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抗生素开发新突破:破译革兰氏阴性菌渗透密码

Jul 25, 2017 No Comments

抗生素开发新突破:破译革兰氏阴性菌渗透密码

 

失败这个词在抗生素开发过程中非常常见。尽管合成分子库越来越大、越来越多,且新的测序技术可以简便确定抗生素候选药物中是否有不能培养的细菌,但是到目前为止,还没有新型抗生素问世。随着抗生素抵抗已在2015年被世界卫生组织(World Health Organization)认定为全球危机,我们急需开发新的抗生素,以丰富现有抗生素的种类。悲哀的是,距离上一次新类型革兰氏阴性菌抗生素开发成功(1968年)已经快50年了。

最近,伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的化学家Paul Hergenrother和Michelle Richter等人制定了一个策略,试图寻找使分子可能在革兰氏阴性细菌内积累的特征。他们基于这些特征,将原本只能杀死革兰氏阳性菌抗生素转化成能同时杀死革兰氏阴性/阳性细菌的广谱抗生素,该成果发表在5月的《自然》(Nature)杂志上。

革兰氏染色(结晶紫)是一种简单快速且便宜,用于测试细菌肽聚糖的染色方法,它是临床微生物学的主要方法。基于这种染色可以将细菌分为两类:具有单个外膜和细胞壁的革兰氏阳性细菌,以及有外膜、细胞壁和内膜结构的革兰氏阴性菌。一些抗生素只能杀死其中的一类细菌。抗生素需要进入细菌胞体,才能杀死它们,但是革兰氏阴性细菌具有坚固的外膜,抗生素很难穿透。据Hergenrother解释,革兰阴性细菌更难杀死,因为其坚固的外膜为分子进入细胞增加了阻力。典型的革兰氏阴性菌包括大肠杆菌(Escherichia coli)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)。

几十年来,科学家们深入研究抗生素如何进出细胞。他们发现能够杀死革兰氏阴性菌的分子很可能是极性的,并且小于600 Da,但这并不能解释为什么许多符合这一特性的分子不能抗菌。也许如果研究重点放在抗生素如何进入细胞(而不是任何分子进入细胞)上,那么基于仅有的抗生素推断的分子特征可能是存在偏见的。Richter等人经过仔细推理哪些分子可以进入革兰氏阴性菌,并在其中积累,测试了100多个分子能否进入大肠杆菌。这些测试分子都是利用Hergenrother实验室2013年提出的“complexity-to-diversity”策略合成的。第一个惊喜的发现是,影响分子在革兰氏阴性菌中积累的主要因素是带电,而非极性或分子大小。具体来说,带正电荷的分子容易在细胞内积聚,而中性或带负电荷的分子则相反。

在大肠杆菌内累积的12种化合物中,全部含有胺,其中8种为伯胺。伯明翰大学(University of Birmingham)的Laura Piddock如此评论,很多研究人员,包括最著名的Hiroshi Nikaido,还有Piddock的团队在20世纪80年代调查了结构属性和抗生素的性质之间的关系。但他们并不了解抗生素结构中离子化的氮在细菌胞体内积累的作用。Richter等人使用更多种类的伯胺进行积累试验,试图探索为何初期试验中一些伯胺在细菌内积累,而另一些则没有。他们总共评估了68个含有伯胺的化合物,发现其中36个能够在大肠杆菌中积累。

然后,他们总结分析了这36个能在大肠杆菌内积累的伯胺,和32个不能积累的伯胺的297个分子特征,并且利用这些数据训练随机分子分类模型。基于这一模型,他们发现,能够在大肠杆菌内积累的分子需要具备的三个关键特征是:具有不受其它分子组分阻碍的胺;必须是非常刚性的(柔软的化合物更可能停留在孔蛋白中);具有“较低的球形结构”,更简单地说,它必须是平直的。

最后,Richter等人分析了一组只能杀死革兰氏阳性菌的抗生素,预测脱氧霉素(一种抑制DNA促旋酶的天然抗生素)具有转化为广谱抗生素的潜力。通过将脱氧炔霉素的五元环扩展成六元环,然后加入伯胺,他们最后得到了6DNM-NH3。6DNM-NH3既能杀死革兰氏阳性菌,如金黄色葡萄球菌,又能杀死革兰氏阴性菌,如大肠杆菌。

尽管6DNM-NH3不能杀死铜绿假单胞菌(另一种典型的革兰氏阴性菌),但是Hergenrother相信“找到分子能够在细菌中积累的特征,有助于发现分子在各类致病菌中积累所需的特征,从而助力抗生素研发”。此外,他还提到”许多药物都含有伯胺,包括达托霉素和达菲霉素[奥司他韦],因此基于伯胺的新型抗生素的毒副作用可能不大。

Piddock认为这种方法很有价值,Hergenrother基于这种方法预测了能在细菌内积累的分子,并成功合成了新型抗生素。尽管Hergenrother等人合成的6DNM-NH3不太可能发展成为药物,但这项工作肯定会帮助其他人(以及他们自己)开发具有适当药理学特性、可以在细菌胞体内积累至高浓度的化合物。


原文检索:
Susan Jones. (2017) Permeability rules for antibiotic design. Nature Biotechnology, 639(1038): 35. 
张洁/编译

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