中南大學段燕文團隊JMC:後期修飾平板黴素,抗菌活性改善顯著

▎學術經緯/報導

多重耐藥菌（MDROS）是指同時對臨床使用的三種或三種以上作用機制不同的抗菌藥物呈現耐藥性的細菌，其產生與細菌變異以及過度使用抗菌藥物具有密切的聯繫。臨床上常見的多重耐藥菌包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、耐萬古黴素腸球菌（VRE）等。前者對臨床上的多種一線抗生素藥物耐藥，可引起肺炎、菌血症、心內膜炎及骨關節感染等，致死率極高；後者則對被譽為「抗生素最後一道防線」的萬古黴素具有耐藥性，治療起來十分困難，為人類健康帶來極大的威脅。

為此，人們除了需要對該類細菌的出現及擴散做好積極的監測與防護，研究不同結構、具有全新靶點作用機制的抗菌藥物也至關重要。近年來，開發新型抗菌藥物的注意力主要集中於天然產物的分離發現及其藥物活性的研究。2006年，默沙東研究實驗室的研究人員在《自然》上報導了一種強效廣譜的抗革蘭氏陽性菌藥物——平板黴素（PTM），這種二萜類化合物是南非收集的土壤樣本中分離得到的平板鏈黴菌屬真菌產生的，通過結合細菌的FabF/FabB活性位點抑制其脂肪酸合成，對包括MRSA、VRE在內的多種MDROS具有很好的抑制活性，且不會與現有的其他抗生素產生交叉耐藥性。

PTM的結構及活性測試（圖片來源：參考資料[2]）

儘管PTM的藥代動力學特性並不十分理想，但其新穎的分子結構及抗菌作用機制仍可為開發新型的抗菌藥物提供重要的參考。人們在PTM的結構基礎上進行衍生及修飾，有望對其藥代動力學進行改善，並使抗菌活性得到進一步提高。早期的研究發現，對PTM的3-氨基-2,4-二羥基苯甲酸（ADHBA）部分進行修飾可導致其抗菌活性降低，而對酮內酯部分進行修飾則可增強其體外抗菌活性。

中南大學的段燕文教授在前期的研究中建立了一種基於微生物快速發現和開發新型抗生素的技術平臺，從中國土壤的放線菌菌種庫中發現六株PTM高產菌株，並藉助基因敲除手段及發酵優化實現了PTM的規模化製備。

段燕文教授建立的技術平臺推動抗菌藥物PTM的發展（圖片來源：參考資料[1]）

最近，他們與本校的黃勇研究員合作，圍繞PTM的酮內酯部分進行產物分子結構的後期修飾，通過高效的合成途徑構建了一個包含120種PTM衍生物的化合物庫。他們還篩選了該化合物庫中不同PTM衍生物對金黃色葡萄球菌的抑制活性，並對主要的苗頭化合物進行生物學評價，最終發現6-環己硫醚基修飾的平板黴素A28具有優異的體內、體外抗菌活性，效果比PTM母體得到明顯的改善。相關工作發表在藥物化學知名期刊Journal of Medicinal Chemistry上。

構建化合物庫的整體思路是從PTM的環氧化衍生物1出發，通過半合成的方式進一步得到一系列PTM衍生物。如1與不同硫醇或硫酚發生親核開環-消除反應得到烯基硫醚類衍生物A，A25、A26分別為間位及對位碘代苯基修飾的硫醚，兩者與芳基硼酸發生Suzuki-Miyaura偶聯反應可以得到多種B和E，與丙烯醯基類底物發生Heck偶聯則得到不同的C和F，而與不同炔類底物發生Sonogashira偶聯又能得到一系列B和G。得到的120種穩定的PTM衍生物經過初步純化，純度可以達到75%以上。作者還進一步利用SwissADME對這些化合物的關鍵物理化學參數進行預測，其中大多數存在共軛的疏水基團，具有良好的親脂性和柔性。

PTM衍生物化合物庫的構建（圖片來源：參考資料[1]）

他們通過紙片擴散法藥敏試驗對化合物庫中的PTM衍生物進行篩選，研究其抗MRSA和金黃色葡萄球菌ATCC 29213的活性。大部分PTM衍生物表現出有效的抗葡萄球菌活性，其效果與陽性對照PTM及利奈唑胺相當。其中衍生物B-G相對於A的抑制區更小，表明部分空間體積較大的基團可減弱其抗菌活性。隨後，他們選取抑制區較大的70個苗頭化合物進行抗MRSA活性測試，部分化合物如A17、A28表現出比PTM和利奈唑胺更有效的抗MRSA活性。

PTM衍生物抗葡萄球菌活性的篩選（圖片來源：參考資料[1]）

作者進一步縮小了苗頭化合物的範圍，根據對MRSA抑制區的大小合成了11種PTM衍生物並進行純化。大多數PTM衍生物表現出比PTM更強的抗菌活性，與紙片擴散試驗結果基本一致。他們最終選擇6-環己硫醚基修飾的平板黴素A28對來源於中國抗菌藥物耐藥監測系統（CARSS）的MRSA和MSSA菌株進行抑制活性測試，A28對所有測試的分離菌株均具有抗菌活性，其中80%還表現出≤0.25 μg/mL的最小抑菌濃度（MIC），而PTC的MIC僅為1.0 μg/mL。他們又通過分子對接和分子動力學模擬實驗探究PTM衍生物是否與PTM母體具有相似的作用機制，發現具有抗菌活性的PTM同樣可有效結合細菌的FabF/FabB活性位點，其中環己烯酮結構6位修飾的含硫基團可增強與靶點的疏水相互作用，從而具有更有效的抗菌活性。

部分PTM衍生物抗金黃色葡萄球菌ATCC 29213、MSSA及MRSA活性的研究（圖片來源：參考資料[1]）

PTM與A28體外抗菌活性的比較（圖片來源：參考資料[1]）

最後，作者分別以MRSA感染的小鼠腹膜炎模型和小鼠皮膚感染模型對PTM衍生物的體內抗菌活性進行評估。當給藥劑量為10 mg/kg時，A28治療的腹膜炎小鼠存活率超過60%，而通過PTM治療的小鼠無一存活；A28給藥劑量提高到20 mg/kg，小鼠存活率可達到100%。這一結果再次證實了A28比母體PTM具有更有效的抗菌活性。與此同時，A28在治療MRSA引起的皮膚感染方面同樣具有良好的效果。

MRSA感染小鼠腹膜炎模型的抗菌活性測試（圖片來源：參考資料[1]）

MRSA引起小鼠皮膚感染模型的抗菌活性測試（圖片來源：參考資料[1]）

段燕文教授在PTM及其衍生物的研究中做出了重要的貢獻，他們藉助課題組開發的技術平臺完成了天然產物PTM的發現及其生物合成，並進一步實現了其規模化生產。該工作基於以往的研究構建了一個包含120種PTM衍生物的化合物庫，最終發現A28比相應的PTM母體具有更好的抗MRSA活性，目前已在小鼠腹膜炎模型與小鼠皮膚感染模型中得到證實。由此可見，細菌的FabF/FabB活性位點可作為未來研究抗菌藥物的重要靶點，我們期待更有效的PTM衍生物藥物在臨床試驗中發揮出色的表現。

題圖來源：pixabay

參考資料

[1] Youchao Deng et al., (2019). Late-Stage Functionalization of Platensimycin Leading to Multiple Analogues with Improved Antibacterial Activity in Vitro and in Vivo. J. Med. Chem., DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b00616

[2] Jun Wang et al., (2006). Platensimycin is a selective FabF inhibitor with potent antibiotic properties. Nature, DOI: 10.1038/nature04784

[3] 中南大學段燕文團隊發表新型抗感染和抗腫瘤先導藥物系列研究成果. Retrieved July 8, 2019, from http://news.csu.edu.cn/info/1003/141063.htm?from=singlemessage#10006-weixin-1-52626-6b3bffd01fdde4900130bc5a2751b6d1