抗生素開發(fā)現(xiàn)狀及策略

岳昌武

(延安大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，延安市微生物藥物創(chuàng)新及轉(zhuǎn)化重點實驗室，陜西 延安 716000)

自古以來，疫病就和饑荒、戰(zhàn)爭一起并稱為懸掛在人類頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍，嚴(yán)重威脅著人類的生存。人類在和疫病進(jìn)行艱苦卓絕的戰(zhàn)斗中，付出了沉重的代價。瘧疾、天花、霍亂、“黑死病”、流感等重大疫病曾奪去數(shù)以億計的人的生命[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，流感變異病毒株、冠狀病毒感染等時有爆發(fā)，僅有新冠病毒感染為例，截止到2021年3月中旬，全球有超過1億2千萬人確診罹患新冠肺炎，其中270多萬人被病毒奪去生命，僅美國就有3000多萬人確診感染，死亡逾55萬人。疫病貫穿了整個人類發(fā)展歷史的始終，人類與疫病的斗爭一直都沒有停止?！耙徊咳祟惏l(fā)展的文明史，半部與瘟疫斗爭的血淚史”，在長期的抗擊瘟疫中，抗感染藥物和疫苗的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展無疑是人類抗擊疫病的斗爭中取得最輝煌成就的代表。自從1938年青霉素成功從實驗室轉(zhuǎn)為規(guī)?；a(chǎn)、臨床應(yīng)用以來，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)了超過30000個抗生素，在此基礎(chǔ)上開發(fā)合成、半合成抗生素及結(jié)構(gòu)類似物超過20萬個[2]?？股氐某霈F(xiàn)挽救了數(shù)以億計的生命，是人類抗疫史上的里程碑式成就。然而，道高一尺、魔高一丈，各種耐藥菌和各種高致病性、高突變率的新型病毒的出現(xiàn)，給抗感染藥物的開發(fā)帶來了新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文將回顧抗細(xì)菌、真菌感染抗生素的曲折發(fā)展歷史，總結(jié)抗生素開發(fā)研究面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)狀及其原因，分析抗生素研發(fā)的不足并提出開發(fā)建議。

1 抗生素的曲折發(fā)展史

1.1 抗生素的發(fā)現(xiàn)及爆發(fā)式增長

人類在對抗疫病過程中積累很多的直觀經(jīng)驗，但直到1927年Alexander Fleming發(fā)現(xiàn)了可以抑制葡萄球生長的青霉素(penicillin，盤尼西林)，人類才真正進(jìn)入抗生素時代[3]。此后，通過化學(xué)成分分析和結(jié)構(gòu)解析，人們終于知道了天然抗生素主要是放線菌和真菌等微生物以及某些動植物等產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物[4]。

青霉素出現(xiàn)，掀起了人們尋找抗生素的熱潮。Selman Abraham Waksman等通過四十年的努力，先后從灰鏈霉菌(Streptomycesgriseus)等微生物中發(fā)現(xiàn)并合成了鏈霉素(streptomycin)等20余種抗生素，并發(fā)現(xiàn)鏈霉素可以控制結(jié)核病、治療鼠疫。鏈霉素的發(fā)現(xiàn)極大地振奮了人心，此后，科學(xué)家們又從放線菌中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的四環(huán)類抗生素，氨基糖苷類抗生素，大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，安莎類抗生素和多烯類抗霉菌抗生素[5]。然而，隨著抗生素的井噴式發(fā)現(xiàn)并大量進(jìn)入臨床，天然抗生素的易耐藥菌、過敏反應(yīng)、毒性較大、活性較低等問題逐漸顯現(xiàn)[6]?？茖W(xué)家們通過對天然抗生素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造或修飾，獲得了大量的改性、增效、降過敏、減毒的半合成的由此得到了各種目前在臨床上廣泛使用的氨芐西林、頭孢菌素類抗生素等半合成氨基糖苷類抗生素和乙酰螺旋霉素、羅紅霉素、阿奇霉素、克拉霉素等半合成大環(huán)內(nèi)酯類抗生素(見圖1)[7]。由此，抗生素的發(fā)展進(jìn)入了黃金時代[8]。

圖1 部分鏈霉菌來源抗生素的作用靶點及機(jī)制[7]

1.2 超級耐藥菌及后抗生素時代的挑戰(zhàn)

正當(dāng)人們?yōu)橥ㄟ^抗生素治療和免疫接種的成功消滅鼠疫、霍亂、天花三大烈性傳染病成為現(xiàn)實并對期望廣泛利用抗生素消滅傳染病的時候，人們發(fā)現(xiàn)耐藥菌尤其是對臨床上廣泛使用的抗生素多藥耐藥菌(MDR)和廣泛耐藥菌(XDR)甚至是泛耐藥的超級耐藥菌(PDR)卻不合時宜地出現(xiàn)了[9]。細(xì)菌不僅能自行產(chǎn)生抗生素耐藥性，還有能力通過各種不同的機(jī)制將抗生素耐藥性基因傳遞給其他細(xì)菌，使得新抗生素上市后幾年內(nèi)就可能出現(xiàn)各種耐藥菌株(見圖2)，嚴(yán)重地威脅著人類的生存。世界衛(wèi)生組織于2017年公布了全球亟待開發(fā)新抗生素的12種耐藥菌名錄(Willyard，2017)，將碳青霉烯類耐藥的鮑曼不動桿菌(CRAB)、碳青霉烯類耐藥綠膿桿菌(CRPA)、碳青霉烯類耐藥腸球菌(CRE)和產(chǎn)廣譜β-內(nèi)酰胺酶腸球菌(ESBLE)列為緊急威脅、極為緊迫亟待開發(fā)抗生素的臨床病原菌，將甲氧西林耐藥金黃色葡萄球菌(MRSA)、萬古霉素耐藥金黃色葡萄球菌(VRSA)、萬古霉素耐藥屎腸球菌(VRE)、克拉霉素耐藥幽門螺桿菌(CRHP)、喹諾酮耐藥彎曲桿菌、喹諾酮耐藥沙門氏菌、喹諾酮耐藥淋病奈瑟菌和頭孢菌素耐藥淋病奈瑟菌等列為嚴(yán)重威脅、十分緊迫亟待開發(fā)抗生素耐藥菌，將青霉素不敏感肺炎鏈球菌、氨芐西林耐藥流感嗜血桿菌、喹諾酮類耐藥志賀氏菌等列為威脅、亟待開發(fā)抗生素耐藥菌。美國疾病控制和預(yù)防中心(美國CDC)發(fā)布《抗生素耐藥威脅報告(2019年)》(2019AR)又將碳青霉烯類耐藥艱難梭菌、碳青霉烯類耐藥耳念珠菌列為緊急威脅、極為緊迫亟待開發(fā)抗生素的臨床病原菌，指出耐藥菌問題游走在失控邊緣，需高度警惕的“緊急威脅”耐藥菌種類在增加。

圖2 部分抗生素上市及首次報道耐藥時間

1.3 抗生素開發(fā)的嚴(yán)峻現(xiàn)狀及原因

抗生素耐藥菌的出現(xiàn)，使得目前每年全球約有近100萬人死于無法用普通抗生素治療的細(xì)菌感染，抗生素耐藥性可能會讓我們回到一個即使是簡單割傷或擦傷都可能致命的“preantibiotic”時代。WHO明確指出，如果不加大抗生素的研發(fā)力度，未來10年內(nèi)，面對耐藥菌感染，人類將“無藥可醫(yī)”。JimO’Neill于2016年發(fā)表的《Antimicrobial resistance review:government response，全球抗菌藥物耐藥回顧》估計，如果目前的情況得不到改善，到2050年全球每年將有1000萬人死于耐藥菌感染[11]。

2014年世界衛(wèi)生組織發(fā)布的抗生素耐藥問題報告顯示，致病微生物已經(jīng)對現(xiàn)有的大部分抗生素產(chǎn)生了耐藥性，全球正在進(jìn)入后抗生素時代。2020年WHO發(fā)布的《2019年全球衛(wèi)生估計報告》仍指出目前抗感染藥物的需求并未解決[12]。現(xiàn)有的新抗生素開發(fā)力度嚴(yán)重滯后于超級耐藥菌的產(chǎn)生速度，進(jìn)入21世紀(jì)以來，總共只有36個抗生素成功上市，其中(半)合成抗生素31個，占絕對的主導(dǎo)地位，而直接來源于微生物代謝產(chǎn)物的只有達(dá)托霉素和非達(dá)霉素。截止到2019年8月，全球僅有42種抗生素藥物正在進(jìn)行臨床實驗研究，其中包括4種具有抗生素應(yīng)用潛力的藥物、17種可用于治療G-細(xì)菌感染抗生素、11種可用于治療淋病瑟琳菌艱難梭菌或感染抗生素。約有1/4的抗生素屬于新藥或具有新的抗菌機(jī)制[13]。

造成目前臨床上感染治療“無藥可醫(yī)”的窘境的原因主要有3個方面[14-17]：一是新抗生素研發(fā)的周期長、成本高和易耐藥使得制藥寡頭紛紛下馬抗生素研發(fā)項目或部門，二是技術(shù)的瓶頸使得獲得新的抗生素越來越難，三是世界范圍內(nèi)(特別是發(fā)展中國家)的抗生素濫用局面沒有得到根本控制。

要想在全世界范圍內(nèi)控制好耐藥菌感染，需要在WHO框架內(nèi)協(xié)調(diào)世界各國政府的抗生素耐藥監(jiān)測、監(jiān)管合作以及政府引導(dǎo)的抗生素新藥研發(fā)和制藥寡頭及研究組織的抗生素促進(jìn)計劃。但從現(xiàn)階段新藥上市的情況看，收效不是十分的明顯，抗生素尤其是新型抗耐藥菌感染抗生素研發(fā)任重道遠(yuǎn)，道阻且長。

2 新抗生素開發(fā)策略

有別于20世紀(jì)70～80年代抗生素開發(fā)的黃金時期以微生物學(xué)和天然有機(jī)化學(xué)研究方法為主的抗生素開發(fā)，現(xiàn)階段抗生素的開發(fā)需要在全新的策略指引下，綜合運用基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、組合生物化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)以及各種現(xiàn)代組學(xué)技術(shù)有目的地開發(fā)重點菌株才能有效提高新抗生素發(fā)現(xiàn)效率，避免走低水平重復(fù)發(fā)現(xiàn)的老路。

2.1 基于耐藥靶點或機(jī)制開發(fā)新抗生素

概括起來，抗生素耐藥的機(jī)制主要有5種[18](見圖3)。比如借助AdeABC外排泵主動外排功能，能夠泵出β-內(nèi)酰胺類、氨基糖苷類、喹諾酮類、替加環(huán)素、氯霉素、甲氧芐啶等抗菌藥物。借助于頭孢菌素酶(AmpC)、超廣譜β-內(nèi)酰胺酶(ESBL)、B類金屬β-內(nèi)酰胺酶和β-內(nèi)酰胺環(huán)的D組OXA-23酶等細(xì)菌獲得了水解碳青霉烯類抗生素能力。借助于乙?；?、核苷化和(或)磷酸化修飾酶使得細(xì)菌能夠抵抗氨基糖苷類抗生素。而通過突變，細(xì)菌可產(chǎn)生親水性抗生素孔蛋白通道、疏水性抗生素脂質(zhì)介導(dǎo)通管道缺失或突變從而使抗生素不能到達(dá)靶部位而耐藥。而青霉素結(jié)合蛋白(PBP)的突變則使其對抗菌藥物的親和力降低，從而導(dǎo)致細(xì)菌對β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物耐藥。而核糖體突變則可以使鏈霉素、慶大霉素等作用于核糖體從而影響蛋白合成的抗生素失效。

耐藥相關(guān)的基因被稱為耐藥基因組(resistome)，對于這些可遺傳的抗生素耐藥突變，科學(xué)家可以逆向研發(fā)，針對這些酶、通道蛋白、突變后的藥靶以及生化代謝途徑開發(fā)抗生素。通過篩選出與這些耐藥相關(guān)蛋白特異結(jié)合的小分子配體類抗生素，誘導(dǎo)其變構(gòu)而影響其耐藥活性的同時應(yīng)用相應(yīng)抗生素而聯(lián)合殺菌。目前，幾乎所有上市的新型抗生素均是基于這些“體外形成”的耐藥菌的機(jī)制研發(fā)而成的[19-23]。

圖3 抗生素主要耐藥機(jī)制[18]

2.2 利用經(jīng)典微生物生理學(xué)與遺傳操作新技術(shù)開發(fā)新抗生素

自2002年第一個放線菌天藍(lán)色鏈霉菌StreptomycescoelicolorA3(2)基因組測序結(jié)果公布以后，抗生素挖掘進(jìn)入了后基因組時代[24]?？茖W(xué)家可以利用分子生物學(xué)工具，對微生物基因組進(jìn)行各種形式的遺傳或生理操作(見圖4)，概括起來主要有：①添加a因子及其類似物、對菌體次級代謝進(jìn)行全局性改變的表觀遺傳操作[25]，②將不同來源參與不同抗生素合成的相關(guān)基因進(jìn)行組合、合成新的抗生素[26-27]，③對途徑特異調(diào)控的相應(yīng)調(diào)控蛋白操作、激活沉默基因簇的生物合成[28]，④通過代謝工程定向改變體內(nèi)代謝流、促進(jìn)特異產(chǎn)物高效合成[29]，⑤將抗生素生物合成基因簇導(dǎo)入特定宿主高效表達(dá)或修飾的異源生物合成[30]，⑥在發(fā)酵培養(yǎng)阻斷突變株時添加某種天然的或化學(xué)合成的化合物，參與生物合成以獲得新抗生素突變合成[31]，⑦針對核糖體突變的核糖體工程[32]，⑧前體導(dǎo)向的新抗生素合成[33](見圖5)，⑨基于微生物生理學(xué)的“一個菌株多個產(chǎn)物”的OSMAC策略[34](見圖6)。通過綜合運用上述策略，科學(xué)家們已經(jīng)挖掘出了多種具有不同生物活性的新型天然產(chǎn)物，極大地豐富了抗生素化合物庫，為臨床新抗生素開發(fā)提供了寶貴的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖4 抗生素開發(fā)的遺傳或生理操作策略

圖5 前體導(dǎo)向新抗生素合成策略

圖6 基于微生物生理學(xué)的OSMAC策略

2.3 獨辟蹊徑的抗生素研發(fā)新策略

大數(shù)據(jù)時代，科學(xué)家們積累的海量的抗生素結(jié)構(gòu)及活性的數(shù)據(jù)為通過人工智能(AI)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和新藥設(shè)計提供了重要運算依據(jù)，2021年IBM公司利用抗菌肽數(shù)據(jù)庫等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源，建立一種基于深度學(xué)習(xí)和分子動力學(xué)的結(jié)合、可快速發(fā)現(xiàn)有效和選擇性廣譜抗菌藥物的“條件潛在(屬性)空間采樣系統(tǒng)”(Conditional Latent(attribute)Space Sampling，CLaSS)的新型抗菌肽AI計算模型，利用該人工智能系統(tǒng)識別，在48天內(nèi)開發(fā)了兩種對Gram+和Gram-分別具有體內(nèi)外殺菌活性的新型抗菌肽，AI從生物靶點識別，新分子設(shè)計，活性預(yù)測等方面展現(xiàn)了巨大潛力，這為解決傳統(tǒng)的抗生素開發(fā)困境提供了新的希望[35]。

普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊基于模塊化合成策略，基于天然鏈陽菌素A基本支架為出發(fā)點，通過添加可互換的分子構(gòu)建單元，獲得了62個鏈陽菌素A類似物，從中發(fā)現(xiàn)了可同時在體內(nèi)外殺滅Gram+和Gram-，且不會產(chǎn)生耐藥性新型化合物SCH-79797及其衍生物Irresistin-16(IRS-16)(見圖7)，被譽為“打破百年研究瓶頸”[36]。

很多時候抗生素在野生菌株體內(nèi)產(chǎn)生量極低，大大地增加了發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用新抗生素的難度，我國科學(xué)家張立新、向文勝和王為善等科學(xué)家提出了“精準(zhǔn)動態(tài)調(diào)控內(nèi)源三酰甘油(TAGs)提高聚酮產(chǎn)量工程策略”[37]被認(rèn)為：“這是70年來首次在代謝水平上清晰闡明鏈霉菌初級代謝到次級代謝的代謝轉(zhuǎn)換機(jī)制并進(jìn)行工程應(yīng)用”，利用該策略已成功實現(xiàn)了土霉素、杰多霉素等Ⅱ型聚酮的高產(chǎn)菌株的構(gòu)建。

圖7 SCH-79797及其衍生物Irresistin-16(IRS-16)作用機(jī)制[36]

在開發(fā)新抗生素的同時，科學(xué)家們也在現(xiàn)有抗生素的聯(lián)用即復(fù)方抗生素藥物開發(fā)方面付出了巨大努力，近年來FDA先后快速批準(zhǔn)了ceftolozane/三唑巴坦(商品名：zerbaxa)和頭孢他啶/阿維巴坦(商品名：avycaz)等兩個新的β-內(nèi)酰胺類抗生素/β-內(nèi)酰胺酶抑制劑復(fù)方抗生素在一定程度上緩解了目前耐藥菌無藥可用的局面，在今后的一定時期內(nèi)，老藥新用、抗生素聯(lián)用也可作為抗生素開發(fā)的一個重要方向[38-39]。

祖國醫(yī)學(xué)是人類發(fā)展史上的璀璨瑰寶，很多古今藥方有抗微生物的功效，中藥中穿心蓮、黃芪、板藍(lán)根等中藥含有多種有效成分，能抑制殺滅部分細(xì)菌病毒，而且還可多環(huán)節(jié)地調(diào)節(jié)免疫，有著不同程度的改善耐藥性的功能。中草藥對細(xì)菌耐藥質(zhì)粒的消除作用研究也一直深受研究者關(guān)注。在新抗生素開發(fā)困境尚未得到根本緩解的情況上，中醫(yī)藥理論為指導(dǎo)，充分采用現(xiàn)代高科技手段，挖掘祖國醫(yī)學(xué)的資源寶庫，研發(fā)對病原菌具有顯著療效的現(xiàn)代化中藥，必將迎來新的光明[40-41]。

3 結(jié)束語

盡管抗生素類藥物在臨床治療病原菌感染等重大疾病方面發(fā)揮著重要作用，然而，在今后很長的一段時間內(nèi)，耐藥菌感染還將是人類面臨的重大威脅，人們發(fā)掘新抗生素變得越來越困難，而已知結(jié)構(gòu)的抗生素重復(fù)發(fā)現(xiàn)的頻率卻越來越高，新抗生素上市越來越困難。值得慶幸的是，自21世紀(jì)以來，得益于系統(tǒng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、基因組學(xué)、代謝組學(xué)、化學(xué)表觀遺傳學(xué)以及基因組編輯等技術(shù)的巨大進(jìn)步，科學(xué)家們開始反思和改進(jìn)抗生素研發(fā)策略，提出了很多諸如基于分子系統(tǒng)學(xué)、代謝組學(xué)以及基因組挖掘技術(shù)的新抗生素發(fā)現(xiàn)策略，也已經(jīng)開發(fā)出像OSMAC、ddATG、CRISPR-BEST[42]、aMSGE[43]等抗生素開發(fā)新技術(shù)并取得了良好的進(jìn)展。后抗生素時代，面對超級耐藥菌的挑戰(zhàn)，研究人員需要從以下三方面研究予以重視：一是繼續(xù)開展細(xì)菌耐藥機(jī)制和耐藥靶點的研究、立足新的耐藥機(jī)制和耐藥靶點開發(fā)新抗生素，二是充分利用已有的藥物研究成果、立足于大數(shù)據(jù)和AI新技術(shù)開發(fā)新抗生素，三是要充分挖掘中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的資源、在中藥抗菌藥物或抗生素聯(lián)用上發(fā)力、充分發(fā)揮現(xiàn)有藥物抗菌潛力。與此同時，WHO/FAO等政府間組織、政府、社會、學(xué)界和制藥行業(yè)需要進(jìn)一步發(fā)揮各自的優(yōu)勢，積極承擔(dān)更多的責(zé)任，才能在抗擊耐藥菌感染的斗爭中取得最終決定性的勝利。