的分类

第四节 NDM-1细菌与NDM-1酶

1．4．1 NDM-1细菌的发现

1．4．2 携带NDM-1基因的菌株种类

1．4．3 NDM-1细菌的耐药性

第五节 本课题的研究意义

第二章 大规模虚拟筛选体系的建立

第一节 引言

第二节 小分子药物的虚拟筛选体系的建立

2．2．1 软件与硬件条件的配备

2．2．2 虚拟筛选流程

2．2．3 体系测试分子的选取——受体分子

2．2．4 配体分子库的建立

第三节 高通量虚拟筛选中分子对接方法的建立

2．3．1 分子对接概述

2．3．2 对接分子的准备

2．3．3 分子对接步骤的建立

第四节 高通量虚拟筛选中药效团筛选方法的建立

2．4．1 药效团筛选概述

2．4．2 药效团筛选训练集的建立

2．4．3 药效团筛选模型的建立

第五节 结果与讨论

2．5．1 筛选流程建立与测试

2．5．2 Aurora A激酶抑制剂的筛选结果

第三章 NDM-1酶抑制剂的设计

第一节 NDM-1酶催化机理分析

3．1．1 NDM-1晶体结构分析

3．1．2 活性位点及其催化机理研究

3．1．3 活性位点及其催化机理研究

第二节 NDM-1酶抑制剂虚拟筛选方法的建立

3．2．1 软硬件设备的配置

3．2．2 受体与配体分子库的准备

3．2．3 分子对接方法测试

3．2．4 药效团筛选方法测试

第三节 NDM-1酶抑制剂的虚拟筛选

3．3．1 大规模类药小分子库的建立

3．3．2 NDM-1酶抑制剂的高通量虚拟筛选

第四节 结果与讨论

第四章 化合物的生物活性测与结构优化

第一节 实验材料、试剂和仪器设备

4．1．1 实验仪器与耗材

4．1．2 实验试剂与配方

4．1．3 重组质粒和载体

第二节 实验方法与步骤

4．2．1 NDM-1测活体系底物的介绍

4．2．2 NDM-1测活体系的原理

4．2．3 NDM-1测活体系的测试方法

第三节 生物活性测定结果

第四节 活性化合物的衍生与优化

4．4．1 化合物优化方法

4．4．2 化合物NKNDM111002的优化

第五章 结果与讨论

参考文献

致谢

个人简历