2026年3月30日，南華大學(xué)藥學(xué)院楊瑞閣和郭勇教授團(tuán)隊在Journal of Medicinal Chemistry發(fā)表了題為 “Identification of Rutaecarpine-Pyridinium Quaternary Ammonium Conjugates Exhibiting Dual Mechanisms of Membrane-Targeting and DNA Topo I Inhibition as Potent Antimicrobials against Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus” 的研究論文。

該研究聚焦耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）這一臨床上高致病性、高耐藥性且治療選擇日益受限的重要“超級細(xì)菌”，圍繞天然生物堿吳茱萸次堿（rutaecarpine）的抗菌潛力及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化開展了系統(tǒng)研究。作者以吳茱萸次堿為先導(dǎo)骨架，通過引入吡啶鎓季銨親水基團(tuán)并調(diào)控連接鏈長度與胺取代基，構(gòu)建了一系列吳茱萸次堿-吡啶鎓季銨綴合物，最終篩選獲得活性最優(yōu)分子 5dl。研究發(fā)現(xiàn)，5dl 對多株臨床 MRSA 菌株表現(xiàn)出與萬古霉素相當(dāng)?shù)捏w外抗菌活性，并兼具低溶血、低細(xì)胞毒、快速殺菌、低耐藥誘導(dǎo)傾向和良好血漿穩(wěn)定性；在小鼠皮膚膿腫和敗血癥模型中，5dl 也展現(xiàn)出突出的體內(nèi)抗感染效果。更重要的是，機(jī)制研究表明，5dl 并非依賴單一靶點(diǎn)發(fā)揮作用，而是同時通過靶向破壞細(xì)菌細(xì)胞膜和抑制 DNA 拓?fù)洚悩?gòu)酶 I（Topo I）形成協(xié)同殺菌效應(yīng)，從“膜穩(wěn)態(tài)破壞—DNA 復(fù)制/轉(zhuǎn)錄受阻”兩個層面共同促進(jìn)細(xì)菌死亡。整體來看，這項工作不僅為吳茱萸次堿類天然產(chǎn)物的抗菌開發(fā)提供了新的結(jié)構(gòu)改造思路，也為 MRSA 感染干預(yù)提出了一個兼具天然產(chǎn)物來源優(yōu)勢與新機(jī)制特征的候選分子范式。

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【摘 要】

天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣性，為發(fā)現(xiàn)具有新結(jié)構(gòu)或新作用機(jī)制、能夠克服微生物耐藥性的抗菌藥物提供了重要來源。本文以吳茱萸次堿（rutaecarpine）為先導(dǎo)化合物，設(shè)計并合成了一系列吳茱萸次堿-吡啶鎓季銨綴合物。生物活性評價表明，化合物 5dl 對金黃色葡萄球菌 ATCC 29213 及臨床分離的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）具有突出的抗菌活性，其最小抑菌濃度（MIC）為 0.5–2 μg/mL，與萬古霉素相當(dāng)。5dl 還表現(xiàn)出低溶血性、低耐藥發(fā)生頻率、低細(xì)胞毒性、快速殺菌能力以及良好的血漿穩(wěn)定性，顯示出進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用的潛力。值得注意的是，在兩種小鼠 MRSA 感染模型中，5dl 的治療效果優(yōu)于萬古霉素。機(jī)制研究表明，5dl 不僅能靶向破壞 MRSA 細(xì)胞膜，還能抑制 Topo I 活性，從而干擾 DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程，最終導(dǎo)致 MRSA 死亡。這些結(jié)果表明，5dl 有望成為對抗 MRSA 感染的潛在候選藥物。

01

研究背景及科學(xué)問題

細(xì)菌感染是全球第二大死亡原因?？股刈鳛橹委熂?xì)菌感染的常用藥物，在醫(yī)療體系中具有關(guān)鍵作用。然而，由于抗生素的過度使用和誤用，細(xì)菌耐藥問題日益嚴(yán)重，許多傳統(tǒng)抗生素正逐漸失去對耐藥菌株的療效。根據(jù) WHO 統(tǒng)計，全球每年有超過 700 萬人死于細(xì)菌耐藥。當(dāng)前，許多病原體已對主要抗菌藥物類別產(chǎn)生耐藥性，由多重耐藥菌引發(fā)的感染極難治療，也給臨床帶來巨大挑戰(zhàn)。MRSA 作為社區(qū)獲得性和醫(yī)院獲得性感染中最棘手的病原體之一，幾乎對所有常見抗菌藥物都表現(xiàn)出耐藥性，每年造成超過 12 萬例死亡；WHO 的全球抗生素耐藥報告還指出，MRSA 感染的死亡率比非耐藥菌感染高出 64%。因此，開發(fā)高效、低耐藥、且具新機(jī)制的抗 MRSA 藥物已十分迫切。

天然產(chǎn)物是抗生素研發(fā)的重要來源，大約 70% 的抗生素源自天然產(chǎn)物及其衍生物。生物堿作為天然產(chǎn)物的重要類別，具有抗腫瘤、抗炎、抗病毒和抗菌等多種生物活性。吳茱萸次堿是一種具有吲哚并喹唑啉骨架的生物堿，已知具備廣泛藥理活性，但其抗菌活性報道較少。作者前期研究發(fā)現(xiàn)，吳茱萸次堿及其類似物吳茱萸堿對金黃色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌具有一定抗菌作用，但吳茱萸次堿本身抗菌效力有限，可能與其結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)、水溶性較差有關(guān)。為提升其抗菌活性與水溶性，作者在保留連接鏈柔性的基礎(chǔ)上，在末端引入吡啶鎓季銨親水頭部，由此合成了一系列新化合物，并篩選得到最優(yōu)分子 5dl。隨后，作者系統(tǒng)評價了 5dl 的體外殺菌能力、耐藥發(fā)展趨勢、體內(nèi)安全性、體內(nèi)抗 MRSA 療效，并揭示其具有“膜破壞 + DNA Topo I 抑制”的雙重抗菌機(jī)制。

02

重要發(fā)現(xiàn)及亮點(diǎn)

圖1：論文給出了整體設(shè)計思路。作者從天然產(chǎn)物吳茱萸次堿出發(fā)，通過引入吡啶鎓季銨結(jié)構(gòu)擴(kuò)展化學(xué)空間，篩選出最優(yōu)候選物 5dl；同時提出其可能通過“細(xì)胞膜破壞 + Topo I 抑制”的協(xié)同雙機(jī)制殺滅 MRSA。

Scheme 1 / 合成路線：作者先制備不同的 2-氯代酰胺中間體，再以吳茱萸次堿為底物，經(jīng)二溴烷鏈連接、4-巰基吡啶取代，最終與不同氯代酰胺片段反應(yīng)，得到目標(biāo)化合物 5ak–5jm。所有化合物均經(jīng) NMR、HRMS 和 HPLC 純度確認(rèn)。

表1 + 圖2：體外抗菌活性和構(gòu)效關(guān)系分析顯示，母體吳茱萸次堿本身活性較弱（MIC > 64 μg/mL），但改造后多數(shù)衍生物對革蘭陽性菌活性顯著增強(qiáng)。最優(yōu)化合物 5dl 對金黃色葡萄球菌和多株臨床 MRSA 的 MIC 為 0.5–2 μg/mL，與萬古霉素相當(dāng)；其溶血毒性低（HC50 = 282.6 μg/mL），膜選擇指數(shù)高（SI = 565.2）。構(gòu)效關(guān)系上，連接鏈長度為 4 時整體更優(yōu)；取代基方面，脂肪胺優(yōu)于環(huán)胺和苯胺，帶 n-戊胺 的 5dk、5dl、5dm 活性最好，其中 5dl 的親水/疏水平衡最合適。

圖3：5dl 展現(xiàn)出很強(qiáng)的快速殺菌能力和低誘導(dǎo)耐藥風(fēng)險。對金黃色葡萄球菌 ATCC 29213 與 MRSA-11，5dl 在 4× MIC 下可于 6 小時內(nèi)清除細(xì)菌，在 8× MIC 下可于 4 小時內(nèi)完成清除，殺菌速度快于萬古霉素。連續(xù) 20 代傳代實(shí)驗中，5dl 的 MIC 基本穩(wěn)定；對照藥諾氟沙星則在第 18 代時 MIC 升高了 128 倍。此外，5dl 在 50% 人血漿中孵育 0、3、6 小時后，MBC 均保持 8 μg/mL，說明其血漿穩(wěn)定性良好。

圖4：安全性方面，5dl 對 NIH3T3 和 AC16 細(xì)胞毒性較低，在 16 μg/mL 以內(nèi)細(xì)胞活率均高于 95%；IC50 分別為 47.18 μg/mL 和 34.12 μg/mL。按其對金黃色葡萄球菌的 MIC 計算，選擇指數(shù)分別達(dá) 94.36 和 68.24，均遠(yuǎn)高于常用安全閾值。小鼠皮下注射實(shí)驗顯示，≤20 mg/kg 時總體安全，血液學(xué)和主要臟器病理檢查未見明顯異常。

圖5：在小鼠 MRSA 皮膚膿腫模型中，5dl 表現(xiàn)出很強(qiáng)的體內(nèi)療效。高劑量 10 mg/kg 的 5dl 可明顯恢復(fù)皮膚外觀和組織結(jié)構(gòu)，效果接近正常組；低劑量 5 mg/kg 的 5dl 也略優(yōu)于同劑量萬古霉素。定量上，5 mg/kg 的 5dl 可使感染部位菌負(fù)荷下降約 1.8 log10 CFU/g，存活菌比例下降約 96.4%；10 mg/kg 時菌負(fù)荷下降約 5.3 log10 CFU/g，并顯著降低 TNF-α 和 IL-6 水平。

圖6：在小鼠 MRSA 敗血癥模型中，5dl 同樣有效。12 mg/kg 的 5dl 可顯著降低肝、腎、脾中的細(xì)菌負(fù)荷，降幅分別約為 2.23、1.83、1.85 log10 CFU/g；在致死性感染條件下，5dl 將小鼠存活率從 0 提高到 50%，與同劑量萬古霉素相當(dāng)。組織病理結(jié)果也顯示，5dl 可明顯減輕器官損傷。

圖7：膜作用機(jī)制實(shí)驗表明，5dl 會直接破壞 MRSA 細(xì)胞膜。掃描電鏡下，處理后的細(xì)菌表面出現(xiàn)明顯損傷和形變；DAPI/PI 染色證明膜完整性下降；SYTOX Green 結(jié)果表明膜通透性迅速升高；DiSC3(5) 實(shí)驗證明其會誘導(dǎo)膜去極化；流式細(xì)胞術(shù)顯示，隨著 5dl 濃度升高，完整細(xì)胞比例下降、膜受損或死亡細(xì)胞比例顯著增加。

圖8：進(jìn)一步機(jī)制研究提示，5dl 與細(xì)菌膜上的 磷脂酰甘油（PG） 具有較強(qiáng)相互作用。外加 PG 和 PE 會削弱 5dl 的抗菌活性，其中 PG 影響最明顯；等溫滴定量熱結(jié)果顯示 5dl 與 PG 的親和力較強(qiáng)（Kd 約為 4.73 × 10^-7 M）。同時，5dl 還會誘導(dǎo)胞內(nèi) ROS 升高，并導(dǎo)致 DNA 與蛋白泄漏，說明其膜破壞會進(jìn)一步引發(fā)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)崩潰。

圖9：作者證實(shí) 5dl 還能抑制 MRSA 的 DNA Topo I。凝膠實(shí)驗顯示，5dl 可抑制 Topo I 介導(dǎo)的 DNA 松弛過程，并呈濃度依賴性；其對 MRSA Topo I 的 IC50 約為 0.85 μg/mL。補(bǔ)加 Topo I 后，5dl 的抗菌效應(yīng)明顯減弱，說明該靶點(diǎn)對其活性確實(shí)重要。更關(guān)鍵的是，5dl 對細(xì)菌 Topo I 的抑制遠(yuǎn)強(qiáng)于對人源 Topo I 的抑制，提示其具有一定選擇性。分子對接也支持其能夠穩(wěn)定占據(jù) MRSA Topo I 的催化口袋。

圖10：轉(zhuǎn)錄組結(jié)果進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)了雙機(jī)制判斷。5dl 處理后，共檢測到 2012 個差異表達(dá)基因，其中上調(diào) 1060 個、下調(diào) 952 個。下調(diào)基因主要集中在碳代謝、TCA 循環(huán)、氧化磷酸化和核糖體生物合成，說明細(xì)菌能量代謝和蛋白翻譯受到顯著抑制；上調(diào)基因則富集于 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、群體感應(yīng)、DNA 修復(fù)和嘌呤代謝，表明細(xì)菌正在應(yīng)對膜損傷和遺傳物質(zhì)損傷。與膜修復(fù)、脂質(zhì)代謝、DNA 拓?fù)湔{(diào)控及 SOS 反應(yīng)有關(guān)的基因也明顯失衡。

圖11：作者最終提出 5dl 的雙重殺菌模型：一方面，它破壞細(xì)胞膜、誘導(dǎo)膜去極化、擾亂轉(zhuǎn)運(yùn)與能量代謝，從而提升膜通透性并促進(jìn)自身進(jìn)入細(xì)胞；另一方面，它抑制 DNA Topo I，擾亂 DNA 超螺旋調(diào)控，激活 SOS 反應(yīng)和 DNA 修復(fù)通路。兩條路徑協(xié)同，最終導(dǎo)致細(xì)菌代謝崩潰和死亡。

【Citation】:Xu T, Wang T, Hu L, et al. Identification of Rutaecarpine-Pyridinium Quaternary Ammonium Conjugates Exhibiting Dual Mechanisms of Membrane-Targeting and DNA Topo I Inhibition as Potent Antimicrobials against Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus.J Med Chem.2026;69(7):8094-8114.

【貢獻(xiàn)】★★★★★

總之，為了提高吳茱萸次堿的抗菌活性和水溶性，本文設(shè)計并成功合成了一系列吳茱萸次堿-吡啶鎓季銨綴合物 5ak–5jm。生物活性評價表明，這些衍生物相較于母體吳茱萸次堿，具有顯著增強(qiáng)的抗菌活性和水溶性。最終篩選得到的優(yōu)化化合物 5dl 對金黃色葡萄球菌 ATCC 29213 及臨床 MRSA 菌株表現(xiàn)出優(yōu)異抗菌活性，MIC 為 0.5–2 μg/mL，與臨床一線藥物萬古霉素相當(dāng)。5dl 還具有低溶血性、低耐藥發(fā)生頻率、低細(xì)胞毒性、快速殺菌能力和良好的血漿穩(wěn)定性，體現(xiàn)出進(jìn)一步開發(fā)潛力。更重要的是，在兩種小鼠 MRSA 感染模型中，5dl 的治療效果優(yōu)于萬古霉素。機(jī)制研究表明，5dl 通過雙重機(jī)制發(fā)揮抗菌作用：它可誘導(dǎo)膜去極化、破壞轉(zhuǎn)運(yùn)并抑制能量代謝，擾亂細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)并增加膜通透性，從而促進(jìn)胞內(nèi)積累；與此同時，它通過抑制 DNA Topo I 干擾 DNA 超螺旋調(diào)控，導(dǎo)致 SOS 反應(yīng)和 DNA 修復(fù)通路異常激活。細(xì)胞膜損傷與 DNA 拓?fù)浞€(wěn)態(tài)破壞之間的協(xié)同作用，最終驅(qū)動細(xì)菌代謝崩潰并死亡。綜合藥理學(xué)和生物學(xué)評價表明，新型吳茱萸次堿-吡啶鎓季銨綴合物 5dl 是一個很有前景的抗 MRSA 先導(dǎo)化合物，也為開發(fā)新型抗菌藥物提供了有價值的思路。

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