Ďakujeme za návštevu stránky nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať najnovšiu verziu prehliadača (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, táto stránka nebude obsahovať štýly ani JavaScript.
Bol syntetizovaný 3-(antracén-9-yl)-2-kyanoakryloylchlorid 4 a použitý na syntézu rôznych vysoko aktívnych heterocyklických zlúčenín prostredníctvom jeho reakcie s rôznymi dusíkatými nukleofilmi. Štruktúra každej syntetizovanej heterocyklickej zlúčeniny bola dôkladne charakterizovaná pomocou spektroskopickej a elementárnej analýzy. Desať z trinástich nových heterocyklických zlúčenín preukázalo povzbudzujúcu účinnosť proti baktériám rezistentným voči viacerým liečivám (MRSA). Spomedzi nich zlúčeniny 6, 7, 10, 13b a 14 vykazovali najvyššiu antibakteriálnu aktivitu s inhibičnými zónami blízkymi 4 cm. Štúdie molekulárneho dokovania však ukázali, že zlúčeniny mali odlišnú väzbovú afinitu k proteínu 2a viažucemu penicilín (PBP2a), kľúčovému cieľu rezistencie voči MRSA. Niektoré zlúčeniny, ako napríklad 7, 10 a 14, vykazovali vyššiu väzbovú afinitu a interakčnú stabilitu v aktívnom mieste PBP2a v porovnaní s kokryštalizovaným chinazolinónovým ligandom. Naproti tomu zlúčeniny 6 a 13b mali nižšie skóre dokovania, ale stále vykazovali významnú antibakteriálnu aktivitu, pričom zlúčenina 6 mala najnižšie hodnoty MIC (9,7 μg/100 μl) a MBC (78,125 μg/100 μl). Analýza dokovania odhalila kľúčové interakcie vrátane vodíkových väzieb a π-stackingu, najmä so zvyškami, ako sú Lys 273, Lys 316 a Arg 298, ktoré boli identifikované ako interagujúce s kokryštalizovaným ligandom v kryštálovej štruktúre PBP2a. Tieto zvyšky sú nevyhnutné pre enzymatickú aktivitu PBP2a. Tieto výsledky naznačujú, že syntetizované zlúčeniny môžu slúžiť ako sľubné liečivá proti MRSA, čo zdôrazňuje dôležitosť kombinácie molekulárneho dokovania s biologickými testami na identifikáciu účinných terapeutických kandidátov.
V prvých rokoch tohto storočia sa výskumné úsilie zameriavalo najmä na vývoj nových, jednoduchých postupov a metód syntézy niekoľkých inovatívnych heterocyklických systémov s antimikrobiálnou aktivitou s použitím ľahko dostupných východiskových materiálov.
Akrylonitrilové zvyšky sa považujú za dôležité východiskové materiály pre syntézu mnohých pozoruhodných heterocyklických systémov, pretože sú to vysoko reaktívne zlúčeniny. Okrem toho sa deriváty 2-kyanoakryloylchloridu v posledných rokoch široko používajú na vývoj a syntézu produktov životne dôležitých v oblasti farmakologických aplikácií, ako sú medziprodukty liekov1,2,3, prekurzory anti-HIV, antivírusových, protirakovinových, antibakteriálnych, antidepresívnych a antioxidačných látok4,5,6,7,8,9,10. V poslednej dobe biologická účinnosť antracénu a jeho derivátov, vrátane ich antibiotických, protirakovinových11,12, antibakteriálnych13,14,15 a insekticídnych vlastností16,17, priťahuje veľkú pozornosť18,19,20,21. Antimikrobiálne zlúčeniny obsahujúce akrylonitrilové a antracénové zvyšky sú znázornené na obrázkoch 1 a 2.
Podľa Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) (2021) je antimikrobiálna rezistencia (AMR) globálnou hrozbou pre zdravie a rozvoj22,23,24,25. Pacientov nemožno vyliečiť, čo vedie k dlhším pobytom v nemocnici a potrebe drahších liekov, ako aj k zvýšenej úmrtnosti a invalidite. Nedostatok účinných antimikrobiálnych látok často vedie k zlyhaniu liečby rôznych infekcií, najmä počas chemoterapie a veľkých chirurgických zákrokov.
Podľa správy Svetovej zdravotníckej organizácie z roku 2024 sú meticilín-rezistentný Staphylococcus aureus (MRSA) a E. coli zaradené do zoznamu prioritných patogénov. Obe baktérie sú rezistentné voči mnohým antibiotikám, takže predstavujú infekcie, ktoré je ťažké liečiť a kontrolovať, a existuje naliehavá potreba vyvinúť nové a účinné antimikrobiálne zlúčeniny na riešenie tohto problému. Antracén a jeho deriváty sú známe antimikrobiálne látky, ktoré môžu pôsobiť na grampozitívne aj gramnegatívne baktérie. Cieľom tejto štúdie je syntetizovať nový derivát, ktorý dokáže bojovať proti týmto patogénom, ktoré sú nebezpečné pre zdravie.
Svetová zdravotnícka organizácia (WHO) uvádza, že mnohé bakteriálne patogény sú rezistentné na viacero antibiotík vrátane meticilín-rezistentného Staphylococcus aureus (MRSA), ktorý je bežnou príčinou infekcií v komunite a zdravotníckych zariadeniach. Pacienti s infekciami MRSA majú údajne o 64 % vyššiu úmrtnosť ako pacienti s infekciami citlivými na lieky. Okrem toho E. coli predstavuje globálne riziko, pretože poslednou obrannou líniou proti enterobaktériam rezistentným na karbapenem (t. j. E. coli) je kolistín, ale baktérie rezistentné na kolistín boli nedávno hlásené v niekoľkých krajinách. 22,23,24,25
Preto podľa Globálneho akčného plánu Svetovej zdravotníckej organizácie pre antimikrobiálnu rezistenciu26 existuje naliehavá potreba objavu a syntézy nových antimikrobiálnych látok. Veľký potenciál antracénu a akrylonitrilu ako antibakteriálnych27, antimykotických28, protirakovinových29 a antioxidačných30 látok bol zdôraznený v mnohých publikovaných prácach. V tejto súvislosti možno povedať, že tieto deriváty sú dobrými kandidátmi na použitie proti meticilín-rezistentnému Staphylococcus aureus (MRSA).
Predchádzajúce prehľady literatúry nás motivovali k syntéze nových derivátov v týchto triedach. Preto sa táto štúdia zamerala na vývoj nových heterocyklických systémov obsahujúcich antracénové a akrylonitrilové skupiny, vyhodnotenie ich antimikrobiálnej a antibakteriálnej účinnosti a skúmanie ich potenciálnych väzbových interakcií s proteínom viažucim penicilín 2a (PBP2a) pomocou molekulárneho dokovania. Na základe predchádzajúcich štúdií táto štúdia pokračovala v syntéze, biologickom hodnotení a výpočtovej analýze heterocyklických systémov s cieľom identifikovať sľubné látky rezistentné na meticilín proti Staphylococcus aureus (MRSA) so silnou inhibičnou aktivitou voči PBP2a31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49.
Náš súčasný výskum sa zameriava na syntézu a antimikrobiálne hodnotenie nových heterocyklických zlúčenín obsahujúcich antracénovú a akrylonitrilovú skupinu. Bol pripravený 3-(antracén-9-yl)-2-kyanoakryloylchlorid 4 a použitý ako stavebný blok na konštrukciu nových heterocyklických systémov.
Štruktúra zlúčeniny 4 bola určená pomocou spektrálnych údajov. 1H-NMR spektrum ukázalo prítomnosť CH= pri 9,26 ppm, IR spektrum ukázalo prítomnosť karbonylovej skupiny pri 1737 cm−1 a kyanoskupiny pri 2224 cm−1 a 13CNMR spektrum tiež potvrdilo navrhovanú štruktúru (pozri experimentálnu časť).
Syntéza 3-(antracén-9-yl)-2-kyanoakryloylchloridu 4 sa uskutočnila hydrolýzou aromatických skupín 250, 41, 42, 53 etanolickým roztokom hydroxidu sodného (10 %) za vzniku kyselín 354, 45, 56, ktoré sa potom ošetrili tionylchloridom vo vodnom kúpeli za vzniku derivátu akryloylchloridu 4 vo vysokom výťažku (88,5 %), ako je znázornené na obrázku 3.
Na vytvorenie nových heterocyklických zlúčenín s očakávanou antibakteriálnou účinnosťou sa uskutočnila reakcia acylchloridu 4 s rôznymi dinukleofilmi.
Chlorid kyseliny 4 sa nechal reagovať s hydrazínhydrátom pri teplote 0 °C počas jednej hodiny. Bohužiaľ, pyrazolón 5 sa nezískal. Produktom bol derivát akrylamidu, ktorého štruktúra bola potvrdená spektrálnymi údajmi. Jeho IR spektrum vykazovalo absorpčné pásy C=O pri 1720 cm−1, C≡N pri 2228 cm−1 a NH3 pri 3424 cm−1. 1H-NMR spektrum vykazovalo výmenný singletový signál olefínových protónov a NH3 protónov pri 9,3 ppm (pozri experimentálnu časť).
Dva móly chloridu kyseliny 4 reagovali s jedným mólom fenylhydrazínu, čím sa získal derivát N-fenylakryloylhydrazínu 7 s dobrým výťažkom (77 %) (obrázok 5). Štruktúra zlúčeniny 7 bola potvrdená údajmi infračervenej spektroskopie, ktoré ukázali absorpciu dvoch skupín C=O pri 1691 a 1671 cm−1, absorpciu skupiny CN pri 2222 cm−1 a absorpciu skupiny NH pri 3245 cm−1, a jej 1H-NMR spektrum ukázalo skupinu CH pri 9,15 a 8,81 ppm a protón NH pri 10,88 ppm (pozri experimentálnu časť).
V tejto štúdii bola skúmaná reakcia acylchloridu 4 s 1,3-dinukleofilmi. Reakcia acylchloridu 4 s 2-aminopyridínom v 1,4-dioxáne s TEA ako bázou pri izbovej teplote poskytla derivát akrylamidu 8 (obrázok 5), ktorého štruktúra bola identifikovaná pomocou spektrálnych údajov. IR spektrá ukázali absorpčné pásy kyano skupiny pri 2222 cm−1, NH skupiny pri 3148 cm−1 a karbonylu pri 1665 cm−1; 1H NMR spektrá potvrdili prítomnosť olefínových protónov pri 9,14 ppm (pozri experimentálnu časť).
Zlúčenina 4 reaguje s tiomočovinou za vzniku pyrimidíniónu 9; zlúčenina 4 reaguje s tiosemikarbazidom za vzniku derivátu tiopyrazolu 10 (obrázok 5). Štruktúry zlúčenín 9 a 10 boli potvrdené spektrálnou a elementárnou analýzou (pozri experimentálnu časť).
Tetrazín-3-tiol 11 bol pripravený reakciou zlúčeniny 4 s tiokarbazidom ako 1,4-dinukleofilom (obrázok 5) a jeho štruktúra bola potvrdená spektroskopiou a elementárnou analýzou. V infračervenom spektre sa väzba C=N objavila pri 1619 cm−1. Zároveň jeho 1H-NMR spektrum zachovalo signály viacvrstvových dosiek aromatických protónov pri 7,78–8,66 ppm a SH protónov pri 3,31 ppm (pozri experimentálnu časť).
Akryloylchlorid 4 reaguje s 1,2-diaminobenzénom, 2-aminotiofenolom, kyselinou antranilovou, 1,2-diaminoetánom a etanolamínom ako 1,4-dinukleofilmi za vzniku nových heterocyklických systémov (13–16).
Štruktúry týchto novo syntetizovaných zlúčenín boli potvrdené spektrálnou a elementárnou analýzou (pozri experimentálnu časť). Derivát 2-hydroxyfenylakrylamidu 17 bol získaný reakciou s 2-aminofenolom ako dinukleofilom (obrázok 6) a jeho štruktúra bola potvrdená spektrálnou a elementárnou analýzou. Infračervené spektrum zlúčeniny 17 ukázalo, že signály C=O a C≡N sa objavili pri 1681 a 2226 cm−1. Medzitým si jej 1H-NMR spektrum zachovalo singletový signál olefínového protónu pri 9,19 ppm a OH protón sa objavil pri 9,82 ppm (pozri experimentálnu časť).
Reakcia chloridu kyseliny 4 s jedným nukleofilom (napr. etylamínom, 4-toluidínom a 4-metoxyanilínom) v dioxáne ako rozpúšťadle a TEA ako katalyzátore pri izbovej teplote poskytla zelené kryštalické deriváty akrylamidu 18, 19a a 19b. Elementárne a spektrálne údaje zlúčenín 18, 19a a 19b potvrdili štruktúry týchto derivátov (pozri experimentálnu časť) (obrázok 7).
Po skríningu antimikrobiálnej aktivity rôznych syntetických zlúčenín sa získali rôzne výsledky, ako je uvedené v tabuľke 1 a na obrázku 8 (pozri súbor s obrázkami). Všetky testované zlúčeniny vykazovali rôzny stupeň inhibície proti grampozitívnej baktérii MRSA, zatiaľ čo gramnegatívna baktéria Escherichia coli vykazovala úplnú rezistenciu voči všetkým zlúčeninám. Testované zlúčeniny možno rozdeliť do troch kategórií na základe priemeru inhibičnej zóny proti MRSA. Prvá kategória bola najaktívnejšia a pozostávala z piatich zlúčenín (6, 7, 10, 13b a 14). Priemer inhibičnej zóny týchto zlúčenín sa blížil k 4 cm; najaktívnejšími zlúčeninami v tejto kategórii boli zlúčeniny 6 a 13b. Druhá kategória bola stredne aktívna a pozostávala z ďalších piatich zlúčenín (11, 13a, 15, 18 a 19a). Inhibičná zóna týchto zlúčenín sa pohybovala od 3,3 do 3,65 cm, pričom zlúčenina 11 vykazovala najväčšiu inhibičnú zónu 3,65 ± 0,1 cm. Na druhej strane, posledná skupina obsahovala tri zlúčeniny (8, 17 a 19b) s najnižšou antimikrobiálnou aktivitou (menej ako 3 cm). Obrázok 9 znázorňuje rozloženie rôznych inhibičných zón.
Ďalšie skúmanie antimikrobiálnej aktivity testovaných zlúčenín zahŕňalo stanovenie MIC a MBC pre každú zlúčeninu. Výsledky sa mierne líšili (ako je uvedené v tabuľkách 2, 3 a na obrázku 10 (pozri súbor s obrázkami)), pričom zlúčeniny 7, 11, 13a a 15 boli zjavne preklasifikované ako najlepšie zlúčeniny. Mali rovnaké najnižšie hodnoty MIC a MBC (39,06 μg/100 μl). Hoci zlúčeniny 7 a 8 mali nižšie hodnoty MIC (9,7 μg/100 μl), ich hodnoty MBC boli vyššie (78,125 μg/100 μl). Preto boli považované za slabšie ako predtým uvedené zlúčeniny. Týchto šesť zlúčenín však bolo najúčinnejších z testovaných, pretože ich hodnoty MBC boli pod 100 μg/100 μl.
Zlúčeniny (10, 14, 18 a 19b) boli menej aktívne v porovnaní s ostatnými testovanými zlúčeninami, pretože ich hodnoty MBC sa pohybovali od 156 do 312 μg/100 μl. Na druhej strane, zlúčeniny (8, 17 a 19a) boli najmenej sľubné, pretože mali najvyššie hodnoty MBC (625, 625 a 1250 μg/100 μl).
Nakoniec, podľa úrovní tolerancie uvedených v tabuľke 3, možno testované zlúčeniny rozdeliť do dvoch kategórií na základe ich spôsobu účinku: zlúčeniny s baktericídnym účinkom (7, 8, 10, 11, 13a, 15, 18, 19b) a zlúčeniny s antibakteriálnym účinkom (6, 13b, 14, 17, 19a). Spomedzi nich sú preferované zlúčeniny 7, 11, 13a a 15, ktoré vykazujú ničivú aktivitu pri veľmi nízkej koncentrácii (39,06 μg/100 μl).
Desať z trinástich testovaných zlúčenín preukázalo potenciál proti meticilín-rezistentnému Staphylococcus aureus (MRSA) rezistentnému na antibiotiká. Preto sa odporúča ďalší skríning s antibiotikami rezistentnejšími patogénmi (najmä lokálnymi izolátmi pokrývajúcimi patogénne grampozitívne a gramnegatívne baktérie) a patogénnymi kvasinkami, ako aj cytotoxické testovanie každej zlúčeniny na posúdenie jej bezpečnosti.
Na vyhodnotenie potenciálu syntetizovaných zlúčenín ako inhibítorov proteínu 2a viažuceho penicilín (PBP2a) v meticilín-rezistentnom Staphylococcus aureus (MRSA) sa uskutočnili štúdie molekulárneho dokovania. PBP2a je kľúčový enzým zapojený do biosyntézy bakteriálnej bunkovej steny a inhibícia tohto enzýmu interferuje s tvorbou bunkovej steny, čo v konečnom dôsledku vedie k bakteriálnej lýze a bunkovej smrti1. Výsledky dokovania sú uvedené v tabuľke 4 a podrobnejšie opísané v doplnkovom súbore s údajmi a výsledky ukazujú, že niekoľko zlúčenín vykazovalo silnú väzbovú afinitu k PBP2a, najmä ku kľúčovým zvyškom aktívneho miesta, ako sú Lys 273, Lys 316 a Arg 298. Interakcie, vrátane vodíkových väzieb a π-stackingu, boli veľmi podobné interakciám kokryštalizovaného chinazolinónového ligandu (CCL), čo naznačuje potenciál týchto zlúčenín ako silných inhibítorov.
Molekulárne dokovacie dáta spolu s ďalšími výpočtovými parametrami silne naznačujú, že inhibícia PBP2a bola kľúčovým mechanizmom zodpovedným za pozorovanú antibakteriálnu aktivitu týchto zlúčenín. Hodnoty dokovacích skóre a strednej štvorcovej odchýlky (RMSD) ďalej odhalili väzbovú afinitu a stabilitu, čo túto hypotézu podporuje. Ako je uvedené v tabuľke 4, zatiaľ čo niekoľko zlúčenín vykazovalo dobrú väzbovú afinitu, niektoré zlúčeniny (napr. 7, 9, 10 a 14) mali vyššie dokovacie skóre ako kokryštalizovaný ligand, čo naznačuje, že môžu mať silnejšie interakcie so zvyškami aktívneho miesta PBP2a. Najbioaktívnejšie zlúčeniny 6 a 13b však vykazovali mierne nižšie dokovacie skóre (-5,98 a -5,63) v porovnaní s ostatnými ligandmi. To naznačuje, že hoci dokovacie skóre možno použiť na predpovedanie väzbovej afinity, kľúčovú úlohu pri určovaní antibakteriálnej aktivity zohrávajú aj iné faktory (napr. stabilita ligandu a molekulárne interakcie v biologickom prostredí). Je pozoruhodné, že hodnoty RMSD všetkých syntetizovaných zlúčenín boli pod 2 Å, čo potvrdzuje, že ich dokovacie polohy sú štrukturálne konzistentné s väzbovou konformáciou kokryštalizovaného ligandu, čo ďalej podporuje ich potenciál ako silných inhibítorov PBP2a.
Hoci skóre dokovania a hodnoty RMS poskytujú cenné predpovede, korelácia medzi týmito výsledkami dokovania a antimikrobiálnou aktivitou nie je na prvý pohľad vždy jasná. Hoci je inhibícia PBP2a silne podporovaná ako kľúčový faktor ovplyvňujúci antimikrobiálnu aktivitu, niekoľko rozdielov naznačuje, že dôležitú úlohu zohrávajú aj iné biologické vlastnosti. Zlúčeniny 6 a 13b vykazovali najvyššiu antimikrobiálnu aktivitu s priemerom inhibičnej zóny 4 cm a najnižšími hodnotami MIC (9,7 μg/100 μl) a MBC (78,125 μg/100 μl), a to aj napriek ich nižším skóre dokovania v porovnaní so zlúčeninami 7, 9, 10 a 14. To naznačuje, že hoci inhibícia PBP2a prispieva k antimikrobiálnej aktivite, faktory ako rozpustnosť, biologická dostupnosť a dynamika interakcií v bakteriálnom prostredí tiež ovplyvňujú celkovú aktivitu. Obrázok 11 zobrazuje ich polohy dokovania, čo naznačuje, že obe zlúčeniny, aj s relatívne nízkymi skóre väzby, sú stále schopné interagovať s kľúčovými zvyškami PBP2a, čím potenciálne stabilizujú inhibičný komplex. To zdôrazňuje, že hoci molekulárny doking poskytuje dôležité poznatky o inhibícii PBP2a, na úplné pochopenie antimikrobiálnych účinkov týchto zlúčenín v reálnom svete je potrebné zvážiť aj iné biologické faktory.
Pomocou kryštálovej štruktúry PBP2a (PDB ID: 4CJN) boli vytvorené 2D a 3D interakčné mapy najaktívnejších zlúčenín 6 a 13b, ktoré boli spojené s proteínom 2a viažucim penicilín (PBP2a) meticilín-rezistentného Staphylococcus aureus (MRSA). Tieto mapy porovnávajú interakčné vzorce týchto zlúčenín s opätovne spojeným kokryštalizovaným chinazolinónovým ligandom (CCL) a zdôrazňujú kľúčové interakcie, ako sú vodíkové väzby, π-stacking a iónové interakcie.
Podobný vzorec bol pozorovaný aj u zlúčeniny 7, ktorá vykazovala relatívne vysoké skóre dokovania (-6,32) a podobný priemer inhibičnej zóny (3,9 cm) ako zlúčenina 10. Jej MIC (39,08 μg/100 μl) a MBC (39,06 μg/100 μl) však boli výrazne vyššie, čo naznačuje, že na prejavenie antibakteriálneho účinku boli potrebné vyššie koncentrácie. To naznačuje, že hoci zlúčenina 7 vykazovala v dokovacích štúdiách silnú väzbovú afinitu, faktory ako biologická dostupnosť, bunková absorpcia alebo iné fyzikálno-chemické vlastnosti môžu obmedzovať jej biologickú účinnosť. Hoci zlúčenina 7 vykazovala baktericídne vlastnosti, bola menej účinná pri inhibícii rastu baktérií v porovnaní so zlúčeninami 6 a 13b.
Zlúčenina 10 vykazovala dramatickejší rozdiel s najvyšším skóre dokovania (-6,40), čo naznačuje silnú väzbovú afinitu k PBP2a. Priemer jej zóny inhibície (3,9 cm) bol však porovnateľný so zlúčeninou 7 a jej MBC (312 μg/100 μl) bola výrazne vyššia ako u zlúčenín 6, 7 a 13b, čo naznačuje slabšiu baktericídnu aktivitu. To naznačuje, že napriek dobrým predpovediam dokovania bola zlúčenina 10 menej účinná pri usmrcovaní MRSA kvôli iným limitujúcim faktorom, ako je rozpustnosť, stabilita alebo slabá permeabilita bakteriálnej membrány. Tieto výsledky podporujú pochopenie, že hoci inhibícia PBP2a zohráva kľúčovú úlohu v antibakteriálnej aktivite, úplne nevysvetľuje rozdiely v biologickej aktivite pozorované medzi testovanými zlúčeninami. Tieto rozdiely naznačujú, že na úplné objasnenie zapojených antibakteriálnych mechanizmov sú potrebné ďalšie experimentálne analýzy a hĺbkové biologické hodnotenia.
Výsledky molekulárneho dokovania v tabuľke 4 a doplnkovom súbore údajov zdôrazňujú komplexný vzťah medzi skóre dokovania a antimikrobiálnou aktivitou. Hoci zlúčeniny 6 a 13b majú nižšie skóre dokovania ako zlúčeniny 7, 9, 10 a 14, vykazujú najvyššiu antimikrobiálnu aktivitu. Ich interakčné mapy (znázornené na obrázku 11) naznačujú, že napriek nižším skóre väzby stále tvoria významné vodíkové väzby a π-stacking interakcie s kľúčovými zvyškami PBP2a, ktoré môžu stabilizovať komplex enzým-inhibítor biologicky prospešným spôsobom. Napriek relatívne nízkym skóre dokovania 6 a 13b ich zvýšená antimikrobiálna aktivita naznačuje, že pri hodnotení potenciálu inhibítora by sa mali v spojení s údajmi z dokovania zvážiť aj ďalšie vlastnosti, ako je rozpustnosť, stabilita a bunková absorpcia. To zdôrazňuje dôležitosť kombinácie štúdií dokovania s experimentálnou antimikrobiálnou analýzou s cieľom presne posúdiť terapeutický potenciál nových zlúčenín.
Tieto výsledky zdôrazňujú, že hoci molekulárny doking je účinným nástrojom na predpovedanie väzbovej afinity a identifikáciu potenciálnych mechanizmov inhibície, nemal by sa spoliehať iba naň pri určovaní antimikrobiálnej účinnosti. Molekulárne údaje naznačujú, že inhibícia PBP2a je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim antimikrobiálnu aktivitu, ale zmeny v biologickej aktivite naznačujú, že na zvýšenie terapeutickej účinnosti je potrebné optimalizovať aj iné fyzikálno-chemické a farmakokinetické vlastnosti. Budúce štúdie by sa mali zamerať na optimalizáciu chemickej štruktúry zlúčenín 7 a 10 s cieľom zlepšiť biologickú dostupnosť a bunkovú absorpciu, čím sa zabezpečí, že silné dokovacie interakcie sa prenesú do skutočnej antimikrobiálnej aktivity. Ďalšie štúdie vrátane ďalších biologických testov a analýzy vzťahu medzi štruktúrou a aktivitou (SAR) budú kľúčové pre lepšie pochopenie toho, ako tieto zlúčeniny fungujú ako inhibítory PBP2a, a pre vývoj účinnejších antimikrobiálnych látok.
Zlúčeniny syntetizované z 3-(antracén-9-yl)-2-kyanoakryloylchloridu 4 vykazovali rôzny stupeň antimikrobiálnej aktivity, pričom niekoľko zlúčenín preukázalo významnú inhibíciu meticilín-rezistentného Staphylococcus aureus (MRSA). Analýza vzťahu štruktúra-aktivita (SAR) odhalila kľúčové štrukturálne vlastnosti, ktoré sú základom antimikrobiálnej účinnosti týchto zlúčenín.
Prítomnosť akrylonitrilových aj antracénových skupín sa ukázala ako kľúčová pre zvýšenie antimikrobiálnej aktivity. Vysoko reaktívna nitrilová skupina v akrylonitrile je nevyhnutná na uľahčenie interakcií s bakteriálnymi proteínmi, čím prispieva k antimikrobiálnym vlastnostiam zlúčeniny. Zlúčeniny obsahujúce akrylonitril aj antracén konzistentne vykazovali silnejšie antimikrobiálne účinky. Aromaticita antracénovej skupiny tieto zlúčeniny ďalej stabilizovala, čo potenciálne zvýšilo ich biologickú aktivitu.
Zavedenie heterocyklických kruhov významne zlepšilo antibakteriálnu účinnosť niekoľkých derivátov. Najmä derivát benzotiazolu 13b a derivát akrylhydrazidu 6 vykazovali najvyššiu antibakteriálnu aktivitu s inhibičnou zónou približne 4 cm. Tieto heterocyklické deriváty vykazovali významnejšie biologické účinky, čo naznačuje, že heterocyklická štruktúra hrá kľúčovú úlohu v antibakteriálnych účinkoch. Podobne pyrimidintión v zlúčenine 9, tiopyrazol v zlúčenine 10 a tetrazínový kruh v zlúčenine 11 prispeli k antibakteriálnym vlastnostiam zlúčenín, čo ďalej zdôrazňuje dôležitosť heterocyklickej modifikácie.
Spomedzi syntetizovaných zlúčenín vynikali zlúčeniny 6 a 13b svojou vynikajúcou antibakteriálnou aktivitou. Minimálna inhibičná koncentrácia (MIC) zlúčeniny 6 bola 9,7 μg/100 μl a minimálna baktericídna koncentrácia (MBC) bola 78,125 μg/100 μl, čo zdôrazňuje jej vynikajúcu schopnosť odstraňovať meticilín-rezistentný Staphylococcus aureus (MRSA). Podobne zlúčenina 13b mala inhibičnú zónu 4 cm a nízke hodnoty MIC a MBC, čo potvrdzuje jej silnú antibakteriálnu aktivitu. Tieto výsledky zdôrazňujú kľúčovú úlohu akrylohydrazidových a benzotiazolových funkčných skupín pri určovaní bioúčinnosti týchto zlúčenín.
Naproti tomu zlúčeniny 7, 10 a 14 vykazovali miernu antibakteriálnu aktivitu s inhibičnými zónami v rozmedzí od 3,65 do 3,9 cm. Tieto zlúčeniny vyžadovali vyššie koncentrácie na úplné usmrtenie baktérií, čo sa odráža v ich relatívne vysokých hodnotách MIC a MBC. Hoci boli tieto zlúčeniny menej aktívne ako zlúčeniny 6 a 13b, stále vykazovali významný antibakteriálny potenciál, čo naznačuje, že začlenenie akrylonitrilových a antracénových skupín do heterocyklického kruhu prispieva k ich antibakteriálnemu účinku.
Zlúčeniny majú rôzne mechanizmy účinku, niektoré vykazujú baktericídne vlastnosti a iné bakteriostatické účinky. Zlúčeniny 7, 11, 13a a 15 sú baktericídne a na úplné usmrtenie baktérií vyžadujú nižšie koncentrácie. Naproti tomu zlúčeniny 6, 13b a 14 sú bakteriostatické a môžu inhibovať rast baktérií pri nižších koncentráciách, ale na úplné usmrtenie baktérií vyžadujú vyššie koncentrácie.
Celkovo analýza vzťahu medzi štruktúrou a aktivitou zdôrazňuje dôležitosť zavedenia akrylonitrilových a antracénových skupín a heterocyklických štruktúr pre dosiahnutie významnej antibakteriálnej aktivity. Tieto výsledky naznačujú, že optimalizácia týchto štrukturálnych zložiek a skúmanie ďalších modifikácií na zlepšenie rozpustnosti a priepustnosti membrány môže viesť k vývoju účinnejších liekov proti MRSA.
Všetky činidlá a rozpúšťadlá boli purifikované a vysušené štandardnými postupmi (El Gomhouria, Egypt). Teploty topenia boli stanovené pomocou elektronického prístroja na meranie teploty topenia GallenKamp a sú uvedené bez korekcie. Infračervené (IR) spektrá (cm⁻1) boli zaznamenané na Katedre chémie, Prírodovedeckej fakulty, Univerzity Ain Shams s použitím peliet bromidu draselného (KBr) na spektrometri Thermo Electron Nicolet iS10 FTIR (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA).
1H NMR spektrá boli získané pri 300 MHz pomocou NMR spektrometra GEMINI (GEMINI Manufacturing & Engineering, Anaheim, CA, USA) a NMR spektrometra BRUKER 300 MHz (BRUKER Manufacturing & Engineering, Inc.). Ako vnútorný štandard bol použitý tetrametylsilán (TMS) s deuterovaným dimetylsulfoxidom (DMSO-d₆). NMR merania boli vykonané na Prírodovedeckej fakulte Káhirskej univerzity v Gíze v Egypte. Elementárna analýza (CHN) bola vykonaná pomocou elementárneho analyzátora Perkin-Elmer 2400 a získané výsledky sú v dobrej zhode s vypočítanými hodnotami.
Zmes kyseliny 3 (5 mmol) a tionylchloridu (5 ml) sa zahrievala vo vodnom kúpeli pri teplote 65 °C počas 4 hodín. Prebytočný tionylchlorid sa odstránil destiláciou za zníženého tlaku. Výsledná červená tuhá látka sa zozbierala a použila bez ďalšieho čistenia. Teplota topenia: 200 – 202 °C, výťažok: 88,5 %. IR (KBr, ν, cm−1): 2224 (C≡N), 1737 (C=O). 1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ (ppm): 9,26 (s, 1H, CH=), 7,27 – 8,57 (m, 9H, heteroaromatizácia). 13C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ (ppm): 115,11 (C≡N), 124,82–130,53 (CH₃ antracén), 155,34, 114,93 (CH=C–C=O), 162,22 (C=O); HRMS (ESI) m/z [M + H]+: 291,73111. Analytik. Vypočítané pre C18H10ClNO (291,73): C, 74,11; H, 3,46; N, 4,80. Nájdené: C, 74,41; H, 3,34; N, 4,66 %.
Pri teplote 0 °C sa zlúčenina 4 (2 mmol, 0,7 g) rozpustila v bezvodom dioxáne (20 ml) a po kvapkách sa pridal hydrazínhydrát (2 mmol, 0,16 ml, 80 %) a zmes sa miešala 1 hodinu. Vyzrážaná pevná látka sa oddelila filtráciou a rekryštalizovala z etanolu, čím sa získala zlúčenina 6.
Zelené kryštály, teplota topenia 190-192 °C, výťažok 69,36 %; IR (KBr) ν=3424 (NH), 2228 (C≡N), 1720 (C=O), 1621 (C=N) cm−1. 1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ (ppm): 9,3 (br s, H, NH, zameniteľný), 7,69-8,51 (m, 18H, heteroaromatický), 9,16 (s, 1H, CH=), 8,54 (s, 1H, CH=); Vypočítaná hodnota pre C33H21N3O (475,53): C, 83,35; H, 4,45; N, 8,84. Nájdené: C, 84,01; H, 4,38; N, 8,05 %.
Rozpustite zlúčeninu 4 (2 mmol, 0,7 g) v 20 ml bezvodého roztoku dioxánu (obsahujúceho niekoľko kvapiek trietylamínu), pridajte fenylhydrazín/2-aminopyridín (2 mmol) a miešajte pri izbovej teplote 1, respektíve 2 hodiny. Reakčnú zmes nalejte do ľadu alebo vody a okyslite zriedenou kyselinou chlorovodíkovou. Oddelenú tuhú látku prefiltrujte a rekryštalizujte z etanolu, čím získate zlúčeninu 7, a rekryštalizujte z benzénu, čím získate zlúčeninu 8.
Zelené kryštály, teplota topenia 160-162 °C, výťažok 77 %; IR (KBr, ν, cm−1): 3245 (NH), 2222 (C≡N), 1691 (C=O), 1671 (C=O) cm−1. 1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6): δ (ppm): 10,88 (s, 1H, NH, zameniteľný), 9,15 (s, 1H, CH=), 8,81 (s, 1H, CH=), 6,78-8,58 (m, 23H, heteroaromatický); Vypočítaná hodnota pre C42H26N4O2 (618,68): C, 81,54; H, 4,24; N, 9,06. Nájdené: C, 81,96; H, 3,91; N, 8,91 %.
Zlúčenina 4 (2 mmol, 0,7 g) sa rozpustila v 20 ml bezvodého roztoku dioxánu (obsahujúceho niekoľko kvapiek trietylamínu), pridal sa 2-aminopyridín (2 mmol, 0,25 g) a zmes sa miešala pri izbovej teplote 2 hodiny. Reakčná zmes sa naliala do ľadovej vody a okyslila sa zriedenou kyselinou chlorovodíkovou. Vytvorená zrazenina sa odfiltrovala a rekryštalizovala z benzénu, čím sa získali zelené kryštály zlúčeniny 8 s teplotou topenia 146 – 148 °C a výťažkom 82,5 %; infračervené spektrum (KBr) ν: 3148 (NH), 2222 (C≡N), 1665 (C=O) cm−1. 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6): δ (ppm): 8,78 (s, H, NH, zameniteľné), 9,14 (s, 1H, CH=), 7,36-8,55 (m, 13H, heteroaromatizácia); Vypočítané pre C23H15N3O (348,38): C, 79,07; H, 4,33; N, 12,03. Nájdené: C, 78,93; H, 3,97; N, 12,36 %.
Zlúčenina 4 (2 mmol, 0,7 g) sa rozpustila v 20 ml suchého dioxánu (obsahujúceho niekoľko kvapiek trietylamínu a 2 mmol tiomočoviny/semikarbazidu) a zahrievala sa pod spätným chladičom 2 hodiny. Rozpúšťadlo sa odparilo vo vákuu. Zvyšok sa rekryštalizoval z dioxánu za vzniku zmesi.