DOI: https://doi.org/10.1007/s00210-024-03780-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39831977
تاريخ النشر: 2025-01-20
المؤلف: Mona M. Soliman وآخرون
الموضوع الرئيسي: التركيب والنشاط البيولوجي
نظرة عامة
تركز البحث على تخليق وتوصيف مركب هجين جديد من ثنائي السيانوأكريلاميد يتميز بنواة بيبيرازين مرتبطة بجزء من السلفاميثوكسازول. تم توصيف المركب باستخدام تقنيات طيفية متنوعة، بما في ذلك $^1H$-NMR و$^{13}C$-NMR وطيف FTIR. تم إجراء دراسات حاسوبية لتقييم نشاطه المضاد للميكروبات ضد عدة مسببات الأمراض المرتبطة بالتهاب المفاصل الروماتويدي، مما كشف عن تأثيرات مضادة للبكتيريا ملحوظة، خاصة ضد *Staphylococcus aureus*، الذي أظهر أعلى تثبيط (قطر المنطقة 16.0 ± 1.0 مم عند 0.8 ملغ/مل). تراوحت التركيزات المثبطة الدنيا (MIC) لأنواع البكتيريا بين 5 إلى 40 ملغ/مل، بينما أظهرت الأنواع الفطرية مقاومة أكبر.
أوضحت دراسات الربط الجزيئي آليات التفاعل للمركب مع بروتينات ميكروبية رئيسية، محققة درجة ربط ملحوظة من $\Delta G = -10.9 \, \text{kcal/mol}$ في موقع نشاط إنزيم تخليق AMP الحلقي (UniProt ID: P0DTF7)، مما يشير إلى تفاعلات ربط قوية. تؤكد هذه النتائج على إمكانية المركب كعامل مضاد للميكروبات، خاصة في سياق العدوى التي تساهم في التهاب المفاصل الروماتويدي. تدعو الدراسة إلى مزيد من البحث في التعديلات الهيكلية لمركبات البيبيرازين لتعزيز فعاليتها المضادة للميكروبات ضد كل من مسببات الأمراض البكتيرية والفطرية.
مقدمة
التهاب المفاصل الروماتويدي (RA) هو مرض مناعي ذاتي مزمن يتميز بالالتهاب والضرر للمفاصل المتماثلة، مما يؤدي إلى مرض كبير وزيادة خطر الوفاة، خاصة لدى الأفراد الذين لديهم تاريخ من عدوى RA. تشير الأبحاث إلى أن ميكروبيوم الأمعاء يلعب دورًا حاسمًا في تطور RA، مع ملاحظة تحول ملحوظ في تركيب الميكروبات لدى مرضى RA، حيث تنخفض البكتيريا المفيدة وتزداد البكتيريا المسببة للأمراض. الأنواع البكتيرية المحددة، مثل Klebsiella وStaphylococcus aureus، أكثر شيوعًا في مرضى RA، بينما Enterococcus أكثر شيوعًا في الأفراد الأصحاء. تشمل العلاجات الحالية لـ RA مجموعة متنوعة من العوامل الصيدلانية، لكنها غالبًا ما تأتي مع آثار جانبية شديدة، مما يبرز الحاجة إلى بدائل أكثر أمانًا.
استجابةً لهذه الحاجة، تقترح الدراسة تخليق مشتقات جديدة من ثنائي (سيانوأكريلاميد) التي تتضمن أجزاء من البيبيرازين والسلفاميثوكسازول، بهدف تقييم نشاطها المضاد للميكروبات ضد مسببات الأمراض الرئيسية المرتبطة بـ RA. تشمل الأبحاث أيضًا دراسات الربط الجزيئي الحاسوبية لاستكشاف إمكانية هذه المشتقات كمثبطات للبروتينات البكتيرية والفطرية. تسعى هذه المقاربة إلى معالجة المشكلة المتزايدة لمقاومة المضادات الحيوية وتوفير خيارات علاجية مبتكرة لإدارة RA.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تقنيات تحليلية متنوعة لتوصيف المواد المستخدمة. تم تحديد نقاط الانصهار باستخدام جهاز انصهار ستيوارت، مع الإبلاغ عن النتائج كقيم غير مصححة. تم الحصول على طيف الأشعة تحت الحمراء (IR) كأقراص KBr على مطياف FTIR Bruker-Vector 22، بينما تم تسجيل أطياف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون ($^1$H) والكربون ($^{13}$C) في DMSO-d$_6$ عند ترددات 300 ميغاهيرتز و75 ميغاهيرتز، على التوالي، باستخدام مطياف NMR Varian Gemini مع رباعي ميثيل السيليكون (TMS) كمعيار داخلي.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء قياسات الطيف الكتلي باستخدام مطياف الكتلة Shimadzu GCMS-Q-1000 EX الذي يعمل عند 70 eV. تم إجراء تحليلات عنصرية في المركز التحليلي الدقيق، جامعة القاهرة، باستخدام محلل CHNS آلي لتقييم تركيب المواد. توفر هذه الطرق بشكل جماعي توصيفًا شاملاً للمركبات المدروسة، مما يضمن بيانات موثوقة للتحليل اللاحق.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. علاوة على ذلك، تشير أحجام التأثير المحسوبة إلى تأثير متوسط إلى كبير، مما يعزز فعالية التدخل.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الفرضيات الأولية فحسب، بل تقدم أيضًا رؤى حول الآليات المحتملة التي تكمن وراء التأثيرات الملحوظة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة وقابلية التعميم، والتي قد تؤثر على تفسير النتائج. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه النتائج بشكل أكبر ومعالجة الحدود المحددة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتقييم النشاط المضاد للميكروبات لمركب جديد، ثنائي السيانوأكريلاميد 9، الذي يتضمن السلفاميثوكسازول ونواة البيبيرازين. تم تخليق المركب من خلال سلسلة من التفاعلات، بما في ذلك تكثيف كنويناجل، مما أسفر عن صلب أصفر باهت مع نقاء عالٍ تم تأكيده بواسطة بيانات طيفية (IR، NMR، MS). تم تقييم النشاط المضاد للميكروبات باستخدام طريقة انتشار الأقراص ضد أنواع بكتيرية متنوعة (مثل *E. faecalis*، *S. aureus*، *E. coli*، *K. pneumoniae*، *P. aeruginosa*) وأنواع فطرية (*A. niger*، *C. albicans*). أظهرت النتائج أن المركب أظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا ملحوظًا، خاصة ضد البكتيريا سالبة الجرام، مع زيادة مناطق التثبيط مع التركيز. من الجدير بالذكر أن *E. coli* و*P. aeruginosa* أظهرتا أقل قيم MIC (5 ملغ/مل)، بينما أظهرت *A. niger* مقاومة.
تم إجراء دراسات الربط الجزيئي لتوضيح تفاعلات الربط للمركب مع البروتينات المستهدفة من الأنواع الميكروبية المختبرة. أظهر المركب تقارب ربط ملائم لمُنظم الأيض الثانوي laeA من *A. niger*، مع درجة ربط ΔG = -8 kcal/mol، مما يشير إلى ملف تفاعل قوي مقارنة بالفلوكونازول. يُقترح أن وجود مجموعات وظيفية مثل السلفوناميد والأزوميثين في المركب يعزز خصائصه المضادة للبكتيريا والفطريات، ربما من خلال آليات تتضمن تعطيل سلامة الخلايا ووظيفتها. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانية المركب كعامل مضاد للميكروبات واعد، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في تطبيقاته العلاجية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00210-024-03780-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39831977
Publication Date: 2025-01-20
Author(s): Mona M. Soliman et al.
Primary Topic: Synthesis and biological activity
Overview
The research focuses on the synthesis and characterization of a novel hybrid bis-cyanoacrylamide compound featuring a piperazine core linked to a sulphamethoxazole moiety. The compound was characterized using various spectroscopic techniques, including $^1H$-NMR, $^{13}C$-NMR, and FTIR spectroscopy. In silico studies were conducted to evaluate its antimicrobial activity against several pathogens associated with rheumatoid arthritis, revealing significant antibacterial effects, particularly against *Staphylococcus aureus*, which exhibited the highest inhibition (zone diameter of 16.0 ± 1.0 mm at 0.8 mg/ml). The minimal inhibitory concentration (MIC) for the bacterial species ranged from 5 to 40 mg/ml, while fungal species demonstrated greater resistance.
Molecular docking studies further elucidated the interaction mechanisms of the compound with key microbial proteins, achieving a notable binding score of $\Delta G = -10.9 \, \text{kcal/mol}$ at the cyclic AMP synthase active site (UniProt ID: P0DTF7), indicating strong binding interactions. These findings underscore the compound’s potential as an antimicrobial agent, particularly in the context of infections contributing to rheumatoid arthritis. The study advocates for further research into structural modifications of piperazine-based compounds to enhance their antimicrobial efficacy against both bacterial and fungal pathogens.
Introduction
Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic autoimmune disease characterized by inflammation and damage to symmetric joints, leading to significant morbidity and increased mortality risk, particularly in individuals with a history of RA infections. Research indicates that the gut microbiome plays a crucial role in RA development, with a notable shift in microbiota composition observed in RA patients, where beneficial bacteria decrease and pathogenic bacteria increase. Specific bacterial species, such as Klebsiella and Staphylococcus aureus, are more prevalent in RA patients, while Enterococcus is more common in healthy individuals. Current treatments for RA include various pharmaceutical agents, but they often come with severe side effects, highlighting the need for safer alternatives.
In response to this need, the study proposes the synthesis of novel bis(cyanoacrylamide) derivatives that incorporate piperazine and sulfamethoxazole moieties, aiming to evaluate their antimicrobial activity against key pathogens associated with RA. The research also includes in silico molecular docking studies to explore the potential of these derivatives as inhibitors of bacterial and fungal proteins. This approach seeks to address the growing issue of antibiotic resistance and provide innovative therapeutic options for RA management.
Methods
In this study, various analytical techniques were employed to characterize the materials used. Melting points were determined using a Stuart melting point apparatus, with results reported as uncorrected values. Infrared (IR) spectra were obtained as KBr pellets on a Bruker-Vector 22 FTIR spectrophotometer, while proton ($^1$H) and carbon ($^{13}$C) nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were recorded in DMSO-d$_6$ at frequencies of 300 MHz and 75 MHz, respectively, utilizing a Varian Gemini NMR spectrometer with tetramethylsilane (TMS) as the internal standard.
Additionally, mass spectrometry was conducted using a Shimadzu GCMS-Q-1000 EX mass spectrometer operating at 70 eV. Elemental analyses were performed at the Micro-Analytical Center, Cairo University, employing an automated CHNS analyzer to assess the composition of the materials. These methods collectively provide a comprehensive characterization of the compounds studied, ensuring reliable data for subsequent analysis.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Furthermore, the effect sizes calculated indicate a medium to large impact, reinforcing the efficacy of the intervention.
In addition, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results not only support the initial hypotheses but also provide insights into potential mechanisms underlying the observed effects. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and generalizability, which may affect the interpretation of the results. Future research directions are proposed to further explore these findings and address the identified limitations.
Discussion
In this section, the synthesis and antimicrobial evaluation of a novel compound, bis-cyanoacrylamide 9, incorporating sulfamethoxazole and a piperazine core, are detailed. The compound was synthesized through a series of reactions, including Knoevenagel condensation, yielding a pale yellow solid with a high purity confirmed by spectral data (IR, NMR, MS). The antimicrobial activity was assessed using the disc-diffusion method against various bacterial (e.g., *E. faecalis*, *S. aureus*, *E. coli*, *K. pneumoniae*, *P. aeruginosa*) and fungal species (*A. niger*, *C. albicans*). Results indicated that the compound exhibited significant antibacterial activity, particularly against gram-negative bacteria, with inhibition zones increasing with concentration. Notably, *E. coli* and *P. aeruginosa* showed the lowest MIC values (5 mg/ml), while *A. niger* demonstrated resistance.
Molecular docking studies were conducted to elucidate the binding interactions of the compound with target proteins from the tested microbial species. The compound showed a favorable binding affinity to the secondary metabolism regulator laeA of *A. niger*, with a binding score of ΔG = -8 kcal/mol, indicating a strong interaction profile compared to fluconazole. The presence of functional groups such as sulfonamide and azomethine in the compound is suggested to enhance its antibacterial and antifungal properties, potentially through mechanisms involving disruption of cellular integrity and function. Overall, the findings highlight the compound’s potential as a promising antimicrobial agent, warranting further investigation into its therapeutic applications.