บทคัดย่อ
วัณโรคเป็นโรคติดต่อที่เป็นปัญหาทางด้านสาธารณสุขที่สำคัญของประเทศไทย ในงานวิจัยนี้มุ่งเน้นการออกแบบและค้นหาสารต้านวัณโรคตัวใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงในการยับยั้งวัณโรคดื้อยากลุ่มฟลูออโรควิโนโลน โดยใช้ระเบียบวิธีการจำลองแบบและการออกแบบโมเลกุลด้วยการคำนวณร่วมกับการทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพ การออกแบบและพัฒนาโครงสร้างสารยับยั้งเอนไซม์ DNA gyrase ที่มีเป้าหมายการจับที่ ATPase domain ของ DNA gyrase subunit B ของสารยับยั้ง 4-aminoquinoline, 4-(piperazin-1-yl)quinolone, 2-(1H-benzo[d]imidazol-2-yl)-2-cyanovinyl, Nitro-thaizole และ benzo[d]isothiazole โดยใช้ระเบียบวิธีการคำนวณโมเลคิวลาร์ด๊อกกิ้ง การศึกษาความสัมพันธ์ในเชิงปริมาณระหว่างโครงสร้างกับค่ากัมมันตภาพในการยับยั้ง การจำลองพลวัติเชิงโมเลกุลและการคำนวณ FMO ทำให้ได้ข้อมูลอันตรกิริยาที่สำคัญในโพรงการจับ ATPase ของเอนไซม์และความต้องการทางโครงสร้างเพื่อใช้ในการออกแบบสารยับยั้งเอนไซม์ DNA gyrase ที่มีประสิทธิภาพสูง ในส่วนของการค้นหาสารออกฤทธิ์ยับยั้งเอนไซม์ DNA gyrase ตัวใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงโดยใช้ระเบียบวิธีการคัดสรรเสมือนจริงพบว่ามีสารออกฤทธิ์ยับยั้งตัวใหม่ที่สามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์โดยวิธี ATPase assay ใกล้เคียงกับสารมาตรฐาน Novobiocin จำนวน 17 โครงสร้าง การทดสอบการยับยั้งเชื้อวัณโรคก่อโรคพบว่ามี สารยับยั้งตัวใหม่ 2 โครงสร้างคือ G24 และ G26 ออกฤทธิ์ยับยั้งได้เท่ากับ 12.5 µg/ml ผลจากการทดสอบโดยการยับยั้งเอนไซม์โดยใช้วิธี DNA supercoiling assay ของเอนไซม์ MTB DNA gyrase ชนิดดั้งเดิมและกลายพันธุ์ที่ตำแหน่ง N538D ของเอนไซม์ GyrB พบว่าสารใหม่ 2 โครงสร้าง (G18 และ G24) สามารถยับยั้งการทำงานได้ดีกว่ายามาตรฐาน Ciprofloxacin และสารยับยั้ง 3 โครงสร้าง (G18, G22 และ G24) มีค่ากัมมันตภาพในการยับยั้งเอนไซม์ชนิดกลายพันธุ์ที่ตำแหน่ง N538D ได้ดีกว่าตัวยามาตรฐานในการทดสอบ ซึ่งผลจากการทำนายคุณสมบัติทางยาและความเป็นพิษด้วยวิธี ADMET prediction พบว่าสารออกฤทธิ์ยับยั้งตัวใหม่มีคุณสมบัติที่มีความเหมาะสมสำหรับการพัฒนาต่อให้มีประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและผลของการศึกษาการวางตัวและอันตรกิริยาของสารยับยั้งตัวใหม่ในโพรงการจับ ATPase โดยใช้การจำลองพลวัติเชิงโมเลกุลร่วมกับการตกผลึก ทำให้ได้ข้อมูลอันตรกิริยาที่สำคัญของสารยับยั้งสำหรับการพัฒนาโครงสร้างให้มีประสิทธิภาพในการยับยั้งที่สูงขึ้นและมีศักยภาพสูงในการพัฒนาเป็นสารต้านวัณโรคดื้อยาฟลูออโรควิโนโลน
บทคัดย่อ
Tuberculosis (TB), an infectious disease remains a major public health concern in Thailand. This research, we focused on design and discovery of potent anti-tuberculosis agents to overcome fluoroquinolone drug resistant using molecular modeling, computer aided molecular design approaches combined with biological assay evaluations. In order to design and develop structure of DNA gyrase inhibitors targeting at ATPase domain of DNA gyrase subunit B including 4-aminoquinoline, 4-(piperazin-1-yl)quinolone, 2-(1H-benzo[d]imidazol-2-yl)-2-cyanovinyl, Nitro-thaizole and benzo[d]isothiazole derivatives, molecular docking calculations, quantitative structure–activity relationship (QSAR), molecular dynamics (MD) simulations and FMO calculations were performed. The crucial interactions in ATPase domain and structural requirement of inhibitors revealed the key information for ration design highly potent DNA gyrase inhibitors. Virtual screening and biological assay were applied to discovery of novel and highly potent DNA gyrase inhibitors. 17 compounds showed the inhibitory activity based on ATPase assay closed to reference compound, Novobiocin. For antimicrobial assay, two active compounds, G24 and G26 were obtained the 12.5 µg/ml. DNA supercoiling assay of active compounds in wild-type and N538D mutant type of DNA gyrase were investigated. The obtained results showed that the inhibitory activity of two compounds (G18 and G24) were higher potent than the reference drug, ciprofloxacin. There active compounds (G18, G22 and G24) showed the DNA supercoiling inhibition higher than the reference drug. Pharmacokinetic properties of active compounds were predicted using ADMET predictions. The obtained results revealed that new active compounds were suitable for structural modification to improve the biological activity. MD simulations and X-ray crystallography were used to investigate the binding mode and binding interactions of active compounds in ATPase domain. The obtained results provided the crucial interactions for developing novel and highly potent compounds for fluoroquinolone drug resistant tuberculosis.
