抗菌劑的研發(fā)

抗菌劑的研發(fā)

20世紀(jì)初，感染疾病是世界上死亡的主要原因。自磺胺和青霉素的出版以來(lái)，大量抗生素，如鏈霉菌、氯霉素、四環(huán)素和血紅蛋白，被成功研發(fā)并應(yīng)用于臨床。感染疾病的預(yù)防和預(yù)防取得了突破，人們相信感染疾病將在抗生素時(shí)代減少。但是達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說(shuō)在微生物的生存方式上得到了淋漓盡致的詮釋,隨著抗生素被大量的甚至是肆無(wú)忌憚的應(yīng)用,僅存的經(jīng)過優(yōu)勝劣汰后沒有被抗生素殺死的頑固菌株帶著得以生存的抗藥性繼續(xù)繁衍,直到耐藥菌群的概念甚至多藥耐藥的現(xiàn)象為人們所熟識(shí)。耐藥問題為抗菌劑的研發(fā)提出了新的需求和挑戰(zhàn),似乎每一種新抗生素投入使用后不久都會(huì)伴隨著耐藥性的出現(xiàn),所以針對(duì)已知物的改造和發(fā)現(xiàn)新型作用機(jī)制的抗菌劑成為目前抗菌劑研發(fā)的主要方法。多肽類抗菌劑,顧名思義,衍生于不同數(shù)目或種類的氨基酸所組成多肽的抗菌劑,從來(lái)源看包括由細(xì)菌、放線菌或真菌產(chǎn)生的抗生素,也有從動(dòng)植物體內(nèi)分離得到的抗菌肽類,作為抗菌劑,它們獨(dú)特的作用機(jī)制使細(xì)菌對(duì)其很難產(chǎn)生耐藥性,且與其他類型的抗生素不易產(chǎn)生交叉耐藥,因而引起現(xiàn)在的廣泛重視。本文從生物合成的途徑中是否有核糖體的參與出發(fā),將多肽類抗菌劑分為非核糖體肽,即源自微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的多肽類抗生素和核糖體機(jī)制介導(dǎo)的從廣泛的生物譜中提取得到的抗菌肽兩大類,分別針對(duì)它們的抗菌活性進(jìn)行討論。1細(xì)菌感染的抗多肽類抗生素一般抗菌譜不廣,臨床應(yīng)用的這類藥物并不多,但其抗菌作用強(qiáng),小劑量可抑制細(xì)菌增長(zhǎng),大劑量可殺滅細(xì)菌,細(xì)菌對(duì)其產(chǎn)生耐藥性慢,且多肽抗生素之間不易產(chǎn)生交叉耐藥,因而臨床常用于耐藥細(xì)菌的感染。根據(jù)多肽類抗生素肽鏈所連基團(tuán)的不同,并結(jié)合目前臨床應(yīng)用的情況將肽類抗生素主要分為以下幾類:⑴糖肽類抗生素;⑵環(huán)(脂)肽類抗生素。單純由氨基酸組成的線狀多肽抗生素在抗菌效力上并沒有顯示出明顯的優(yōu)勢(shì),而且具有嚴(yán)重的不良反應(yīng),臨床上很少使用,本文將不作陳述,重點(diǎn)綜述在臨床上有發(fā)展前景的糖肽類和環(huán)脂肽類抗生素。1.1糖肽類抗生素第一代糖肽類抗生素,就是肽鏈上有糖基取代的多肽抗生素,是一類能夠與D-丙胺酰-D-丙氨酸結(jié)合并具有七肽結(jié)構(gòu)的抗生素,其結(jié)構(gòu)特征是線狀七肽鏈被高度修飾,并由側(cè)鏈連接糖基。糖肽類抗生素對(duì)革蘭陽(yáng)性球菌具有強(qiáng)大的殺菌作用,糖肽類抗生素的作用機(jī)制即通過與細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖前體的D-丙胺酰-D-丙氨酸末端結(jié)合,并抑制轉(zhuǎn)糖基作用而阻止肽聚糖的延伸和交聯(lián),使細(xì)胞壁合成受阻,最終導(dǎo)致細(xì)菌溶解死亡。自20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)萬(wàn)古霉素以來(lái),已經(jīng)有數(shù)十個(gè)糖肽類抗生素從土壤的擬無(wú)枝酸菌和鏈霉菌中分離獲得。主要代表藥物有萬(wàn)古霉素,去甲萬(wàn)古霉素,替考拉寧等,早期由于藥物純度不夠,不良反應(yīng)嚴(yán)重而在臨床很少使用,隨著技術(shù)的發(fā)展,純度問題基本解決,更重要的是耐藥菌的出現(xiàn),使得這類對(duì)革蘭陽(yáng)性菌有強(qiáng)大殺菌作用的抗生素重新引起重視。1.1.1萬(wàn)古霉素的應(yīng)用萬(wàn)古霉素由鏈霉菌Amycolatopsisorientalis產(chǎn)生,由于抗菌譜窄,自問世后受到β-內(nèi)酰胺類抗生素的影響,一直未得到廣泛使用,隨著耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、耐甲氧西林表皮葡萄球菌(MRSE)的出現(xiàn),萬(wàn)古霉素作為治療MRSA及腸球菌引起的嚴(yán)重感染疾病的首選藥物,成為人類對(duì)付耐藥細(xì)菌的最后一道防線。1.1.2糖肽類抗生素替考拉寧是1978年發(fā)現(xiàn)的由游動(dòng)放線菌Actinoplanesteichomyceticus產(chǎn)生的糖肽類抗生素,為萬(wàn)古霉素的類似物,抗菌譜與后者相似,但半衰期比萬(wàn)古霉素長(zhǎng),對(duì)腎的損害比后者小,治療效果更好,是繼萬(wàn)古霉素之后臨床上用于治療多重耐藥菌感染的另一個(gè)重要抗生素。1.1.3古激素類似物去甲萬(wàn)古霉素(Norvancomycin)是由我國(guó)自主研制的萬(wàn)古霉素去甲基類似物,抗菌活性均與萬(wàn)古霉素、替考拉寧類似,但消除更快。臨床上在抗菌譜、治療有效率和不良反應(yīng)發(fā)生率方面三者無(wú)顯著差異,但比較藥物的經(jīng)濟(jì)性,去甲萬(wàn)古霉素的獲得成本更低,對(duì)患者更經(jīng)濟(jì)。1.2耐藥菌株的確定自從20世紀(jì)80年代首次分離得到第1株耐萬(wàn)古霉素腸球菌(VRE)以來(lái),糖肽類抗生素耐藥腸球菌的數(shù)目不斷增加,并且VRE還可能將萬(wàn)古霉素耐藥性傳遞給金葡菌,隨著萬(wàn)古霉素中度敏感金葡菌(VISA)、耐萬(wàn)古霉素金葡菌(VRSA)的出現(xiàn),找到更有效地抗耐藥菌抗生素成為一個(gè)迫切的任務(wù)。第二代糖肽類抗生素就是以第一代的研究結(jié)果作指導(dǎo),為了提高抗菌效力,改善藥學(xué)性質(zhì)而對(duì)天然的抗生素進(jìn)行改造得到的半合成糖肽抗生素。1.2.1寧糖肽類似物的結(jié)構(gòu)及化合物Dalbavancin是由VicuronPharmaceuticals公司開發(fā)的廣譜抗革蘭陽(yáng)性菌抗菌藥物,用于耐藥革蘭陽(yáng)性菌,包括MRSA和VRE的革蘭陽(yáng)性菌感染治療,已經(jīng)完成Ⅲ期臨床試驗(yàn)。作為第二代半合成糖肽類抗生素的代表藥物之一,它是Actinomycetenonomuriaspp.產(chǎn)生的天然替考拉寧糖肽類似物A-40926改造得到的衍生物,主要的結(jié)構(gòu)特征包括對(duì)肽鏈N端和C端的同時(shí)衍生化,糖基的減少和長(zhǎng)鏈?；囊?正是這些微妙的結(jié)構(gòu)變化帶給dalbavancin獨(dú)特的藥理作用模式,它的主要作用機(jī)制有2方面:⑴與傳統(tǒng)的糖肽類抗生素相同,通過與肽聚糖鏈C端的D-丙胺酰-D-丙氨酸形成復(fù)合物,阻止細(xì)菌細(xì)胞壁的生物合成來(lái)發(fā)揮殺菌作用;⑵dalbavancin的親脂側(cè)鏈帶來(lái)的二聚化,能夠通過它的親脂鏈結(jié)合于細(xì)菌的胞膜上,形成特別的通道導(dǎo)致細(xì)菌胞內(nèi)物質(zhì)外泄而死亡。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)的半衰期(170~210h)特點(diǎn)帶來(lái)的優(yōu)于萬(wàn)古霉素和替考拉寧的抗耐藥菌的效力和長(zhǎng)效的每周1次的用藥方式,使其具有優(yōu)越的臨床意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。Ⅲ期臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示其不良反應(yīng)的發(fā)生率亦低于對(duì)照藥利奈唑胺。也有文獻(xiàn)顯示,dalbavancin對(duì)葡萄球菌的效力優(yōu)于其他的第二代糖肽抗生素,但對(duì)于含vanA基因的腸球菌效果不顯著。MDL-63246也是由A-40926經(jīng)過半合成得到,與dalbavancin在結(jié)構(gòu)上的唯一區(qū)別就是氨基糖上的羧基還原為醇羥基,在綜合藥效學(xué)和藥動(dòng)學(xué)性質(zhì)兩方面,它的表現(xiàn)稍劣于dalbavancin,所以,在研究早期就被中斷。1.2.2萬(wàn)古霉素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)最初由美國(guó)禮來(lái)公司研發(fā),后轉(zhuǎn)讓給美國(guó)TargantaTherapeutics生物制藥公司,對(duì)革蘭陽(yáng)性菌有廣譜抗菌效果(包括耐萬(wàn)古霉素細(xì)菌),用于治療皮膚感染、肺炎球菌感染和全身感染的適應(yīng)證均處于Ⅲ期臨床研究階段,是第一個(gè)進(jìn)入大規(guī)模臨床試驗(yàn)的二代半合成糖肽類抗生素,為萬(wàn)古霉素的衍生物,與萬(wàn)古霉素的結(jié)構(gòu)區(qū)別主要有:⑴用4-表萬(wàn)古糖胺取代了萬(wàn)古糖胺;⑵母核上增加了一個(gè)4-表萬(wàn)古糖胺;⑶連接在糖基上的4-表萬(wàn)古糖胺的氨基上引入了對(duì)-氯二苯基。其結(jié)構(gòu)中還有3個(gè)游離氨基,因而具有兩親的理化性質(zhì),使其抗菌作用發(fā)揮迅速,并具有長(zhǎng)時(shí)的抗生素后效應(yīng)。oritavancin同樣具有高的血漿蛋白結(jié)合率,因而半衰期長(zhǎng)(150~300h),分析化學(xué)結(jié)構(gòu)可能歸因于對(duì)-氯二苯基側(cè)鏈的引入,雖然不是類似替考拉寧的長(zhǎng)鏈脂肪酸取代,但對(duì)親脂性的貢獻(xiàn)是相似的。1.2.3糖肽抗生素的磷酰取代衍生物Telavancin(TD-6424)由Theravance,Inc與AstellasPharmaInc共同研發(fā),已經(jīng)完成Ⅲ期臨床試驗(yàn),用于革蘭陽(yáng)性菌引起的嚴(yán)重感染,用藥方式為每日1次注射給藥。它是糖肽類抗生素萬(wàn)古霉素的結(jié)構(gòu)類似物,萬(wàn)古糖胺上疏水的奎胺乙基側(cè)鏈的引入使其更加接近細(xì)菌膜,增強(qiáng)了其與肽聚糖前體的D-丙胺酰-D-丙氨酸的結(jié)合,提高抗菌效力,同時(shí)在第七個(gè)氨基酸的側(cè)鏈上引入了親水磷酰亞甲氨基,增加了其兩親的性質(zhì),有助于抗菌作用的發(fā)揮,還降低了蛋白結(jié)合率。還有研究表明其六肽衍生物THRX-881620的抗菌活性下降了40多倍,驗(yàn)證了糖肽抗生素七肽結(jié)構(gòu)的重要性。較多的研究顯示,糖肽抗生素的磷酰取代衍生物不僅對(duì)抗生素的敏感菌和耐藥菌都表現(xiàn)出很好的抗菌活性,還能減少組織蓄積,達(dá)到腎毒性明顯降低的效果。該公司還有一個(gè)新品種TD-1792于2007年5月完成Ⅱ期臨床試驗(yàn)(publishedonline:),TD-1792是新型的異源二聚體抗生素,它是由一個(gè)糖肽分子和一個(gè)β-內(nèi)酰胺分子共同結(jié)合組成的。其在體外研究中顯示出顯著的殺菌活性,抗MRSA的活性是萬(wàn)古霉素的30多倍,抗MSSA的活性相當(dāng)于苯唑西林的100多倍。臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示,TD-1792對(duì)人體具有很好的耐受性,藥動(dòng)學(xué)性質(zhì)良好,相信如果TD-1792能夠開發(fā)成功,將成為新一代糖肽類抗生素研究的新策略。1.3達(dá)托激素類抗生素脂肽(lipopeptide)是指結(jié)構(gòu)中連有脂質(zhì)分子的多肽化合物,脂肽是一個(gè)伴隨新型的達(dá)托霉素類抗生素出現(xiàn)而升溫的概念,雖然達(dá)托霉素結(jié)構(gòu)特征也符合傳統(tǒng)酯肽(depsipeptide)的定義,但脂肽應(yīng)該是不同于酯肽的,它更強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)中脂質(zhì)分子的取代。由于現(xiàn)在越來(lái)越多的具有抗菌活性的脂肽成分被分離得到,而且多為環(huán)狀肽結(jié)構(gòu),因而將脂肽放在環(huán)狀肽類一起介紹。1.3.1e等組分活性多黏菌素(Polymyxin)傳統(tǒng)上本來(lái)被歸為環(huán)狀多肽類抗生素,這里也把它歸為環(huán)脂肽類,原因是其肽鏈上有一個(gè)長(zhǎng)鏈脂肪酸取代。多黏菌素是一組由多黏芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)肽類抗生素,有A、B、C、D、E等組分,以B組分活性最強(qiáng)。其作用靶點(diǎn)是細(xì)菌的細(xì)胞膜,使細(xì)菌體內(nèi)的重要物質(zhì)如氨基酸、各種離子外漏,還能進(jìn)入胞質(zhì)液影響核質(zhì)、核糖體的功能最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。臨床使用的多黏菌素B由多黏菌素B1(6-甲基辛酸取代)和多黏菌素B2(異辛酸取代)組成,其抗菌譜窄,革蘭陽(yáng)性菌對(duì)其耐藥,主要用于對(duì)其他抗生素耐藥的革蘭陰性桿菌引起的嚴(yán)重感染,由于其不良反應(yīng)明顯,尤其是肝、腎毒性,因而應(yīng)用受到限制。多黏菌素E(異辛酸取代)活性稍弱于多黏菌素B,但其安全性也略好,Colimycin是多黏菌素E的甲磺酸衍生物,耐受性很好,全身毒性有明顯改善,在臨床以氣溶膠的形式用于銅綠假單胞菌引起的肺部感染。1.3.2聚糖與桿菌胞漿膜桿菌肽(bacitracin)最初是由1名患者身上分離到的菌株培養(yǎng)物中發(fā)現(xiàn)的環(huán)肽類抗生素,現(xiàn)在的產(chǎn)生菌為枯草芽孢桿菌,其組分較多,A為其主要活性成分,它是通過干擾細(xì)胞壁肽聚糖合成中的脫磷酸過程,還能作用于細(xì)菌胞漿膜,使其內(nèi)容物泄漏而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。對(duì)革蘭陽(yáng)性菌特別是金葡菌和鏈球菌有強(qiáng)大的殺菌作用,偶有耐藥報(bào)道,但和多黏菌素B一樣,存在全身毒性反應(yīng),曾經(jīng)以為其毒性反應(yīng)是結(jié)構(gòu)中的脂性尾部帶來(lái)的,但多黏菌素B脫去?；L(zhǎng)鏈的產(chǎn)物甚至表現(xiàn)出更大的毒性,所以這類環(huán)肽化合物目前多僅限于局部應(yīng)用。桿菌肽結(jié)構(gòu)中的雜環(huán)對(duì)其生物活性有很重要的影響。Wagner等已經(jīng)完成了用噻唑和唑環(huán)取代桿菌肽延伸鏈中的二氫噻唑的嘗試,得到的桿菌肽衍生物均顯示了殺菌的活性,這將非常有利于桿菌肽類進(jìn)一步的深入改造研究。1.3.3氨基酸的保鮮達(dá)托霉素(daptomycin)是從玫瑰孢鏈霉菌發(fā)酵液中分離提取,并經(jīng)半合成得到的含有13個(gè)氨基酸的10元環(huán)狀脂肽抗生素,對(duì)多數(shù)革蘭陽(yáng)性菌都有快速的殺菌活性,包括VRE、MRSA和甲氧西林敏感的金葡菌(MSSA)等。作為結(jié)構(gòu)新穎的化合物經(jīng)FDA快速審批于2003年在美國(guó)上市,用于革蘭陽(yáng)性菌引起的復(fù)雜皮膚及皮膚組織感染的治療。它的作用機(jī)制獨(dú)特,通過擾亂細(xì)胞膜對(duì)氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn),從而阻礙細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的生物合成。另外,它還能通過改變細(xì)胞質(zhì)膜的性質(zhì),破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜,使其內(nèi)容物外泄而達(dá)到殺菌的目的,因此細(xì)菌對(duì)達(dá)托霉素產(chǎn)生耐藥性可能會(huì)比較困難。但隨著臨床使用,已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)達(dá)托霉素敏感性降低的菌株,而Nguyen等也已經(jīng)通過組合生物合成的方法,在對(duì)達(dá)托霉素的環(huán)脂肽鏈母核氨基酸替換及脂肪酰鏈進(jìn)行改造,雖然還沒有得到新的抗菌活性更好的脂肽,但是整個(gè)分子所帶電荷的多少將是以后設(shè)計(jì)新的抑制對(duì)達(dá)托霉素敏感性降低病原菌的化合物時(shí)要考慮的重要因素;之前還有研究顯示第12,13位的氨基酸對(duì)抗菌效力的發(fā)揮有關(guān)鍵的作用;脂肪酰鏈長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)化合物的效力和毒性產(chǎn)生明顯影響等,這些對(duì)于這類環(huán)脂肽抗生素的構(gòu)效關(guān)系研究填補(bǔ)了目前藥物化學(xué)很難做到的探索。1.3.4酸殘基及脂肪酸鏈達(dá)托霉素的出現(xiàn),引起了人們對(duì)環(huán)脂肽類抗生素的關(guān)注,特別是10元環(huán)狀脂肽家族的A54145,Amphomycins和Laspartomycins等。從已知物的再認(rèn)識(shí)和改造出發(fā),諸多文獻(xiàn)通過化學(xué)改造、生物合成或基因工程的方法對(duì)這類化合物的分離純化、結(jié)構(gòu)確證和構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了全面的研究。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明,特殊氨基酸殘基以及脂肪酸鏈對(duì)抗菌活性有很大影響,它們的合理存在給化合物創(chuàng)造了兩親的物理化學(xué)性質(zhì),不僅具有很好的水溶性,還有足夠的親脂性來(lái)實(shí)現(xiàn)與細(xì)菌磷脂膜的相互作用;此外鈣離子對(duì)這類抗生素抗菌效力的影響也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)之一。細(xì)菌I型信號(hào)肽酶(SPase)是一種絲氨酸蛋白酶,作為細(xì)菌毒力因子之一,作用缺乏專屬性,要成為抗菌藥物篩選的新靶點(diǎn)本來(lái)會(huì)缺乏選擇性,但其獨(dú)特的絲氨酸-賴氨酸二聚體同面親核進(jìn)攻底物的方式使其不被經(jīng)典的絲氨酸蛋白酶抑制劑所抑制,從而為選擇性的提高提供了可能。Arylomycins是2002年從鏈霉菌株Tu6075中分離得到的具有抗革蘭陽(yáng)性菌活性的抗生素,包括A、B兩個(gè)組分,具有較新穎的連二苯和三肽形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)特征,研究證實(shí)它們的抗菌活性就是源于對(duì)細(xì)菌I型信號(hào)肽酶的抑制,還有研究表明從鏈霉菌中篩選出的一批具有I型信號(hào)肽酶抑制活性的天然脂肽具有和Arylomycins相似的母核結(jié)構(gòu)特征,只是通常被糖基化或具有更長(zhǎng)的脂鏈取代(圖1)。這個(gè)家族的抗生素還可能具有增加細(xì)菌對(duì)其他抗生素敏感性的作用,所以頗具研究?jī)r(jià)值。2陽(yáng)離子多肽的分類抗菌肽類(antimicrobialpeptides,AMPs)是一類帶正電荷的兩親性小分子肽的總稱,通常含有11~50個(gè)氨基酸殘基,可以組成型表達(dá),也可以僅在感染或受傷后表達(dá),是宿主抵抗外來(lái)病原菌感染的一道自身防線。自1980年在美國(guó)天蠶體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)動(dòng)物來(lái)源的抗生素多肽-殺菌肽(cecropin)以來(lái)已經(jīng)在廣泛的生物譜中發(fā)現(xiàn)了1700余種抗菌肽,它們來(lái)源多樣,可能是微生物、植物、動(dòng)物或人,功能也具有多樣性,如抗細(xì)菌、抗真菌、抗腫瘤或抗病毒的作用。雖然現(xiàn)在還沒有證據(jù)說(shuō)明這些抗菌肽表達(dá)的多少和疾病的直接相關(guān),但已經(jīng)有較多的研究顯示抗菌肽參與了復(fù)雜的自身免疫反應(yīng)和炎癥疾病的發(fā)病過程。根據(jù)來(lái)源不同可以分為:⑴真核細(xì)胞AMPs主要包括defensins,cathelicidins和histatins三大類;⑵細(xì)菌素類(bacteriocins)比如革蘭陰性菌產(chǎn)生的大腸桿菌素(colicins)、革蘭陽(yáng)性菌產(chǎn)生的羊毛硫素(lantibiotics)、古細(xì)菌產(chǎn)生的鹽素(halocins)和類噬菌體尾細(xì)菌素(phagetail-likebacteriocin)等;⑶噬菌體編碼的AMPs包括噬菌體編碼的溶解因子和噬菌體尾復(fù)合物?？咕牡目咕V廣,不僅抗革蘭陽(yáng)性菌,還能抗革蘭陰性菌、真菌和寄生蟲,對(duì)MRSA、VRSA、產(chǎn)超廣譜內(nèi)酰胺酶的大腸埃希菌、多重耐藥的革蘭陰性菌的抗菌活性與目前最好的抗菌藥物近似,而且具有微量效應(yīng),MIC一般為1~8μg/mL。細(xì)胞膜被普遍認(rèn)為是抗菌肽的主要作用靶點(diǎn),陽(yáng)