DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39137-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41765909
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: Reem N. El Gammal وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات تفاعل البروتينات وتحليل الفلورسنت
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في التفاعل الجزيئي بين سيفبودوكسيم (CFP) وألبومين مصل البقر (BSA) باستخدام مزيج من التثبيت الحسابي وطرق طيفية متنوعة. أظهرت النتائج الأولية من طيف الامتصاص UV-Vis تشكيل معقد في حالة القاعدة بين CFP وBSA. كشفت دراسات ت quenching الفلورية عن آلية quenching ثابتة، مع ثابت ارتباط ($K_b$) قدره $3.99 \times 10^4 \, \text{L} \cdot \text{mol}^{-1}$ عند 298 كلفن، مما يشير إلى قوة ارتباط معتدلة. أظهر التحليل الديناميكي الحراري، استنادًا إلى معادلة فان’t هوف، أن عملية الارتباط تلقائية وامتصاصية للحرارة، مع تغيير إيجابي في الإنتروبيا ($\Delta S^\circ$) يبرز التفاعلات الكارهة للماء كقوة دافعة رئيسية. تم تحديد موقع الارتباط في المجال الفرعي IIA (الموقع I) من BSA، مما تم تأكيده من خلال تجارب إزاحة علامات الموقع التنافسية ومحاكاة التثبيت الجزيئي.
تخلص الدراسة إلى أن CFP يشكل معقدًا مستقرًا 1:1 مع BSA، يتميز بتغيير سلبي في الطاقة الحرة ($\Delta G^\circ$) وتغيير إيجابي في الإنتروبيا ($\Delta S^\circ$)، مما يشير إلى ارتباط مواتي مدفوع أساسًا بتأثيرات كارهة للماء. تتماشى قوة الارتباط المعتدلة مع انخفاض ارتباط CFP ببروتين البلازما (18-23%)، مما يشير إلى أن جزءًا كبيرًا يبقى غير مرتبط، وهو ما يتماشى مع توزيعه الواسع في الأنسجة وإزالة الكلى. إن تحديد الموقع I كموقع ارتباط يوضح آلية نقله في البلازما، مما قد يؤثر على تركيزه الحر وفعاليته المضادة للبكتيريا. لا توضح هذه الدراسة فقط سلوك الدواء الحركي لـ CFP ولكنها أيضًا تؤسس إطارًا منهجيًا لاستكشاف ديناميات ارتباط بروتين البلازما لمضادات حيوية أخرى، مما يمهد الطريق لدراسات مقارنة مستقبلية عبر فئات مختلفة من الأدوية.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. يوضح تصميم التجارب، بما في ذلك اختيار المواد، وتحضير العينات، والبروتوكولات المحددة المتبعة لضمان تكرار النتائج وموثوقيتها. كما يصف القسم التقنيات التحليلية المستخدمة لقياس النتائج، مثل التحليلات الإحصائية وأي نماذج حسابية تم تطبيقها لتفسير البيانات.
تُبرز النتائج الرئيسية من التجارب، مع التأكيد على أهمية النتائج فيما يتعلق بأسئلة البحث المطروحة. تم تصميم المنهجية لتقليل التحيز والتحكم في المتغيرات المربكة، مما يعزز من صحة الاستنتاجات المستخلصة من البيانات. بشكل عام، فإن الطرق المستخدمة قوية وتتوافق مع أفضل الممارسات في هذا المجال، مما يضمن أن النتائج تسهم بشكل ذي مغزى في المعرفة الحالية.
نتائج
تشير النتائج إلى أن مدى ارتباط الألبومين يؤثر بشكل كبير على الفعالية العلاجية وتوزيع الدواء. يتم التأكيد على أن الجزء غير المرتبط، أو الحر، من الدواء هو النشط دوائيًا، حيث إن هذا الجزء هو الذي يمكن أن ينتشر عبر جدران الشعيرات الدموية للوصول إلى الأنسجة المستهدفة وإحداث استجابة بيولوجية. لتوضيح هذه التفاعلات، استخدمت الدراسة مزيجًا من المنهجيات الفيزيائية الحيوية والحسابية، مما يوفر فهمًا شاملاً لديناميات الارتباط بين الأدوية والألبومين.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في التفاعل بين سيفبودوكسيم (CFP) وألبومين مصل البقر (BSA) باستخدام تقنيات طيفية متنوعة، بما في ذلك الفلورية، UV-visible، وطيف الأشعة تحت الحمراء المحولة فورييه (FTIR)، جنبًا إلى جنب مع محاكاة التثبيت الجزيئي. تشير النتائج إلى أن CFP يرتبط بشكل محدد بموقع Sudlow’s Site I على BSA، كما يتضح من تجارب الارتباط التنافسية باستخدام علامات الموقع إندوميثاسين وديازيبام. تم تحديد ثابت الارتباط (K_b) ليكون حوالي \(3.99 \times 10^4 \, \text{M}^{-1}\) عند 298 كلفن، مما يشير إلى قوة ارتباط معتدلة، بينما أكدت ثوابت quenching ستيرن-فولمر (K_{SV}) آلية quenching ثابتة، مما يدل على تشكيل معقد في حالة القاعدة.
كشف التحليل الديناميكي الحراري أن التفاعل مستقر بشكل أساسي بواسطة قوى كارهة للماء، مدعومًا بقيم إيجابية لكل من الإنثالبي (ΔH°) والإنتروبيا (ΔS°)، مما يشير إلى عملية امتصاصية للحرارة. أظهرت نتائج طيف الفلورية المتزامنة انزياحًا أزرق في انبعاث التريبتوفان، مما يشير إلى تغيير في الشكل في BSA عند الارتباط مع CFP. أكدت محاكاة التثبيت الجزيئي هذه النتائج، مبرزة التفاعلات الرئيسية التي تثبت معقد CFP-BSA، بما في ذلك الاتصالات الكارهة للماء والروابط الهيدروجينية. بشكل عام، توفر هذه الدراسة رؤى قيمة حول ديناميات الارتباط بين سيفبودوكسيم وBSA، والتي قد تُعلم سلوكه الدوائي في البيئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39137-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41765909
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): Reem N. El Gammal et al.
Primary Topic: Protein Interaction Studies and Fluorescence Analysis
Overview
This research investigates the molecular interaction between cefpodoxime (CFP) and bovine serum albumin (BSA) using a combination of computational docking and various spectroscopic methods. Initial findings from UV-Vis absorption spectroscopy indicated the formation of a ground-state complex between CFP and BSA. Fluorescence quenching studies revealed a static quenching mechanism, with a binding constant ($K_b$) of $3.99 \times 10^4 \, \text{L} \cdot \text{mol}^{-1}$ at 298 K, suggesting a moderate binding affinity. Thermodynamic analysis, based on the Van’t Hoff equation, indicated that the binding process is spontaneous and endothermic, with a positive entropy change ($\Delta S^\circ$) highlighting hydrophobic interactions as the primary driving force. The binding site was localized to subdomain IIA (Site I) of BSA, corroborated by competitive site-marker displacement assays and molecular docking simulations.
The study concludes that CFP forms a stable 1:1 complex with BSA, characterized by a negative free energy change ($\Delta G^\circ$) and a positive entropy change ($\Delta S^\circ$), indicating favorable binding primarily driven by hydrophobic effects. The moderate binding affinity aligns with CFP’s low plasma protein binding (18-23%), suggesting a significant fraction remains unbound, which is consistent with its extensive tissue distribution and renal clearance. The identification of Site I as the binding locus informs its transport mechanism in plasma, potentially influencing its free concentration and antibacterial efficacy. This research not only elucidates the pharmacokinetic behavior of CFP but also establishes a methodological framework for exploring plasma protein binding dynamics of other antibiotics, paving the way for future comparative studies across different drug classes.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. It details the design of the experiments, including the selection of materials, sample preparation, and the specific protocols followed to ensure reproducibility and reliability of results. The section also describes the analytical techniques utilized to measure outcomes, such as statistical analyses and any computational models applied to interpret the data.
Key findings from the experiments are highlighted, emphasizing the significance of the results in relation to the research questions posed. The methodology is designed to minimize bias and control for confounding variables, thereby enhancing the validity of the conclusions drawn from the data. Overall, the methods employed are robust and align with best practices in the field, ensuring that the findings contribute meaningfully to the existing body of knowledge.
Results
The results indicate that the extent of albumin binding significantly influences a drug’s therapeutic efficacy and distribution. It is emphasized that only the unbound, or free, fraction of a drug is pharmacologically active, as it is this fraction that can diffuse through capillary walls to reach target tissues and elicit a biological response. To elucidate these interactions, the study utilized a combination of biophysical and computational methodologies, providing a comprehensive understanding of the binding dynamics between drugs and albumin.
Discussion
In this study, the interaction between cefpodoxime (CFP) and bovine serum albumin (BSA) was investigated using various spectroscopic techniques, including fluorescence, UV-visible, and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, alongside molecular docking simulations. The findings indicate that CFP binds specifically to Sudlow’s Site I on BSA, as evidenced by competitive binding experiments using site markers indomethacin and diazepam. The binding constant (K_b) was determined to be approximately \(3.99 \times 10^4 \, \text{M}^{-1}\) at 298 K, suggesting a moderately strong affinity, while the Stern-Volmer quenching constants (K_{SV}) confirmed a static quenching mechanism, indicating the formation of a ground-state complex.
Thermodynamic analysis revealed that the interaction is primarily stabilized by hydrophobic forces, supported by positive values for both enthalpy (ΔH°) and entropy (ΔS°), indicating an endothermic process. The synchronous fluorescence spectroscopy results showed a blue shift in the tryptophan emission, suggesting a conformational change in BSA upon binding with CFP. Molecular docking simulations corroborated these findings, highlighting key interactions that stabilize the CFP-BSA complex, including hydrophobic contacts and hydrogen bonds. Overall, this research provides valuable insights into the binding dynamics of cefpodoxime with BSA, which may inform its pharmacokinetic behavior in clinical settings.