在抗菌素耐药性（AMR）日益严重的全球公共卫生危机背景下，每年约有470万死亡病例与耐药菌感染相关，预计到2050年这一数字将攀升至820万。面对这一严峻挑战，研发具有新颖化学结构或作用机制的新型抗菌药物迫在眉睫。β-内酰胺类抗生素作为最重要的抗菌药物家族之一，包括青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类和单环β-内酰胺类，其作用机制是通过抑制青霉素结合蛋白（PBPs）来阻断细菌细胞壁合成。
单环β-内酰胺类抗生素因其独特的单环结构，对金属β-内酰胺酶（MBLs）具有天然耐药性，这使其在治疗产酶耐药菌感染方面具有显著优势。目前唯一上市的单环β-酰胺类药物氨曲南（aztreonam）主要作用于革兰阴性菌的PBP3，但对革兰阳性菌如金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌和粪肠球菌的活性很弱。随着超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）的出现，氨曲南的临床疗效受到挑战，因此开发具有更广抗菌谱的新型单环β-内酰胺类抗生素具有重要意义。
在这项发表于《Journal of Medicinal Chemistry》的研究中，由Vid Kavaš、Carlos Contreras-Martel、Stane Pajk等组成的国际研究团队开展了一项系统性研究，旨在开发新型单环β-酰胺类PBP抑制剂。研究团队以商业可得的(2S,3S)-3-氨基-2-甲基-4-氧代氮杂环丁烷-1-磺酸为起点，通过合理的药物设计策略，合成了一系列新型单环β-内酰胺衍生物，并深入研究了它们的结构-活性关系。
研究采用了多项关键技术方法：通过计算机辅助药物设计（包括药效团模型和二维相似性搜索）进行化合物筛选；使用BOCILLIN FL荧光各向异性法测定PBP1b抑制活性；通过微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度（MIC）；利用X射线晶体学解析化合物与PBP1b*的复合物结构；使用核磁共振（NMR）和高分辨质谱（HRMS）进行化合物结构表征。实验菌株包括金黄色葡萄球菌ATCC 29213、大肠杆菌ATCC 25922、鲍曼不动杆菌8C6 GES-14（来源：欧洲耐药性参考实验室EURL-AMR）等10种临床相关菌株。
2. 结果与讨论
2.1. 计算机辅助设计
研究团队基于氨曲南与大肠杆菌PBP1b共晶结构（PDB ID: 5HLB）构建了三种不同的药效团模型，通过虚拟筛选鉴定了26个候选化合物。基于综合评分和化学多样性，合成了6个化合物（2-7）。随后以该系列中最有效的先导化合物6（苯乙酸衍生物）为基础，进一步设计合成了化合物8-21，系统研究其构效关系。
2.3. 生物学评价
2.3.1. PBP1b抑制实验和体外抗菌活性
酶抑制实验显示，化合物11对肺炎链球菌PBP1b的抑制活性最强（IC50= 42 nM），显著优于氨曲南（IC50= 3.2 μM）。大多数合成化合物的PBP1b抑制活性都优于氨曲南，但苯甲酸衍生物（2-5、7）仅显示中等抑制活性。
抗菌实验表明，化合物6对金黄色葡萄球菌具有中等抑制作用，这一现象在单环β-内酰胺中较为罕见。值得注意的是，化合物17是第一个系列中唯一能抑制大肠杆菌生长的化合物。通过二维相似性搜索设计的化合物（22-27）平均对PBP1b的抑制活性优于氨曲南，其中化合物26对大肠杆菌和肺炎克雷伯菌表现出最强的活性。
2.4. 晶体学研究
研究团队成功解析了10个单环β-内酰胺水解产物与肺炎链球菌PBP1b*的复合物晶体结构（PDB ID: 9SG9、9SG5等）。结构分析揭示了前所未有的结合相互作用，特别是化合物11中2,6-二氯苯基与保守苏氨酸残基Thr654的骨架羰基形成了卤键相互作用，这一发现为设计更高效的PBP抑制剂提供了新思路。
化合物22与氨曲南具有相似的结合模式，但其肟侧链朝向溶剂方向，并与Met497形成水桥氢键。对于含有芳基乙酸侧链的化合物（9、10、15、21），研究发现其氨基磺酸部分存在两种不同的结合构象，这种构象多样性可能源于单环β-内酰胺侧链相互作用的缺失。
3. 结论
本研究成功设计、合成并生物学评价了基于商业可得化合物1的新型单环β-内酰胺库。获得20多个对肺炎链球菌PBP1b具有亚微摩尔或低微摩尔抑制活性的化合物，其中化合物11活性最强（IC50= 42 nM）。晶体结构研究揭示了新的结合模式，特别是与保守KTGT motif中Thr654的卤键相互作用，这为针对不同细菌物种PBP的广谱抑制剂设计提供了重要依据。
该研究不仅为克服抗菌素耐药性提供了新的候选化合物，而且通过高分辨率晶体结构揭示了单环β-内酰胺与PBP相互作用的新机制，为后续基于结构的药物设计奠定了坚实基础。这些发现对开发新一代对抗多重耐药菌感染的抗生素具有重要的科学意义和临床价值。
