抗金黃色葡萄球菌感染的新藥研究進(jìn)展

萬佳宏， 常佳偉， 王 曈， 王桂琴

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

長(zhǎng)期以來，細(xì)菌感染性疾病給人類和動(dòng)物健康帶來了巨大的危害，隨著抗菌藥物的泛用、濫用，日益凸顯的細(xì)菌耐藥性問題給人們帶來了更大的困擾。由多重耐藥菌引起的感染大大增加，成為引起全世界發(fā)病率和死亡率上升的主要原因[1-2]。盡管迫切需要新的抗菌藥物，但由于開發(fā)新藥的成本高、時(shí)間長(zhǎng)，新抗菌藥物的開發(fā)十分緩慢，目前使用的大部分抗菌藥仍是抗生素類的同源物。金黃色葡萄球菌是一種能感染人和動(dòng)物的高致病力病原微生物，容易發(fā)展為多重耐藥的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus，MRSA)，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重感染時(shí)，如心內(nèi)膜炎、骨髓炎、壞死性肺炎和膿毒癥等往往增加患者的發(fā)病率和死亡率[3]。在過去的幾十年里，由于MRSA的出現(xiàn)和迅速傳播，金黃色葡萄球菌的感染變得越來越難以治療。目前，在治療MRSA感染時(shí)，由于萬古霉素對(duì)革蘭陽(yáng)性菌有確切的療效且與其他抗生素?zé)o交叉耐藥性，因此仍是主要的選擇藥物，但是隨著細(xì)菌對(duì)萬古霉素的敏感性逐漸降低，萬古霉素的使用受到其各種缺點(diǎn)的限制，如嚴(yán)重的耳毒性、腎毒性[4]，對(duì)組織的滲透力差，細(xì)菌殺死緩慢等[5]。因此，研究人員需要不斷地嘗試研發(fā)新的抗菌藥物來緩解金黃色葡萄球菌耐藥性問題，近年來，不斷發(fā)現(xiàn)的各類抗菌肽、有抗菌作用的植物次生代謝物和獨(dú)特作用機(jī)制的新抗菌藥為治療金黃色葡萄球菌感染的新藥研發(fā)提供了新的思路。

1 抗菌肽類

抗菌肽(AMPs)是由生物體內(nèi)特定基因轉(zhuǎn)錄翻譯生成，是宿主抵抗病原微生物入侵、清除體內(nèi)變異細(xì)胞或致癌物質(zhì)的一類小分子蛋白?？咕目咕鷻C(jī)理與抗生素不同，不易產(chǎn)生耐藥性，在眾多抗生素替代品中，抗菌肽分布廣泛，有廣譜抗菌活性、抗病毒和免疫增強(qiáng)等作用，因此備受關(guān)注。抗菌肽主要有三種作用機(jī)制。

1.1 針對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜發(fā)揮作用

大多數(shù)抗菌肽主要通過破壞細(xì)胞膜發(fā)揮作用，其主要原因是這些抗菌肽的等電點(diǎn)大于7，表現(xiàn)出較強(qiáng)的陽(yáng)離子特征，而細(xì)菌細(xì)胞膜含有帶負(fù)電荷的磷脂，會(huì)產(chǎn)生靜電吸引高陽(yáng)離子的抗菌肽。

目前，抗菌肽與細(xì)菌細(xì)胞膜的具體作用機(jī)制仍不清楚。現(xiàn)有的研究提出三種假設(shè)模型，①“桶板”模型：肽插入磷脂雙分子層，形成桶形結(jié)構(gòu)的離子通道，膜外組分滲入或細(xì)胞內(nèi)容物外泄造成細(xì)胞崩解死亡[6-7]。例如已商業(yè)化的Alamethicin通過靜電作用改變磷脂雙分子層的電學(xué)性質(zhì)，引起脂質(zhì)囊泡融合，通過一系列的作用，在磷脂雙分子層形成有內(nèi)腔的桶狀結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞質(zhì)泄漏和電化學(xué)勢(shì)喪失,細(xì)胞膜崩解而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[8]，同類作用模型的抗菌肽還有Dermcidin[9]、Trichogin GA IV[10]、Yeast TRK Proteins[11]等。②“環(huán)形孔”模型：抗菌肽與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合后，可誘導(dǎo)磷脂層順著插入部位向內(nèi)凹陷，使其脂質(zhì)頭部朝外，親水端藏于內(nèi)部。磷脂頭部與抗菌肽交叉排列，共同組成了一個(gè)環(huán)形的空腔結(jié)構(gòu)，破壞了細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性，細(xì)胞膜功能喪失而導(dǎo)致細(xì)菌死亡[12]。如目前已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)期的培西加南(Pexiganan)在溶液中是非結(jié)構(gòu)化、可結(jié)合到膜上的反向平行兩親性螺旋二聚體，通過形成環(huán)形孔破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的形成，從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)或?qū)е录?xì)菌死亡。經(jīng)過廣泛的體外研究確定其對(duì)多種細(xì)菌表現(xiàn)出抑制作用，包括MRSA[13]，同類作用模型的抗菌肽有Magainins、 PGLa[14]和Melittin[15]等。③“氈毯”模型：在電荷作用下，抗菌肽像氈毯樣平行展開并結(jié)合在膜表面，疏水側(cè)朝向細(xì)胞膜，親水側(cè)朝向溶液，當(dāng)積累達(dá)到一定濃度閾值時(shí)，改變膜的表面張力從而在膜上出現(xiàn)短暫孔洞，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜的崩解[16]，如天蠶素單體通過靜電作用與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合，共振能量轉(zhuǎn)移測(cè)試顯示天蠶素在細(xì)胞膜上不會(huì)發(fā)生聚集但能以單層形式引起囊泡滲透，破壞磷脂雙層內(nèi)的脂質(zhì)堆積，使細(xì)菌細(xì)胞膜解體[17]，同類作用模型的抗菌肽還有Aurein 1.2[18]和Indolicidin[19]。

1.2 針對(duì)細(xì)菌生物被膜發(fā)揮作用

抗菌肽可增加細(xì)菌生物被膜通透性，抑制細(xì)菌生物被膜形成，分解已形成的細(xì)菌生物被膜。目前抗菌肽靶向生物被膜的研究越來越多，如羊毛硫細(xì)菌素是由細(xì)菌核糖體上合成并經(jīng)翻譯后加工修飾而成的一類抗菌肽，可滲透革蘭陽(yáng)性細(xì)菌生物被膜而產(chǎn)生抑菌作用。由于羊毛硫細(xì)菌素是由核糖體合成其前體，再由修飾酶進(jìn)行部分氨基酸的修飾才能夠分泌和具有生物活性。對(duì)羊毛硫細(xì)菌素進(jìn)行修飾、改造能夠產(chǎn)生多種形式的羊毛硫細(xì)菌素變體，這些變體不僅能夠改變抗菌活性，還能夠影響抗菌譜。因此，可通過尋找具有高度滲透能力的羊毛硫細(xì)菌素變體使它們有效地抵抗生物被膜，從而抑制MRSA[20-22]。Boakes等[23]通過相關(guān)研究和動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)衍生自3,5-二氯芐胺與脫氧Actagardine B的C末端酰胺偶聯(lián)的新型半合成羊毛硫細(xì)菌素NVB333，具有抑制MRSA和耐萬古霉素腸球菌的功效。NVB333主要通過強(qiáng)大的滲透擴(kuò)散能力致使細(xì)菌死亡，并且與其他抗生素沒有交叉耐藥性，耐藥性發(fā)展傾向非常低。迄今為止，羊毛硫細(xì)菌素NAI-107[24]、Mu1140[25]已正式通過臨床前開發(fā)成為臨床試驗(yàn)抗菌劑。

1.3 抗菌肽作用于細(xì)胞壁、特異性酶、靶向作用于DNA或RNA產(chǎn)生抑菌效果

Ling等[26]新發(fā)現(xiàn)的抗菌肽Teixobactin通過與脂質(zhì)II(肽聚糖前體)和脂質(zhì)Ⅲ(細(xì)胞壁Teichoicacid的前體)高度保守的基序結(jié)合，抑制細(xì)胞壁合成；Hashizume等[27]通過動(dòng)物試驗(yàn)及相關(guān)研究報(bào)道，天然脂肽類抗生素TPPC(tripro peptin C)能夠使β-內(nèi)酰胺類抗生素對(duì)MRSA的抗菌活性增強(qiáng)并與其有協(xié)同作用，其抗菌機(jī)制是抑制β-內(nèi)酰胺酶產(chǎn)生。定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)分析顯示，TPPC在單獨(dú)或與β-內(nèi)酰胺類抗生素聯(lián)合治療時(shí)通過減少基因blaZ和mecA的表達(dá)來逆轉(zhuǎn)β-內(nèi)酰胺類抗生素的耐藥性，從而達(dá)到治療效果；諾西肽通過與23S rRNA產(chǎn)生特異性甲基化阻礙細(xì)菌蛋白質(zhì)合成，對(duì)大部分革蘭陽(yáng)性菌如MRSA，在低濃度時(shí)呈抑菌作用，在高濃度時(shí)呈殺菌作用[28-29]，且不易產(chǎn)生耐藥性。

目前在鑒定新的AMPs的同時(shí)，還可以利用計(jì)算機(jī)及生物信息等技術(shù)，人工合成具有抗微生物作用的肽類。為治療耐藥細(xì)菌感染，越來越多的科研工作者投入抗菌藥物的研發(fā)工作，在現(xiàn)有成果及深入研究的基礎(chǔ)上，AMPs將成為一種新的抗生素替代物來控制人類病原體。

2 植物次生代謝物

目前已發(fā)現(xiàn)大量植物來源的化合物具有抗菌潛力。植物在其正常代謝途徑中產(chǎn)生大量次級(jí)代謝產(chǎn)物，如精油、生物堿、酚類物質(zhì)，這些代謝物在保護(hù)植物免受微生物感染方面做出了重要貢獻(xiàn)，其中大部分在植物的免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，顯示出抗菌潛力。

在篩選出的生物堿中，吲哚、異喹啉、哌嗪、多胺和喹諾酮均表現(xiàn)出抗微生物作用[30]。近年來，研究人員對(duì)異喹啉生物堿類的作用方式進(jìn)行了廣泛地研究。小檗堿是廣泛用于治療微生物感染的異喹啉生物堿，Chu等[31]證明小檗堿以劑量依賴性方式影響MRSA生物被膜形成，苯酚可溶性調(diào)節(jié)蛋白(PSM)組成MRSA淀粉樣纖維參與生物膜形成過程，分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示小檗堿通過疏水作用與蛋白酶體PSMα2中苯丙酮酸的苯環(huán)結(jié)合，從而影響PSMs聚集成淀粉樣原纖維來抑制MRSA生物被膜形成，增強(qiáng)抗生素的殺菌活性。

除生物堿外，還有大量精油、酚類化合物及其他植物次生代謝物，如萘醌都對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出抗菌作用。如存在于丁香精油中的麝香草酚、香芹醇與丁香酚等苯丙烷類化合物通過破壞革蘭陽(yáng)性菌的細(xì)胞膜發(fā)揮抗菌活性，從而對(duì)降低細(xì)胞膜通透性產(chǎn)生耐藥性的耐藥菌株產(chǎn)生抑制作用[32]，而且破壞細(xì)胞膜可以增加細(xì)菌對(duì)其他具有生物活性化合物的敏感性；黃酮類洋槐素和楊梅酮等酚類化合物通過插入核酸堿基來抑制核酸合成，從而對(duì)MRSA發(fā)揮抗菌作用[33]；從白花丹根中提取的植物源萘醌Plumbagin通過抑制金黃色葡萄球菌生物膜的形成發(fā)揮抗菌作用[34]。最近發(fā)現(xiàn)兩種功能DNA的隱藏編碼，被稱為Duons，其作為氨基酸編碼和轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別位點(diǎn)，Duons調(diào)控基因的表達(dá)，從而改變各種次生代謝產(chǎn)物的表達(dá)[35]。因此，可以通過操縱基因以產(chǎn)生更多具有抗微生物活性的植物次生代謝物。

表1 部分具有抑制金黃色葡萄球菌活性的植物次生代謝物及其作用機(jī)制

續(xù)表1

3 新作用機(jī)制的抗菌藥物

抗菌藥耐藥性不可避免地隨著每種新藥的臨床應(yīng)用而產(chǎn)生，同時(shí)耐藥病原體的快速繁殖已成為嚴(yán)重問題。傳統(tǒng)抗菌藥主要是通過抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成、與細(xì)胞膜相互作用、干擾蛋白質(zhì)的合成以及抑制核酸的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制等對(duì)病原體產(chǎn)生抑制作用，但也容易誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，使治療效果不理想。為了減少和避免多重耐藥菌的感染，有必要開發(fā)具有新作用機(jī)制且不易產(chǎn)生耐藥性的抗菌藥物，如群體感應(yīng)(Quorum sensing, QS)的干擾信號(hào)分子、疫苗以及抗體抗生素結(jié)合物等。

QS是細(xì)菌通過信號(hào)分子的分泌、識(shí)別調(diào)控基因水平轉(zhuǎn)移、芽胞產(chǎn)生、毒力因子分泌及生物膜形成等群體行為的細(xì)胞交流機(jī)制，干擾信號(hào)分子的分泌、識(shí)別，可以阻斷QS，實(shí)現(xiàn)群體淬滅(Quorum quenching, QQ)[57]。金黃色葡萄球群體感應(yīng)由輔助基因調(diào)節(jié)器(Agr)介導(dǎo)，調(diào)控 α-、β-和 δ-溶血素、凝固酶以及蛋白A等重要致病因子的產(chǎn)生。多羥基蒽醌ω-hydroxyemodin是一種QS抑制劑，可通過與Agr操縱子編碼的反應(yīng)調(diào)節(jié)劑AgrA直接結(jié)合阻止金黃色葡萄球菌的Agr信號(hào)調(diào)控，抑制QS，具體表現(xiàn)為抑制毒力因子的表達(dá)與限制細(xì)菌毒素引起的炎癥反應(yīng)[58]。該機(jī)制的優(yōu)勢(shì)是將藥物作用靶點(diǎn)從細(xì)菌生長(zhǎng)過程轉(zhuǎn)向感染過程，從而降低細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生的壓力。類似作用機(jī)制的抗菌藥物有地塞米松的一種新型NO釋放衍生物ND8008[59]、抗α-毒素單克隆[60]、莫林水合物[61]等。Zhao 等[62]評(píng)估了葡萄球菌腸毒素B(SEB)多重B細(xì)胞表位疫苗對(duì)MRSA感染的功效和免疫機(jī)制，通過組合6種SEB免疫優(yōu)勢(shì)表位來構(gòu)建重組MRSA SEB特異性多種B細(xì)胞表位疫苗多肽，誘導(dǎo)MRSA的強(qiáng)烈SEB特異性IgG1應(yīng)答以及Th2同種型應(yīng)答能力，并且MRSA SEB特異性多種B細(xì)胞表位疫苗多肽還能誘導(dǎo)抗血清刺激吞噬細(xì)胞殺死MRSA。新型抗體-抗生素結(jié)合物(AAC)是由金黃色葡萄球菌抗體與一種高效的抗生素結(jié)合而成，在吞噬細(xì)胞蛋白溶解環(huán)境中釋放而激活，可殺死細(xì)胞內(nèi)病原體，且抗體-抗生素結(jié)合物治療菌血癥的效果優(yōu)于萬古霉素[63]。

4 展 望

細(xì)菌耐藥性情況越來越嚴(yán)峻，成為全球公共衛(wèi)生最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)之一。在過去的幾十年里，很少發(fā)現(xiàn)新的抗生素類，改善這種情況需要廣泛尋找新的藥物，天然的動(dòng)植物產(chǎn)物已被證明是新抗菌藥的重要替代來源 。

在人類歷史上，許多植物一直是治療疾病的良藥，例如治療瘧疾的青蒿素[64]，用于抗癌化療的秋水仙堿[65]，但目前臨床上可用的抗生素大多來源于細(xì)菌或真菌。近年來，報(bào)道植物次級(jí)代謝物及其抗菌活性的研究越來越多，但是這些報(bào)道大多只研究了特定化合物的分離、純化以及評(píng)估抑制微生物群生長(zhǎng)的能力，缺乏對(duì)植物次生代謝物的作用機(jī)理及臨床應(yīng)用研究。因此，研究植物次生代謝物作為抗菌藥物的深層機(jī)理及臨床應(yīng)用將成為新藥研發(fā)的重點(diǎn)之一。此外，抗菌肽作為抗生素的一種潛在替代物，除了抗菌功能外，一些抗菌肽還表現(xiàn)出對(duì)特定細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)作用。然而，大多數(shù)抗菌肽由于易降解或毒性作用在臨床前研究或發(fā)現(xiàn)階段就被淘汰了。因此，研發(fā)安全和高效的抗菌肽成為一項(xiàng)迫在眉睫的工作。另外，隨著科學(xué)的發(fā)展，新抗菌肽的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也是研究工作重點(diǎn)之一。Zipperer等[66]發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在人類鼻腔中的路鄧葡萄球菌會(huì)產(chǎn)生一種含噻唑烷的環(huán)肽Lugdunin，能防止金黃色葡萄球菌定殖，對(duì)多種革蘭陽(yáng)性細(xì)菌有較強(qiáng)的抗菌活性，包括MRSA、中度耐藥金黃色葡萄球菌和萬古霉素耐藥腸球菌等。但如果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，病原體對(duì)從人體本身的防御系統(tǒng)中衍生出來的抗菌藥物產(chǎn)生了耐藥性，后果可能會(huì)比目前更糟糕。不僅對(duì)Lugdunin，還有其他從人體或哺乳動(dòng)物的防御系統(tǒng)中衍生出來的抗菌肽來說，評(píng)估其潛在的耐藥性發(fā)展將面臨的風(fēng)險(xiǎn)是必須要進(jìn)行分析和考慮的。