【COSMOlogic应用实例】疏水深共晶溶剂增强抗菌性能：COSMO-RS预测、实验验证以及与抗生素的协同作用

摘要：

微生物感染是一个危险和具有挑战性的临床问题，最近引起了相当大的关注，主要是由于抗菌素耐药性的显著上升。为了解决遇到这种困境的医疗需求，作者提出了结合实验研究和计算预测的疏水深共晶溶剂(hess);真实溶剂类导体筛选模型(COSMO-RS)，与脂肪酸混合制备了薄荷醇基hess，并对其热谱进行了分析。HDES体系及其协同效应对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有有效的抗菌活性，其中DES 4(薄荷醇:癸酸)在摩尔比为1:5时表现出最高的杀菌活性。利用场发射扫描电镜和傅里叶变换红外光谱证实了hess与细菌细胞壁结构化合物的相互作用。结果显示，预测结果和经验结果之间存在良好的一致性，表明DES 4具有抑菌特性，可能成为管理不同来源细菌感染的可行替代品。此外，DES-4与四环素的协同作用也显示出良好的潜力。本研究中实验和计算方法的成功结合也为未来抗菌药物的合理设计开创了先例，并为解决其他临床挑战开辟了新的途径。

 

引言：

尽管在抗菌化疗和支持性治疗方面取得了进展，但细菌感染仍然对死亡率和发病率构成重大风险。一些因素，包括不良的处方做法、患者缺乏知识和诊断资源不足，可导致抗微生物药物耐药性。

 

采用具有特定参数的COSMOtherm软件进行COSMO-RS模拟，使其成为探索和预测不同溶质和溶剂性质的有效工具。例如，Rezaei Motlagh等人。

 

为了解决实验选择HDES成分的挑战，本研究使用COSMO-RS筛选了制备HDES的化合物。然后，通过评价FAs和薄荷醇的联合作用，考察了选定和制备的hess对细菌的生物学效应。实验验证了预测结果。因此，本研究的目的是：

 

(1)筛选含有六种不同类型FAs(丙酸、丁酸、己酸、辛酸、癸酸和乙酰丙酸）的薄荷基hess的抗菌性能；

 

(2)COSMO-RS检测所选hess对7株革兰氏阳性和7株革兰氏阴性菌株的抑菌试验(DDT)、最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC);

 

(3)利用场发射扫描电镜(FESEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)进一步验证其与一般抗生素的协同作用。选定的hess是用天然抗菌剂配制的，预计将作为食品和制药部门使用天然抗菌剂的创新输送系统。

 

方法：

首先，使用Hartree-Fock水平和6-31G*基集对每个需要进行化学结构分析的化合物进行绘制和细化。TURBOMOLE程序(TMole-X)用于为每个结构生成COSMO文件。优化过程采用密度泛函理论框架下的单点计算方法，在三ζ价势(TZVPD)基集水平上进行。COSMOlogic建议使用BP-TZVPD-FINE来提高预测热物理特征的准确性，因为它采用了更全面的TZVPD基础集。随后，cosmo文件被导入COSMOthermX软件包中。

 

DESs已被确定为传统溶剂的环保替代品。此外，这些都是相似的，只是所使用的组件略有不同。使用COSMOthermX进行hess筛选。有三种方法可用，即电子中性、元文件和分段或碎片化方法，它们用于表示COSMO软件中的il。

 

采用COSMOtherm软件(18.0.2版本)进行评价，采用BP_TZVP-C30_1201参数化法测定热力学性质。利用COSMOtherm软件获得了试样的σ-表面和σ-轮廓。图1显示了COSMO-RS筛选的逐步示意图。

 

结果与讨论：

图2为(a)P,(b)NAC,(c)AGA的σ-曲面。结果表明，所有FA衍生物(FADs)都具有正、负和中性位点，因此表现为HBD和HBA。

 

结果(图3)显示HBDs和HBA具有极性和非极性位点。而己酸、癸酸、己酸和丁酸引起的COOH基团是较多的氢键受体。丙酸、辛酸、癸酸、己酸、乙酰丙酸和丁酸会表现为HBA，因此会通过协同作用与HBD形成键。在HBD区域也可以观察到小的峰，表明较小的供氢键性质。单个sigma谱显示HBD和HBA会相互形成键，从而形成DES。

 

为了确定NAC、AGA和PE与HDES的分子相互作用，绘制了选定HDES和FADs的σ-谱图(图4)。

 

图5a显示了DESs(DES1~DES5)和FADs(脂肪酸衍生物)的特征(σ-分布图)。DESs具有极性和非极性特征。

 

HDES的选择受摩尔比的影响显著。为了探究不同摩尔比对DES-4的影响，图5b绘制了DES-4的σ势。

 

为了进一步研究分子间的相互作用，作者检测了σ势，如图6所示。

 

该方法在浸渍了抗菌剂的药片周围产生浓度梯度，以鉴定耐药细菌。抗菌剂的梯度抑制了被试细菌的萌发和生长，在圆盘周围形成一个抑制区，如图7所示。

 

如图8所示，DES 4的FTIR光谱显示出2800-3000cm−1范围内的宽波段，其中峰位于2955.62和2924.69cm−1，另外还有一个峰位于2855.29cm−1，这可以归因于烷基中C-H键的介质拉伸。

 

图9a为不含DES 4和四环素的金黄色葡萄球菌对照实验，图9b和图9c分别为用DES 4和DES 4与四环素联合处理的金黄色葡萄球菌。对照组结果(图9a)显示了细菌未受干扰的圆形细胞结构以及抛光的外膜。据Cao等人报道，观察到金黄色葡萄球菌粘附在未经处理的样品上。然而，暴露于DES 4(图9b)和四环素DES 4(图9c)后，微生物细胞形状的细菌膜变形和扭曲是可见的，并表现出广泛的扰动，导致微生物细胞形状的改变。

总结：

COSMO-RS模型预测HDES与细菌细胞膜相互作用的能力有可能验证HDES作为环保抗菌剂的使用，从而减少对大量实验测试的需求。因此，基于薄荷醇的hess显示出作为抗菌剂的潜力。DES 4(薄荷醇:癸酸)对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抑制性能优于DES 3(薄荷醇:辛酸)，对单核增生乳杆菌的抑制区更大。两种hess在不同浓度下均能有效抑制细菌生长。形态学和FTIR分析证实了DES 4对金黄色葡萄球菌的抑制作用，导致膜变形和官能团破坏。值得注意的是，当DES 4与常规抗生素联合使用时，观察到协同效应。DES-4对抗生素的增强作用增强了其对细菌的抑制作用，为对抗抗生素耐药性提供了一种有前景的方法。这种协同效应表明，抗生素的性能可以有效增强，从而降低抗生素用量，潜在地减轻副作用和发育耐药性。然而，扩展这项研究以探索不同的阵列是必要的，包括筛选其他细菌菌株和HDES配方。未来的研究还可以集中在检测hess对人体细胞的毒性和长期影响，进行体内实验，研究hess对细菌膜的作用机制。这些研究可以开启实际应用的可能性，并对hess作为有前景的抗菌剂的潜力和安全性提供更全面的了解。

 

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.124008

 

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