阅读说明：本技术 一种小分子化合物c34h22fn3o5s2在大肠杆菌性脑膜炎中的应用 (Small molecule compound C34H22FN3O5S2Application in E.coli meningitis ) 是由 陈誉华 徐晓倩 赵伟东 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了小分子化合物C_(34)H_(22)FN_3O_5S_2在制备治疗大肠杆菌性脑膜炎药物中的用途,该化合物或其异构体、溶剂合物或前体,或它们的药学上可接受的盐,通过靶向竞争性结合细菌性脑膜炎毒力因子IbeA蛋白中与脑血管内皮上受体蛋白Caspr1的互作热点氨基酸残基,从而阻断二者结合,达到阻大肠杆菌穿过血脑屏障或阻断脑膜炎大肠杆菌侵袭神经元的目的。本发明从干预细菌-宿主的配体(IbeA)-受体(Caspr1)相互作用,封闭病原菌角度出发,采用靶向治疗新手段,将为新生儿细菌性脑膜炎的预防和治疗提供新的靶向药物。(The invention discloses a small molecule compound C 34 H 22 FN 3 O 5 S 2 The compound or an isomer, a solvate or a precursor thereof, or pharmaceutically acceptable salts thereof can be combined with hot spot amino acid residues of interaction of a brain vascular endothelial receptor protein Caspr1 in a bacterial meningitis virulence factor IbeA protein in a targeted competitive manner so as to block the combination of the two, thereby achieving the purpose of preventing the escherichia coli from passing through a blood brain barrier or blocking the meningitis escherichia coli from invading neurons. The invention starts from the interaction of ligand (IbeA) -receptor (Caspr1) for intervening bacteria-host and the closure of pathogenic bacteria, adopts a new targeted treatment method, and is characterized in thatThe prevention and treatment of neonatal bacterial meningitis provides new targeted drugs.)

一种小分子化合物C34H22FN3O5S2在大肠杆菌性脑膜炎中的应用

技术领域

本发明涉及药物技术领域，体涉阻断新生儿脑膜炎致病毒力因子IbeA穿过血脑屏障和侵袭神经元的新药物靶点，作为制备新生儿脑膜炎新药物中的用途。

新生儿细菌性脑膜炎是儿科严重感染性疾病之一，临床上尽管有针对细菌的抗生素和相关的支持疗法，但由于细菌的耐药性和大部分抗生素难以穿过血液与脑组织之间的屏障结构等原因，仍有5％-40％的患儿死亡。大肠杆菌(E.coli)K1株是引起新生儿细菌性脑膜炎最常见的革兰氏阴性致病菌。引起大肠杆菌性脑膜炎的首要条件是血行播散的E.coli必须穿过主要由脑微血管内皮细胞(BMECs)组成的血脑屏障，其中关键的环节是E.coli黏附并侵袭进入BMECs。申请人所在实验室新近在体内鉴定出神经元接触伴侣蛋白1(Contactin-associated protein 1,Caspr1)为大肠杆菌毒力因子IbeA在BMECs上的受体，IbeA通过229-343氨基酸片段结合于Caspr1胞外段203-355aa组成的Laminin蛋白家族结构域实现细菌穿透血脑屏障。基础以上研究结果，我们首选通过计算机辅助同源建模的方法构建了Caspr1(203-355aa)及IbeA(229-343aa)的三维空间结构及互作位点，并确定二者可稳定结合。发现在IbeA(229-343aa)中存在一个稳定的小分子结合口袋，这一结果表明，IbeA(229-343aa)区域可能在调解细菌入侵方面发挥关键作用。

鉴于Caspr1及IbeA蛋白纯化无法满足结构解析的技术要求，申请人所在课题组通过计算机辅助同源建模的方法构建了Caspr1(203-355aa)及IbeA(229-343aa)的三维空间结构，并预测了二者之间的结合模式及互作位点，通过MM/GBSA及RMSD确定了二者的稳定结合。基于预测模型，发明人发现IbeA(229-343aa)恰好是一个稳定性较高的小分子结合口袋，这一证据表明，IbeA(229-343aa)区域可能在调解细菌入侵方面发挥关键作用。

CN108611411A公开了Caspr1膜蛋白作为制备新生儿脑膜炎药物中的用途，该专利申请虽然公开了Caspr1膜蛋白或IbeA-Caspr1相互作用的结构域作为阻断脑膜炎大肠杆菌穿过血脑屏障和侵袭神经元的新药物靶点和作为制备新生儿脑膜炎新药物中的用途，且公开了以Caspr1 203-355肽段为基础制备阻断脑膜炎大肠杆菌穿过血脑屏障的寡肽药物，但是该技术方案针对大鼠进行了Caspr1基因的敲除从而显著降低了E.coli K1引起的新生小鼠脑膜炎的发病率，这在实际临床和药物的制备中是不切实际的，对患者的基因的敲除会导致后续难以验证的大量问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供小分子化合物C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂在制备治疗大肠杆菌性脑膜炎药物中的用途。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

小分子化合物C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂在制备治疗大肠杆菌性脑膜炎药物中的用途；

所述小分子化合物C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂的结构式如式Ⅰ所示：

进一步的，所述式Ⅰ所示化合物或其异构体、溶剂合物或前体，或它们的药学上可接受的盐，通过靶向竞争性结合细菌性脑膜炎毒力因子IbeA蛋白中与脑血管内皮上受体蛋白Caspr1的互作热点氨基酸残基，从而阻断二者结合，达到阻大肠杆菌穿过血脑屏障或阻断脑膜炎大肠杆菌侵袭神经元的目的。

进一步的，所述IbeA蛋白作为新生儿脑膜炎致病菌E.coli K1的毒力因子。

进一步的，所述IbeA-Caspr1的互作热点氨基酸残基为R189,W196,R331,V332,N333,L337,S202,G325,I328,F329,N330,D336,R340,H342,R344来源于Caspr1；V255,L319,F322,G323,T325,V326,G259,L261,T265,E266,M324,R329,S331来源于IbeA。

进一步的，所述治疗大肠杆菌性脑膜炎药物用于封闭致病菌阻断脑膜炎大肠杆菌穿过血脑屏障或阻断脑膜炎大肠杆菌侵袭神经元。

进一步的，所述治疗大肠杆菌性脑膜炎药物为易于穿过血脑屏障的中枢神经系统疾病治疗药物。

进一步的，所述治疗大肠杆菌性脑膜炎药物为小分子化合物药物。

一种用于治疗大肠杆菌性脑膜炎的药物组合物，所述的药物组合物包含：式(I)所示化合物或其异构体、溶剂合物或前体，或它们的药学上可接受的盐；和药学上可接受的载体；

式Ⅰ：

一种用于治疗大肠杆菌性脑膜炎的药物组合物，所述的药物组合物包含：式(I)所示化合物或其异构体、溶剂合物或前体，或它们的药学上可接受的盐；和药学上可接受的载体；和其他治疗大肠杆菌性脑膜炎的有效成分。

式Ⅰ：

进一步的，所述其他治疗大肠杆菌性脑膜炎的有效成分为广谱抗生素。

进一步的，所述的药物组合物中，所述药学上可接受的载体为是用于将本发明的式I化合物、异构体、溶剂合物、前体，或它们的药学上可接受的盐传送给动物或人的药学上或食品上可接受的溶剂、悬浮剂或赋形剂；载体可以是液体或固体。

本发明揭示了细菌E.coli K1的毒力因子IbeA与人脑微血管内皮细胞上受体Caspr1的互作位点，从而以IbeA-Caspr1互作结构域为基础筛选、制备阻断其互作的用于新生儿细菌性脑膜炎防治的小分子化合物药物。

本发明的另一个方面，首次构建了Caspr1(203-355氨基酸肽段)与IbeA(229-343肽段)互作的结构模型，并报道其互作氨基酸热点残基。其中IbeA(229-343肽段)中热点残基主要集中于α1及α3螺旋上，并在周周形成一个小分子结合口袋，与细菌侵袭密切相关。

本发明的另一个方面，首次以IbeA(229-343肽段)作为靶点，利用类药性小分子化合物库中对所获分子模型进行虚拟筛选，从213279种市售化合物中寻找潜在的抑制剂。对结合能排序在前的50种小分子在体外通过表面等离子共振(SPR)测试其与IbeA(229-343aa)纯化蛋白的结合能力滴定，9种化合物表现出直接结合能力。进而通过体外毒性测试及细菌侵袭实验证实4种分子可在低细胞毒性范围内显著减少或阻止细菌侵入人脑微血管内皮细胞(hBMECs)。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)现有技术针对预防新生儿细菌性脑膜炎的发生尚无有效的方法,新生儿患脑膜炎多采用广谱抗生素治疗，其弊端是因细菌耐药，且大部分抗生素难以穿过血液与脑组织之间的屏障结构，仍会有5％-40％患儿的死亡；且抗生素治疗的原理是杀死细菌，但同时会伴有大量的炎症反应，例如高热，因此即便治愈，存活患儿中仍有30％留有永久性神经系统后遗症，诸如癫痫、智力和运动障碍等。在此情况下，开发有效防止新生儿细菌性脑膜炎的靶向药物具有重要的意义。

(2)本发明从干预细菌-宿主的配体(IbeA)-受体(Caspr1)相互作用，封闭病原菌角度出发，采用靶向治疗新手段，将为新生儿细菌性脑膜炎的预防和治疗提供新的靶向药物。

附图说明

图1为Caspr1(203-355氨基酸肽段)与IbeA(229-343氨基酸肽段)互作结构模式图及热点氨基酸残基图，其中A为Caspr1(203-355aa)-IbeA(229-343aa)复合物中保持结构稳定的热点氨基酸残基,关键位点序列及氨基酸名称在对应位点中用橘色字标注；B为Caspr-IbeA互作模式图，关键氨基酸位点由黑色字标注；C为IbeA(229-343)氨基酸肽段表面结构模式图，橘色显示与细菌侵袭相关的小分子结合口袋。

图2为SPR体外测试SPECS数据库筛选出的Top50小分子与IbeA蛋白的亲和性，其中9种小分子显示有与IbeA(229-343aa)直接结合的特征图。

图3为CCK-8实验检测可与IbeA直接结合的小分子对人脑微血管内皮细胞(hBMEC)的毒性图。

图4为细菌侵袭实验验证5种低毒性小分子化合物对大肠杆菌E.coli K1侵入人脑微血管内皮细胞的阻断效果图。

图5为有可阻断大肠杆菌E.coli K1侵入人脑微血管内皮细胞的小分子化合物与IbeA(229-343氨基酸肽段)对接结构模式图，其中A为C₂₈H₂₆Cl₂N₈(AK-968/11283147)与IbeA(229-343aa)互作模式图；B为C₂₉H₂₈Cl₂N₆O(AE-641/30154051)与IbeA(229-343aa)互作模式图；C为C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂(AF-399/42017932)与IbeA(229-343aa)互作模式图；D为C₂₉H₂₂N₂O₈(AN-652/14563011)与IbeA(229-343aa)互作模式图。

具体实施方式

本发明人经过深入的研究，首次揭示一种小分子化合物C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂在制备治疗大肠杆菌性脑膜炎药物中的用途，其通过靶向竞争性结合脑膜炎毒力因子IbeA蛋白或IbeA-Caspr1互作热点氨基酸残基，阻断脑膜炎大肠杆菌穿过血脑屏障或阻断脑膜炎大肠杆菌侵袭神经元。在此基础上完成了本发明。

本发明中，“药学上可接受的”成分是适用于人和/或动物而无过度不良副反应(如毒性、刺激和***反应)即有合理的效益/风险比的物质。

本发明中，“药学上可接受的载体”是用于将本发明的式(I)化合物、异构体、溶剂合物、前体，或它们的药学上可接受的盐传送给动物或人的药学上或食品上可接受的溶剂、悬浮剂或赋形剂。载体可以是液体或固体。

本领域人员应理解，在得知了本发明化合物的结构以后，可通过多种本领域熟知的方法、利用公知的原料，来获得本发明的化合物，比如化学合成或从生物(如动物或植物)中提取的方法，这些方法均包含在本发明中。

本发明揭示了细菌E.coli K1的毒力因子IbeA与人脑微血管内皮细胞上受体Caspr1的互作位点，从而以IbeA-Caspr1互作结构域为基础筛选、制备阻断其互作的用于新生儿细菌性脑膜炎防治的小分子化合物药物。

本发明的另一个方面，首次构建了Caspr1(203-355氨基酸肽段)与IbeA(229-343肽段)互作的结构模型，并报道其互作氨基酸热点残基。其中IbeA(229-343肽段)中热点残基主要集中于α1及α3螺旋上，并在周周形成一个小分子结合口袋，与细菌侵袭密切相关。

本发明的另一个方面，首次以IbeA(229-343肽段)作为靶点，利用类药性小分子化合物库中对所获分子模型进行虚拟筛选，从213279种市售化合物中寻找潜在的抑制剂。对结合能排序在前的50种小分子在体外通过表面等离子共振(SPR)测试其与IbeA(229-343aa)纯化蛋白的结合能力滴定，9种化合物表现出直接结合能力。进而通过体外毒性测试及细菌侵袭实验证实4种分子可在低细胞毒性范围内显著减少或阻止细菌侵入hBMECs。

本发明所述的药物组合物的剂型可以是多种多样的，只要是能够使活性成分有效地到达哺乳动物机体的剂型都是可以的。比如可选自：溶液、悬浮液、片剂、胶囊、粉末、颗粒或糖浆。根据本发明的化合物所治疗的疾病类型，本领域人员可以选择方便应用的剂型。

式(I)化合物作为活性成分的有效施用剂量可随给药的模式和待治疗的疾病的严重程度而变化。或以缓释形式给药，可调节此剂量方案以提供最佳治疗应答。例如，由治疗状况的迫切要求，可每天给予若干次分开的剂量，或将剂量按比例地减少，或与其他具有治疗大肠杆菌性脑膜炎效果的药物联合使用。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件如J.萨姆布鲁克等编著，分子克隆实验指南，第三版，科学出版社，2002中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1化合物筛选

申请人所在实验室新近在体内鉴定出神经元接触伴侣蛋白1(Contactin-associated protein1,Caspr1)为大肠杆菌毒力因子IbeA在BMECs上的受体，IbeA通过229-343氨基酸片段结合于Caspr1胞外段203-355aa组成的Laminin蛋白家族结构域实现细菌穿透血脑屏障。基础以上研究结果，首选通过计算机辅助同源建模的方法构建了Caspr1(203-355aa)及IbeA(229-343aa)的三维空间结构及互作位点，并确定二者可稳定结合。发现在IbeA(229-343aa)中存在一个稳定的小分子结合口袋，这一结果表明，IbeA(229-343aa)区域可能在调解细菌入侵方面发挥关键作用。

鉴于Caspr1及IbeA蛋白纯化无法满足结构解析的技术要求，我们通过计算机辅助同源建模的方法构建了Caspr1(203-355aa)及IbeA(229-343aa)的三维空间结构，并预测了二者之间的结合模式及互作位点，通过MM/GBSA及RMSD确定了二者的稳定结合。基于预测模型，我们发现IbeA(229-343aa)恰好是一个稳定性较高的小分子结合口袋，这一证据表明，IbeA(229-343aa)区域可能在调解细菌入侵方面发挥关键作用。

进而我们利用类药性小分子化合物库中对所获分子模型进行虚拟筛选，从213279种市售化合物中寻找潜在的抑制剂。具体步骤如下：

1)材料准备：虚拟筛选软件为Autodock Vina version 1.1.2(版本)；分子三维结构显示及处理软件为PyMoL 4.4(DeLano Scientific，Palo Alto，CA)；化合物数据库来自SPECS(http://www.specs.net)。

2)数据库准备：考虑到化合物的结构多样性及来源可获得性，本研究选择含有200000个小分子的SPECS数据库作为原始数据库。利用OpenBabel 2.4.0软件，对数据库中的小分子进行初筛，每一个化合物都能得出一组物理和生物性质的相关数据。筛选得到的小分子组成数据库A，所有数据库A中的小分子都将用于之后的分子对接筛选。

3)蛋白活性口袋的准备：我们选择预测的IbeA(229-343)中小分子结合口袋作为分子对接的受体结构。在受体蛋白结构的准备过程中，删除受体结构中的水分子，添加氢原子同时将合并非极性氢，将电场设置为Gasteiger。准备好受体结构后，开始进行分子对接。

4)分子对接筛选：我们使用Autodock Vina 1.1.2来进行分子对接。准备工作就绪后，将数据库A中的所有分子对接到蛋白口袋中，每个小分子设置9种对接构象，通过Vina中打分函数对化合物进行打分，产生排名前500的化合物，然后考虑较好的对接打分值以及符合的结合模式(主要与蛋白口袋中关键氨基酸残基CYS74、ASP278及HIS280的作用模式)。从而筛选出50个化合物进行购买并用于接下来的生物活性测试。

表1为所述基于IbeA热点氨基酸残基及SPECS数据库筛选获得的与IbeA(229-343氨基酸肽段)具有高亲和性的前50排位小分子化合物的理化性质及SPECS数据库编号。

图1为Caspr1与IbeA对接表面及热点残基；A)显示Caspr1(203-355aa)-IbeA(229-343aa)复合物中保持结构稳定的热点氨基酸残基，通过MM/GBSA方法计算结合能于Y轴显示，X轴为氨基酸序列。关键位点序列及氨基酸名称在对应位点中用橘色字标注；B)显示Caspr-IbeA对接图中标注热点氨基酸残基位点，IbeA由绿色丝带模型显示，关键位点氨基酸名称及序列由黑色字标注；Caspr1由蓝色丝带模型显示，关键位点氨基酸名称及序列由红色字标注；C)IbeA中热点残基主要集中于α1及α3螺旋上，并在周边形成一个小分子结合口袋，由橘色表面结构模型显示，此结果指示IbeA(229-343aa)片段与细菌侵袭密切相关。

图2为SPR体外测试SPECS数据库筛选出的Top50小分子与IbeA蛋白的亲和性。其中9种小分子显示有与IbeA(229-343aa)直接结合的特征。

图3为IbeA直接结合小分子的HBMEC细胞毒性，橘色虚线显示每种化合物的半数致死浓度(IC50)，由CCK-8实验检测，每组实验重复三次取平均值。结果显示共有5个小分子化合物对HBMEC细胞为低毒性，即药物浓度达到100μM时细胞存活率仍在90％以上(如图所示)。

表2为所述基于IbeA热点氨基酸残基及SPECS数据库筛选、并经体外实验验证所获抑菌小分子先导化合物小分子化合物的信息。

实施例2小分子化合物低毒性实验

分别将实施例1中选出的50个小分子化合物进行CCK-8实验检测，受试细胞为人脑微血管内皮细胞(HBMECs)来源为美国约翰霍普金斯医学院Kim教授团队赠予。HBMECs培养条件为RPMI 1640培养基中加入下述营养物质：10％胎牛血清(FBS，Hyclone)，10％Nu-serum(BD Bosciences)，2mM glutamine，1mM sodium pyruvate，1×non-essential aminoacid，1×MEM vitamin。37℃，5％CO2恒温培养箱。2h/6h/24h/48h/72h的细胞毒性通过CCK-8实验来评价(Beyotime)。

图3为CCK-8实验检测可与IbeA直接结合的小分子对人脑微血管内皮细胞(hBMEC)的毒性图，由图显示，橘色虚线显示每种化合物的半数致死浓度(IC50)，每组实验重复三次取平均值。结果显示共有5个小分子化合物对HBMEC细胞为低毒性，分别为：C₂₅H₂₂N₂O₃

(AG-205/33674026)、C₂₉H₂₂N₂O₈(AN-652/14563011)、C₂₈H₂₆Cl₂N₈(AK-968/11283147)、C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂(AF-399/42017932)及C₂₉H₂₈Cl₂N₆O(AE-641/30154051)。

实施例3小分子化合物侵袭抑制实验

1.大肠杆菌K1株是临床上从新生儿脑膜炎患者脑脊液中分离，培养条件为含有100ug/ml利福平的脑心浸液培养基(BHI)，37℃。

2.将从荷兰SPECS公司购买的小分子粉末溶于DMSO中，制备成10.24mg/ml的DMSO母液备用。

3.人脑微血管内皮细胞(hBMECs)培养条件为：RPMI-1640培养基，含10％胎牛血清fetal bovine serum(FBS,Hyclone)，10％Nu-serum(BD Biosciences)，2mM glutamine，1mM sodium pyruvate,1×non-essential amino acid及1×MEM vitamin.37℃，5％CO2，95％湿度条件。

4.将hBMECs细胞接种到24孔板中，待细胞长成单层时将培养液更换为实验培养液(RPMI-1640，5％FBS，1mol/L丙酮酸钠)。

5.按所需浓度加入待测小分子(例如：50/100/150μM，需根据不同分子量计算)，共孵育30分钟。每个不同药物浓度的受试组需有一个DMSO对照组，DMSO加入量与加入药物溶液体积相同。

6.向单层培养的hBMECs细胞中加入等量的大肠杆菌，在37℃，5％CO2，100％湿度条件下孵育1.5小时后，弃掉实验培养液。

用RPMI-1640清洗3次。

7.加入含有100U/ml庆大霉素的实验培养液杀死细胞外细菌后，再继续培养1小时。

8.弃掉加入含有庆大霉素的实验培养液，用RPMI-1640清洗3次。

9.用0.5％的Triton X-100裂解细胞，将细胞裂解液涂布与含有利福平的LB琼脂平板上，过夜培养，计数菌落个数。

侵袭实验结果用相对侵袭力表示(E44：加药组/对照组)。

实验结果证明：小分子C₂₉H₂₂N₂O₈(AN-652/14563011)，C₂₈H₂₆Cl₂N₈(AK-968/11283147)，C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂(AF-399/42017932)及C₂₉H₂₈Cl₂N₆O(AE-641/30154051)具有可通过竞争性抑制大肠杆菌毒力因子IbeA蛋白上与脑内皮细胞上宿主蛋白Caspr1的结合，从而降低或阻断细菌侵袭入脑的效果。

图4为体外实验验证5种低毒性小分子化合物阻断大肠杆菌E.coli K1侵入HBMEC的效果，结果显示有4种化合物可有效在低细胞毒性范围内阻断细菌侵袭，分别为：C₂₉H₂₂N₂O₈(AN-652/14563011)，C₂₈H₂₆Cl₂N₈(AK-968/11283147)，C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂(AF-399/42017932)及C₂₉H₂₈Cl₂N₆O(AE-641/30154051)。

实施例4小分子化合物侵袭抑制效果对比

阻断细菌侵袭效果最好的是小分子C29H28Cl2N6O，小分子浓度达到100μM可抑制90％±6.0％的细菌侵袭，C34H22FN3O5S2及C29H22N2O8分子的阻断效果次之，在分子浓度达到150μM时分别可阻断90％±6.4％和90％±7.4％的细菌侵袭，C28H26Cl2N8分子在150μM时可抑制约67.5％±10.1％的细菌侵入内皮细胞，较低浓度抑制效果则不明显。

实施例5小分子化合物与I beA(229-343氨基酸肽段)对接结构模型构建

将上述小分子化合物与I beA(229-343氨基酸肽段)进行对接，结构模式图见图5，其中A为C₂₈H₂₆Cl₂N₈(AK-968/11283147)；B为C₂₉H₂₈Cl₂N₆O(AE-641/30154051)；C为C₃₄H₂₂FN₃O₅S₂(AF-399/42017932)D为C₂₉H₂₂N₂O₈(AN-652/14563011)。

本发明从干预细菌-宿主的配体(IbeA)-受体(Caspr1)相互作用，封闭病原菌角度出发，采用靶向治疗新手段，为制备新生儿细菌性脑膜炎的预防/治疗靶向药物的制备奠定了基础。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。