J Med Chem (TOP期刊) I 雙機制狙擊MRSA：吳茱萸次堿季銨衍生物5dl通過“破壞細胞膜+抑制Topo I”實現高效殺菌（南華大學-楊瑞...

2026年3月30日，南華大學藥學院楊瑞閣和郭勇教授團隊在Journal of Medicinal Chemistry發表了題為 “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“超級細菌”，圍繞天然生物堿吳茱萸次堿（rutaecarpine）的抗菌潛力及其結構優化開展了系統研究。作者以吳茱萸次堿為先導骨架，通過引入吡啶鎓季銨親水基團并調控連接鏈長度與胺取代基，構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分子 5dl。研究發現，5dl 對多株臨床 MRSA 菌株表現出與萬古霉素相當的體外抗菌活性，并兼具低溶血、低細胞毒、快速殺菌、低耐藥誘導傾向和良好血漿穩定性；在小鼠皮膚膿腫和敗血癥模型中，5dl 也展現出突出的體內抗感染效果。更重要的是，機制研究表明，5dl 并非依賴單一靶點發揮作用，而是同時通過靶向破壞細菌細胞膜和抑制 DNA 拓撲異構酶 I（Topo I）形成協同殺菌效應，從“膜穩態破壞—DNA 復制/轉錄受阻”兩個層面共同促進細菌死亡。整體來看，這項工作不僅為吳茱萸次堿類天然產物的抗菌開發提供了新的結構改造思路，也為 MRSA 感染干預提出了一個兼具天然產物來源優勢與新機制特征的候選分子范式。

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【摘 要】

天然產物的結構多樣性，為發現具有新結構或新作用機制、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）為先導化合物，設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。5dl 還表現出低溶血性、低耐藥發生頻率、低細胞毒性、快速殺菌能力以及良好的血漿穩定性，顯示出進一步開發應用的潛力。值得注意的是，在兩種小鼠 MRSA 感染模型中，5dl 的治療效果優于萬古霉素。機制研究表明，5dl 不僅能靶向破壞 MRSA 細胞膜，還能抑制 Topo I 活性，從而干擾 DNA 復制和轉錄過程，最終導致 MRSA 死亡。這些結果表明，5dl 有望成為對抗 MRSA 感染的潛在候選藥物。

01

研究背景及科學問題

細菌感染是全球第二大死亡原因。抗生素作為治療細菌感染的常用藥物，在醫療體系中具有關鍵作用。然而，由于抗生素的過度使用和誤用，細菌耐藥問題日益嚴重，許多傳統抗生素正逐漸失去對耐藥菌株的療效。根據 WHO 統計，全球每年有超過 700 萬人死于細菌耐藥。當前，許多病原體已對主要抗菌藥物類別產生耐藥性，由多重耐藥菌引發的感染極難治療，也給臨床帶來巨大挑戰。MRSA 作為社區獲得性和醫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，開發高效、低耐藥、且具新機制的抗 MRSA 藥物已十分迫切。

天然產物是抗生素研發的重要來源，大約 70% 的抗生素源自天然產物及其衍生物。生物堿作為天然產物的重要類別，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。作者前期研究發現，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，可能與其結構剛性較強、水溶性較差有關。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，并篩選得到最優分子 5dl。隨后，作者系統評價了 5dl 的體外殺菌能力、耐藥發展趨勢、體內安全性、體內抗 MRSA 療效，并揭示其具有“膜破壞 + DNA Topo I 抑制”的雙重抗菌機制。

02

重要發現及亮點

圖1：論文給出了整體設計思路。作者從天然產物吳茱萸次堿出發，通過引入吡啶鎓季銨結構擴展化學空間，篩選出最優候選物 5dl；同時提出其可能通過“細胞膜破壞 + Topo I 抑制”的協同雙機制殺滅 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，得到目標化合物 5ak–5jm。所有化合物均經 NMR、HRMS 和 HPLC 純度確認。

表1 + 圖2：體外抗菌活性和構效關系分析顯示，母體吳茱萸次堿本身活性較弱（MIC > 64 μg/mL），但改造后多數衍生物對革蘭陽性菌活性顯著增強。最優化合物 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；其溶血毒性低（HC50 = 282.6 μg/mL），膜選擇指數高（SI = 565.2）。構效關系上，連接鏈長度為 4 時整體更優；取代基方面，脂肪胺優于環胺和苯胺，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 展現出很強的快速殺菌能力和低誘導耐藥風險。對金黃色葡萄球菌 ATCC 29213 與 MRSA-11，5dl 在 4× MIC 下可于 6 小時內清除細菌，在 8× MIC 下可于 4 小時內完成清除，殺菌速度快于萬古霉素。連續 20 代傳代實驗中，5dl 的 MIC 基本穩定；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，說明其血漿穩定性良好。

圖4：安全性方面，5dl 對 NIH3T3 和 AC16 細胞毒性較低，在 16 μg/mL 以內細胞活率均高于 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，選擇指數分別達 94.36 和 68.24，均遠高于常用安全閾值。小鼠皮下注射實驗顯示，≤20 mg/kg 時總體安全，血液學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 表現出很強的體內療效。高劑量 10 mg/kg 的 5dl 可明顯恢復皮膚外觀和組織結構，效果接近正常組；低劑量 5 mg/kg 的 5dl 也略優于同劑量萬古霉素。定量上，5 mg/kg 的 5dl 可使感染部位菌負荷下降約 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、脾中的細菌負荷，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。組織病理結果也顯示，5dl 可明顯減輕器官損傷。

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

圖8：進一步機制研究提示，5dl 與細菌膜上的 磷脂酰甘油（PG） 具有較強相互作用。外加 PG 和 PE 會削弱 5dl 的抗菌活性，其中 PG 影響最明顯；等溫滴定量熱結果顯示 5dl 與 PG 的親和力較強（Kd 約為 4.73 × 10^-7 M）。同時，5dl 還會誘導胞內 ROS 升高，并導致 DNA 與蛋白泄漏，說明其膜破壞會進一步引發細胞內穩態崩潰。

圖9：作者證實 5dl 還能抑制 MRSA 的 DNA Topo I。凝膠實驗顯示，5dl 可抑制 Topo I 介導的 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。補加 Topo I 后，5dl 的抗菌效應明顯減弱，說明該靶點對其活性確實重要。更關鍵的是，5dl 對細菌 Topo I 的抑制遠強于對人源 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定占據 MRSA Topo I 的催化口袋。

圖10：轉錄組結果進一步補強了雙機制判斷。5dl 處理后，共檢測到 2012 個差異表達基因，其中上調 1060 個、下調 952 個。下調基因主要集中在碳代謝、TCA 循環、氧化磷酸化和核糖體生物合成，說明細菌能量代謝和蛋白翻譯受到顯著抑制；上調基因則富集于 ABC 轉運系統、群體感應、DNA 修復和嘌呤代謝，表明細菌正在應對膜損傷和遺傳物質損傷。與膜修復、脂質代謝、DNA 拓撲調控及 SOS 反應有關的基因也明顯失衡。

圖11：作者最終提出 5dl 的雙重殺菌模型：一方面，它破壞細胞膜、誘導膜去極化、擾亂轉運與能量代謝，從而提升膜通透性并促進自身進入細胞；另一方面，它抑制 DNA Topo I，擾亂 DNA 超螺旋調控，激活 SOS 反應和 DNA 修復通路。兩條路徑協同，最終導致細菌代謝崩潰和死亡。

【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】★★★★★

總之，為了提高吳茱萸次堿的抗菌活性和水溶性，本文設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，具有顯著增強的抗菌活性和水溶性。最終篩選得到的優化化合物 5dl 對金黃色葡萄球菌 ATCC 29213 及臨床 MRSA 菌株表現出優異抗菌活性，MIC 為 0.5–2 μg/mL，與臨床一線藥物萬古霉素相當。5dl 還具有低溶血性、低耐藥發生頻率、低細胞毒性、快速殺菌能力和良好的血漿穩定性，體現出進一步開發潛力。更重要的是，在兩種小鼠 MRSA 感染模型中，5dl 的治療效果優于萬古霉素。機制研究表明，5dl 通過雙重機制發揮抗菌作用：它可誘導膜去極化、破壞轉運并抑制能量代謝，擾亂細胞內穩態并增加膜通透性，從而促進胞內積累；與此同時，它通過抑制 DNA Topo I 干擾 DNA 超螺旋調控，導致 SOS 反應和 DNA 修復通路異常激活。細胞膜損傷與 DNA 拓撲穩態破壞之間的協同作用，最終驅動細菌代謝崩潰并死亡。綜合藥理學和生物學評價表明，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 先導化合物，也為開發新型抗菌藥物提供了有價值的思路。

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