微生物學(xué)第八章微生物的藥學(xué)應(yīng)用

微生物學(xué)第八章微生物的藥學(xué)應(yīng)用第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容微生物的藥用資源微生物藥物尋找微生物藥物的基本途徑第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日1、微生物藥物的概述：來源于微生物的藥物統(tǒng)稱基于微生物整體或部分的藥物疫苗（菌苗）、類毒素、活菌制劑、抗原、抗體（生物制品）真菌（靈芝、冬蟲夏草、茯苓）源于微生物初級代謝產(chǎn)物的藥物氨基酸、核苷酸、多糖、脂類等源于微生物次級代謝產(chǎn)物及其衍生物的藥物抗生素、維生素、特異性酶抑制和免疫抑制劑等一、微生物的藥用資源第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日1、微生物藥物的概述：源于微生物次級代謝產(chǎn)物及其衍生物的藥物

由微生物（包括重組微生物）在其生命活動過程中產(chǎn)生的、在低微濃度下具有生理活性的次級代謝產(chǎn)物及其衍生物。包括：抗生素：抗細菌抗生素、抗真菌抗生素、抗腫瘤抗生素等特異性酶抑制：葡萄糖苷酶抑制劑（拜糖平）、膽固醇合成酶抑制劑（辛伐他?。┟庖哒{(diào)節(jié)劑:環(huán)孢素A、雷帕霉素營養(yǎng)及相關(guān)制劑:維生素一、微生物的藥用資源第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2、微生物藥物的重要資源放線菌抗生素、抗腫瘤藥物、酶、維生素的生產(chǎn)真菌青霉菌（青霉素）頭孢菌素C（頭孢菌素）、酵母菌（維生素、輔酶A、氨基酸等）、工程菌（基因工程生物藥物）其它細菌細菌（多肽類抗生素）一、微生物的藥用資源1）藥用微生物資源第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2、微生物藥物的重要資源海洋真菌抗生素（頂頭孢霉菌產(chǎn)30多種頭孢霉素）內(nèi)生菌真菌（紫杉醇）一、微生物的藥用資源2）特殊環(huán)境的微生物資源第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日2、微生物藥物的重要資源未知微生物是開發(fā)潛力無窮的可再生資源現(xiàn)存真菌可能50多萬種、細菌可能超過5萬種極端環(huán)境微生物（高溫、高壓、低溫、高鹽等），重要資源一、微生物的藥用資源3）未知微生物資源第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、微生物藥物

微生物藥物：由微生物（包括重組微生物）在其生命活動過程中產(chǎn)生的、在低微濃度下具有生理活性的次級代謝產(chǎn)物及其衍生物。1、抗生素抗細菌抗生素

青霉素類、氨基糖甙類、大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類等抗真菌抗生素

兩性霉素、制霉素、葡聚糖合成酶抑制劑（卡帕芬凈）抗腫瘤抗生素

阿霉素、絲裂霉素、爭光霉素、放線霉素、平陽霉素第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、微生物藥物β-內(nèi)酰胺類抗生素，如：青霉素、頭孢菌素四環(huán)類抗生素如金霉素、土霉素和四環(huán)素氨基糖苷類抗生素，如鏈霉素、慶大霉素、妥布霉素大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，如紅霉素、竹桃霉素、兩性霉素B其他抗生素，抗腫瘤抗生素如絲裂霉素C、博來霉素氯霉素、克林霉素、灰黃霉素等第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、微生物藥物

微生物藥物：由微生物（包括重組微生物）在其生命活動過程中產(chǎn)生的、在低微濃度下具有生理活性的次級代謝產(chǎn)物及其衍生物。2、特異性酶抑制：葡萄糖苷酶抑制劑（拜糖平）膽固醇合成酶抑制劑（辛伐他?。┑谑摚菜氖?，2022年，8月28日繼Fleming和Waksman后，在抗生素研究領(lǐng)域中作出卓越貢獻的第三位科學(xué)家——梅澤濱夫20世紀50年代，由他領(lǐng)導(dǎo)的科研小組發(fā)現(xiàn)了卡那霉素，闡明耐藥機制合成得到了阿米卡星，并很快被應(yīng)用于臨床。60年代，他把研究方向確立在尋找抗腫瘤抗生素上，發(fā)現(xiàn)了抗腫瘤抗生素博萊霉素(國內(nèi)曾稱爭光霉素)，并通過應(yīng)用定向生物合成原理，篩選獲得了更為有效的第二代博萊霉素——培羅霉素(peplomycin)。梅澤濱夫在其一生的研究生涯中，發(fā)現(xiàn)了許多新的抗生素，其中不少已被應(yīng)用于臨床，為抗生素事業(yè)作出了巨大的貢獻。第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日繼Fleming和Waksman后，在抗生素研究領(lǐng)域中作出卓越貢獻的第三位科學(xué)家——梅澤濱夫梅譯濱夫的另一個重要貢獻是提出了酶抑制劑的概念(這里所指的酶是動物和人體內(nèi)產(chǎn)生的參與各種生命活動的有關(guān)的酶，而不是指由微生物產(chǎn)生的諸如β-內(nèi)酰胺酶等)，對開創(chuàng)從微生物代謝產(chǎn)物中尋找其它生理活性物質(zhì)的新時代具有深遠的意義。酶活性的高低可直接影響生物體生命活動，過高可能導(dǎo)致疾病發(fā)生和發(fā)展，——酶抑制劑第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、微生物藥物

2、特異性酶抑制：小分子化合物，可干擾、抑制人或動物體內(nèi)生命活動過程中的有關(guān)酶糖代謝相關(guān)抑制劑：葡萄糖苷酶抑制劑（拜糖平、米格列醇）脂代謝相關(guān)抑制劑：膽固醇合成酶抑制劑（辛伐他丁、阿托伐他丁）蛋白代謝相關(guān)酶抑制劑蛋白激酶相關(guān)抑制劑降血糖、降血壓、治療肥胖、高血脂、齲齒、調(diào)節(jié)免疫功能第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日微生物藥物的最新組成

—已經(jīng)用于臨床的膽固醇合成酶抑制劑開創(chuàng)了治療高脂血癥的新紀元普伐他丁洛伐他丁辛伐他丁（合成）氟伐他?。ê铣桑┌⒎ニ。ê铣桑┑梅ニ。ê铣桑┤毡尽吧茖W(xué)與工業(yè)”雜志引述醫(yī)藥界權(quán)威的評價，認為這種新型藥物對治療高血脂癥是一場革命，其深遠影響就如同青霉素治療感染性疾病一樣。第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日微生物藥物的最新組成

—已經(jīng)用于臨床的葡萄糖苷酶抑制劑

開創(chuàng)了治療糖尿病的新方法阿卡波糖伏格列波糖米格列醇乙格列酯第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、微生物藥物

3、免疫調(diào)節(jié)劑免疫抑制劑：（環(huán)孢素A、雷帕霉素）免疫促進劑：（甘露聚糖肽、泛福舒、烏本美司）第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日微生物藥物的最新組成

—已經(jīng)用于臨床的免疫抑制劑環(huán)孢菌素A他克莫司（tacrolimus，F(xiàn)K-506）西羅莫司（sirolimus；也稱雷帕霉素）免疫增強劑：烏本美司

第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、微生物藥物

4、其它營養(yǎng)及相關(guān)制劑：（氨基酸）維生素與輔酶類（VitC,VitB,CoA)多糖（茯苓多糖、靈芝多糖、透明質(zhì)酸）毒素（肉毒毒素A）第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日微生物藥物的重要地位微生物藥物對各種疾病的作用范圍不斷地在擴大并取得顯著療效；另一方面，由于來源于微生物次級代謝的生理活性物質(zhì)具有獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其作為先導(dǎo)化合物開發(fā)成為藥物的可能性大大地增加。960萬平方公里領(lǐng)域中的微生物資源也是我國特有的資源，從中發(fā)現(xiàn)微生物新藥的可能性也是極大的。第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、尋找微生物藥物的基本途徑當前，人們普遍認為微生物是具有潛在治療效用的新結(jié)構(gòu)化合物的無窮源泉。微生物具有分布廣、種類多、易變異的特性；其次級代謝產(chǎn)物具有多樣性和新穎性。發(fā)現(xiàn)微生物新藥的動力和源泉第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日發(fā)現(xiàn)微生物新藥的動力和源泉在20世紀40年代，僅發(fā)現(xiàn)了20種抗生素；50年代為300～400種；60年代大約800～1000種；至70年代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2500種抗生素；至那時起，大約每隔10年被發(fā)現(xiàn)的化合物數(shù)量翻倍；至80年代約發(fā)現(xiàn)了5000種；至90年代約發(fā)現(xiàn)了10000種；至2000年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20000種抗生素類化合物；至2002年，在各種文獻和專利中發(fā)表的具有生理活性的微生物次級代謝產(chǎn)物數(shù)量已經(jīng)超過22000種；目前還以每年發(fā)現(xiàn)約500種新化合物的速度增加。第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日微生物學(xué)·樣品的采集·各種各樣菌種的分離·發(fā)酵培養(yǎng)以增加代謝產(chǎn)物多樣性·再次發(fā)酵·提高目標物的產(chǎn)量·菌種分離分子生物學(xué)、藥理學(xué)

·作用靶選擇

·篩選方法設(shè)計/實施

·高產(chǎn)出篩選系統(tǒng)

·活性的鑒定

·有效性研究

·作用機制

化學(xué)

·活性化合物的鑒定

·理化屬性/排重

·分離/純化

·結(jié)構(gòu)闡明0微生物代謝產(chǎn)物篩選系統(tǒng)中學(xué)科分支的配合第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物根據(jù)藥物的構(gòu)效關(guān)系以及體內(nèi)代謝的特性，對已知次級代謝產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)改造的目的，主要是篩選相對于母體化合物具有如下特點的微生物新藥：擴大抗菌譜或作用范圍、克服細菌的耐性或改善藥物對作用靶的敏感性、改進對細胞的通透性、改善化學(xué)和代謝的穩(wěn)定性、提高血漿和組織濃度、增強與宿主免疫系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用、能夠制備成合適給藥方式的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以及減少毒副作用等。這是多年來發(fā)現(xiàn)微生物新藥成績斐然的重要途徑。三、尋找微生物藥物的基本途徑第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日1）擴展抗菌譜的修飾通過向青霉素G側(cè)鏈導(dǎo)入氨基等的修飾，開發(fā)出氨芐西林與阿莫西林等廣譜青霉素；向側(cè)鏈導(dǎo)入羧基等的修飾，研制出對銅綠假單胞菌等難控制的革蘭陰性菌也有良好作用的抗菌譜更廣的羧芐西林與哌拉西林、美洛西林(mezlocillin)等。1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日天然頭孢菌素C、頭霉素與頭菌素抗菌譜廣，但抗菌活性極低，都不能應(yīng)用。經(jīng)過適當?shù)男揎椃堑岣吡丝咕钚裕覕U展了抗菌譜。臨床應(yīng)用的頭孢菌素類抗生素已由第一代發(fā)展到第四代，成為當前最重要的一類抗感染藥物。2）增強抗菌活性的修飾1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日利用超敏感菌株篩選出的磺酰胺菌素(sulfazecin)等單環(huán)β-內(nèi)酰胺類化合物抗菌活性低微，不能應(yīng)用。經(jīng)過大量結(jié)構(gòu)修飾，篩選出的安曲南(azteronam)與卡魯莫南(carumonam)具有很強抗革蘭陰性細菌，包括銅綠假單胞菌活性，已臨床應(yīng)用。2）增強抗菌活性的修飾1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日去掉土霉素的6位氧，制得多西環(huán)素(doxycycline)，抗菌譜同四環(huán)素，但抗菌活性比四環(huán)素強2～8倍。將四環(huán)素4位的二甲氨基再導(dǎo)入7位，合成出米諾環(huán)素(minocycline)，抗菌活性比四環(huán)素強8～12倍。2）增強抗菌活性的修飾

1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日向青霉素分子中受β-內(nèi)酰胺酶攻擊部位附近導(dǎo)入障礙性基團，使酶難與之結(jié)合，從而保護青霉素免遭分解。如甲氧西林、萘夫西林、苯唑西林、氯唑西林、二氯西林、氟氯西林等都在β-內(nèi)酰胺基附近有甲氧基、乙氧基、苯基等空間位阻較大的基團，對青霉素酶穩(wěn)定，用于治療產(chǎn)青霉素酶的金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染。3）克服耐藥性的修飾（降低底物對酶的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性）

1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日向β-內(nèi)酰胺環(huán)上引入甲氧基或甲酰氨基，增強酶穩(wěn)定性。如頭孢西丁(cefoxitin)、頭孢美唑(cefmetazole)、頭孢替坦(cefotetan)、頭孢拉腙(cefbuperazone)與頭孢米諾(cefminox)等頭霉素對超廣譜β-內(nèi)酰胺酶穩(wěn)定。3）克服耐藥性的修飾（降低底物對酶的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性）

1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日適當?shù)亟Y(jié)構(gòu)修飾可改善抗生素的藥物動力學(xué)性質(zhì)，如增強穩(wěn)定性，改善吸收，提高血藥濃度，延緩消除半衰期和提高生物利用度等。4）改善藥物動力學(xué)性能的修飾1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物四環(huán)素遇酸，6位羥基與5a位氫脫水形成去水四環(huán)素失去抗菌活性。經(jīng)修飾除去6位羥基的6-甲烯基土霉素(美他環(huán)素

，6-去氧土霉素(多西環(huán)素)，米諾環(huán)素等對酸穩(wěn)定并兼具優(yōu)異的藥物動力學(xué)性能。第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日頭孢菌素3-位乙酰氧基在體內(nèi)被酯酶或非酶水解，降解成羥基化合物，使抗菌活性大幅度降低。將R改變成烷基、烯基、烷氧基、鹵素等可阻斷此種降解，而保持抗菌活性。以適當?shù)暮s環(huán)基團取代，非但可阻斷水解，而且可增強抗菌活性。以適當?shù)膸в屑镜碾s環(huán)取代，與4-位羧基形成內(nèi)鹽，除阻斷代謝降解，增強抗菌活性之外，還可以增大水溶性，提高胞膜穿透力。第四代頭孢菌素都是這樣的化合物。

4）改善藥物動力學(xué)性能的修飾（消除頭孢菌素分子中不穩(wěn)定部分1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日有些抗生素口服吸收差，制成適當?shù)那八?，可增加口服吸收率，提高血藥濃度。口服氨芐西林250mg，Tmax2.0h，Cmax僅為1.7μg/ml，制成前藥叔丁酰氧基甲酯(ampicillinpivoxil)，口服同樣劑量，Tmax1.5h，Cmax為5.5μg/ml。頭孢帕肟口服吸收率為9.4%，Cmax為0.62μg/ml，其前藥頭孢帕肟乙酰氧基乙酯(cefpodoximeproxetil)口服吸收率提高到58.1%，Cmax可達8.4μg/ml。4）改善藥物動力學(xué)性能的修飾（改善吸收提高血藥濃度）1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日合成頭孢菌素酯型前藥改善口服吸收第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日向苯唑西林的苯環(huán)上導(dǎo)入氯或氟，可提高血藥濃度，如鄰氯西林(cloxacillin)、二氯西林(dicloxacillin)、氟氯西林(flucloxacillin)等異惡唑類青霉素對青霉素酶穩(wěn)定，血藥濃度明顯高于苯唑西林，用于治療產(chǎn)生青霉素酶的金黃色葡萄球菌感染。林可霉素口服吸收差，且易受進食影響。將其7(R)-羥基轉(zhuǎn)變成7(S)-氯的克林霉素，口服與肌肉注射后形成的血藥濃度都有明顯提高。4）改善藥物動力學(xué)性能的修飾（引入適當基團提高血藥濃度）1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日引入適當基團提高血藥濃度

藥物RR’

劑量(mg)血藥濃度(μg/ml)

苯唑西林HH5004.9

鄰氯西林HCl5009.2

二氯西林ClCl2509.3

氟氯西林FCl2508.8第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日林可霉素口服吸收差，且易受進食影響。將其7(R)-羥基轉(zhuǎn)變成7(S)-氯的克林霉素，口服與肌肉注射后形成的血藥濃度都有明顯提高。給藥途徑口服肌肉注射抗生素劑量TmaxCmax劑量TmaxCmaxt1/2林可霉素500mg2h2.6μg/ml600mg0.5h1.0μg/ml4~6h克林霉素300mg0.75~2h4μg/ml300mg26μg/ml3.5h第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日為改善氨芐西林口服吸收，曾將其羧基酯化制成前藥，有些已臨床應(yīng)用。但有的品種在消化道內(nèi)水解可產(chǎn)生醛(甲醛或其他醛)而引起消化系統(tǒng)癥狀。臨床評價指出：水解不產(chǎn)生醛的前藥如棱氨西林（lenampicillin）等消化系統(tǒng)副作用輕微。4）降低毒副反應(yīng)的修飾1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日早期的碳青霉烯有一定中樞神經(jīng)毒性，可引起痙攣。構(gòu)效關(guān)系研究表明：中樞神經(jīng)毒性與2位含氮取代基有關(guān)。直接向鼠腦中注入亞胺培南(imipenem)引起間歇性與強直性痙攣的ED50分別為11與17μg/小鼠，注入培尼培南(penipenem)引起間歇性與強直性痙攣的ED50分別為29與41μg/小鼠，經(jīng)過修飾獲得的比阿培南(biapenem)直接注入鼠腦>300μg/小鼠亦不引起間歇性與強直性痙攣，臨床應(yīng)用中從未出現(xiàn)中樞神經(jīng)毒性反應(yīng)。4）降低毒副反應(yīng)的修飾1、以微生物來源的生理活性物質(zhì)為先導(dǎo)化合物，進行化學(xué)改造尋找效果更好的微生物藥物第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日直接向鼠腦中注入碳青霉烯引起痙攣的ED50

碳青霉烯間歇性痙攣強直性痙攣亞胺培南(Imipenem)11μg/鼠

17μg/鼠培尼培南(Penipenem)2941

比阿培南(Biapenem)>300>300第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日抗生素的結(jié)構(gòu)修飾的重要性抗生素結(jié)構(gòu)的適當修飾，可擴展天然抗生素的抗菌譜、增強抗菌活性、克服耐藥性、改善藥物動力學(xué)性能與降低毒副反應(yīng)，但不是所有抗生素經(jīng)過修飾都能如愿地得到良好的修飾物。有些天然抗生素僅經(jīng)過微小的修飾，即全然喪失抗菌活性，而在眾多的修飾物中性能都不如原天然物的實例亦不罕見。在篩選新抗生素困難重重的今天，對獲得的天然物進行適當?shù)男揎検潜匾摹５谒氖?，共四十六頁?022年，8月28日類別藥物開發(fā)程度開發(fā)單位頭孢菌素(3種)BAL5788II期臨床試驗BasileaRWJ-54428I期臨床試驗Johnson&JohnsonPPI-0903I期臨床試驗Peninsula碳青霉烯(4種)DoripenemIII期臨床試驗PeninsulaCS-023(R-115685)I期臨床試驗三共/RocheME1036(CP5609)