清華新聞網(wǎng)10月9日電 抗生素耐藥性（AMR）問(wèn)題日益嚴(yán)峻，現(xiàn)有抗生素藥物在應(yīng)對(duì)耐藥菌感染方面日益乏力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球每年約有770萬(wàn)人死于細(xì)菌感染，其中因AMR導(dǎo)致的死亡人數(shù)高達(dá)127萬(wàn)。據(jù)預(yù)測(cè)顯示，如果缺乏有效的應(yīng)對(duì)措施，到2050年這一數(shù)字可能會(huì)攀升至1000萬(wàn)。因此，我們迫切需要開(kāi)發(fā)新型抗生素藥物，以應(yīng)對(duì)這一全球性挑戰(zhàn)。
Amycolamicin（AMM）和kibdelomycin（KBD）是兩個(gè)極具潛力的天然抗生素，它們分別于2009年和2011年被分離報(bào)道。它們不僅具有獨(dú)特且復(fù)雜的化學(xué)骨架，還能通過(guò)抑制細(xì)菌DNA的合成來(lái)發(fā)揮殺菌作用，尤其對(duì)多種革蘭氏陽(yáng)性耐藥菌展現(xiàn)出強(qiáng)大的抗菌活性（MIC = 0.52μg/mL）。此外，Merck公司的研究表明，KBD通過(guò)獨(dú)特的“U型”雙臂結(jié)合模式與其靶蛋白細(xì)菌II型拓?fù)洚悩?gòu)酶GyraseB和ParE結(jié)合，進(jìn)而發(fā)揮抗菌作用。其中KBD的下結(jié)合臂占據(jù)GyrB/ParE的ATP結(jié)合口袋，上結(jié)合臂則與酶二聚體之間的二聚界面相互作用。這種新型且牢固的結(jié)合模式不僅使KBD與其他細(xì)菌II型拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑（如新生霉素和臨床使用的喹諾酮類(lèi)抗生素）之間無(wú)交叉耐藥性，還賦予了其極低的耐藥突變率（<5 × 10-10）。因此，AMM和KBD被視為抗生素藥物開(kāi)發(fā)中極具前景的候選化合物。其中，Merck公司在推動(dòng)KBD成藥方面做了大量的研究，但到目前也未能成藥。從其相關(guān)報(bào)道來(lái)看，針對(duì)KBD進(jìn)行化學(xué)修飾改造，推動(dòng)其成藥勢(shì)在必行。但鑒于KBD化學(xué)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，直接進(jìn)行化學(xué)修飾改造難度極大，因此關(guān)于KBD的構(gòu)效關(guān)系（SAR）研究尚未有報(bào)道。
近十余年來(lái)，關(guān)于AMM和KBD的化學(xué)結(jié)構(gòu)始終存在爭(zhēng)議，因?yàn)槠湎嗤幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)卻擁有很大差別的NMR譜圖。2021年，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院李超研究員課題組首次完成了AMM和KBD的全合成，確認(rèn)了AMM的化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖1），并首次證明了KBD實(shí)際上是AMM的鹽形式。
圖1.AMM與KBD的化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系
近日，該課題組與北京大學(xué)人民醫(yī)院的王輝教授課題組合作，以此前開(kāi)發(fā)的匯聚式全合成路線(xiàn)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)性地解析了AMM/KBD的構(gòu)效關(guān)系（圖2），并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有更強(qiáng)抗菌活性和更佳安全性的類(lèi)似物。9月30日，相關(guān)研究成果以“建立天然抗生素Kibdelomycin/Amycolamicin綜合結(jié)構(gòu)?活性關(guān)系”（Establishing the Comprehensive Structure?Activity Relationship of the Natural Antibiotic Kibdelomycin/Amycolamicin）為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。
圖2.AMM/KBD結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系
研究人員首先對(duì)AMM/KBD的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。抗菌活性評(píng)價(jià)表明，AMM/KBD分子中的五個(gè)片段（A/B/C/D/E）對(duì)其強(qiáng)效抗菌活性的保持都具有十分重要的作用，盡管片段A的脫除對(duì)AMM/KBD抗革蘭氏陽(yáng)性菌活性的影響相對(duì)較小（MICs = 24g/mL）。其次，研究人員結(jié)合KBD與靶蛋白的共晶結(jié)構(gòu)，對(duì)AMM/KBD的五個(gè)片段（A/B/C/D/E）分別進(jìn)行了多位點(diǎn)的化學(xué)修飾。在對(duì)片段E的化學(xué)修飾過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)抗鮑曼不動(dòng)桿菌（包括對(duì)碳青霉烯耐藥的鮑曼不動(dòng)桿菌）活性提高2倍的類(lèi)似物（MICs由48g/mL降低至24g/mL）。這表明，對(duì)片段E的化學(xué)修飾有望開(kāi)發(fā)出抗鮑曼不動(dòng)桿菌活性更強(qiáng)的類(lèi)似物。在對(duì)片段A中的乙酰基進(jìn)行化學(xué)修飾過(guò)程中，研究人員利用CuAAC反應(yīng)引入了多種芳香基團(tuán)，以期來(lái)干擾靶標(biāo)蛋白的二聚化，最終發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與AMM/KBD抗革蘭氏陽(yáng)性菌活性相當(dāng)?shù)念?lèi)似物48（MICs = 0.252g/mL），以及一個(gè)抗革蘭氏陽(yáng)性菌活性顯著提高的類(lèi)似物52（MICs = 0.1251g/mL）。這些結(jié)果表明，AMM/KBD片段A中的乙酰基具有良好化學(xué)修飾潛力，通過(guò)對(duì)該位點(diǎn)進(jìn)行修飾，極有可能開(kāi)發(fā)出活性更強(qiáng)的類(lèi)似物。
圖3.類(lèi)似物48和52的結(jié)構(gòu)
接下來(lái)，研究人員對(duì)類(lèi)似物48、52和AMM/KBD分別進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)胞毒性、溶血毒性、細(xì)菌耐藥突變和殺菌動(dòng)力學(xué)等方面的評(píng)價(jià)。在細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，類(lèi)似物48和52均表現(xiàn)出了更低的細(xì)胞毒性，且類(lèi)似物52對(duì)多種測(cè)試細(xì)胞的IC50均大于100M。在溶血毒性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，類(lèi)似物48和52均表現(xiàn)出了顯著低于AMM/KBD的溶血活性，且具有十分低的溶血毒性（< 7%at128μg/mL）。上述安全性評(píng)價(jià)說(shuō)明類(lèi)似物48和52均具有十分優(yōu)異的體外安全性。在細(xì)菌耐藥突變?cè)u(píng)價(jià)中，類(lèi)似物48和52均具有較低的突變保護(hù)濃度，且與AMM/KBD一樣，同樣展現(xiàn)出了強(qiáng)大的抑制細(xì)菌耐藥突變的能力。在殺菌動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，類(lèi)似物48和52在1×、2×、4和8MIC的條件下均展現(xiàn)出強(qiáng)效的殺菌能力。且在1×、2×、4MIC條件下孵育24小時(shí)后，類(lèi)似物52展現(xiàn)出了比AMM/KBD更強(qiáng)的殺菌作用。
綜上，該工作在天然產(chǎn)物全合成的基礎(chǔ)上系統(tǒng)性地建立了天然抗生素AMM/KBD的構(gòu)效關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有更強(qiáng)抗菌活性和更好安全性的類(lèi)似物，為后續(xù)以AMM/KBD為基礎(chǔ)的抗菌藥物開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
李超課題組2020級(jí)博士生陳成龍和北京大學(xué)人民醫(yī)院王輝課題組的尹玉瑤博士為論文共同第一作者，李超和王輝為論文共同通訊作者。其他作者還包括韓霆實(shí)驗(yàn)室的博士生陸盼睿和韓霆博士。研究得到北京生命科學(xué)研究所、國(guó)家自然科學(xué)基金委等的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202415439?af=R
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
