2023/12/12
《自然·通讯》：针对超级细菌感染，开发新一代多肽类抗生素
2022年3月，由澳大利亚蒙纳士大学李健教授实验室领头的合作团队在《自然·通讯》杂志上在线发表论文，首次报道了新一代多肽类抗生素F365（QPX9003）的研发历程。这是自60多年前多黏菌素首次应用于临床治疗以来，第一个对多重耐药革兰阴性菌具有高治疗指数（Therapeutic index）的多肽类新药，具有巨大的潜力和应用前景。该药物目前已授权于美国Qpex Biopharma制药公司，由其在美国开展的临床I期实验即将完成。
本世纪以来，细菌耐药性已成为全球人类健康的巨大威胁。多重耐药菌感染的急剧增加使抗生素药物面临严峻挑战，尤其是致命的多重耐药革兰阴性菌感染，已严重威胁人类健康，成为全球面临的重要医学难题。目前，多黏菌素是治疗多重耐药革兰阴性菌感染的最后一道防线。
多黏菌素于上世纪40年代首次发现，是由多黏类芽孢杆菌产生的一种脂肽。多黏菌素B（polymyxin B）和黏菌素（colistin）于上世纪50年代末首次应用于临床治疗。然而，多黏菌素在安全性（肾毒性和急性毒性）、药代动力学（肺部的低药物暴露量，易与肺表面活性物质结合）和功效方面（治疗肺部感染时的低效）存在缺陷，严重限制了临床应用。因此，亟需开发安全、高效的新抗生素。
蒙纳士大学李健教授团队利用化学生物学手段系统地改变了多黏菌素分子结构中的多个非保守位置，首次实现治疗功效与毒性的分离，成功开发出新一代多肽类抗生素F365（QPX9003）。动物实验证明F365能安全、有效治疗多重耐药革兰阴性菌引起的感染， 特别是肺部感染。研究团队巧妙地应用多重构效模型（结构-杀菌活性-肾毒性-急毒-药代），理性设计药物分子，运用系统药理学解析抗生素杀菌和毒性机制，这些方法为开发新型高效安全抗生素提供了新思路。
▲多黏菌素的化学结构和脂肽设计策略。（a）多黏菌素结构；（b）多黏菌素B和细菌脂多糖分子相互作用模型；（c）根据多重构效模型（结构-杀菌活性-肾毒性-急毒-药代）设计新型多肽类抗生素的策略；（d） F365和细菌脂多糖分子相互作用模型。（图片来源：参考资料[1]）
李健教授团队通过多黏菌素构效模型的系统分析，发现N-端脂肪酰基，3位二氨基丁酸（Dab）残基和6、7位氨基酸残基在天然多黏菌素中是可变的。通过整合化学生物学研究、理性药物设计、全化学合成和先导化合物优化得到脂肽F365，研究团队发现适当降低6、7位残基的疏水性，缩短3位氨基酸残基侧链，用2,4-二氯苯甲酰基替代N-端辛酰基可以显著减少肾毒性和急性毒性，减弱与肺表面活性物质结合能力并提高杀菌活性。
▲小鼠的肾毒性、急性毒性以及多黏菌素和先导化合物的体外活性。（a） 药物处理后小鼠肾脏组织病理学结果；（b） 在肺部表面活性物质存在下的MIC值变化；（c） 最大耐受计量；（d） 相对安全指数；（e-g） 多黏菌素B、F287和F365的最小抑菌浓度。 （图片来源：参考资料[1]）
实验证明对于绿脓杆菌和鲍曼不动杆菌，F365的活性比多黏菌素B分别提高2倍和8倍。体外传代显示鲍曼不动杆菌对F365的耐药性低于多黏菌素B。利用小鼠肺炎模型研究表明F365的治疗指数显著提高。F365在小鼠、大鼠和人血浆中的蛋白结合率显著低于多黏菌素B和黏菌素。在小鼠和大鼠中，F365比多黏菌素B具有更高的全身清除率，更短的半衰期，以及更高的血浆游离药物峰值。在大鼠中，F365的尿回收率是多黏菌素B的4倍以上，表明肾脏对F365的重吸收大大减少。由于F365更安全，高剂量下在小鼠肺泡上皮衬液（ELF）中有效药物暴露量远高于多黏菌素B和黏菌素， 并且其与肺部表面活性物质几乎不结合，因而对小鼠模型中多重耐药革兰阴性菌造成的肺部感染具有相当好的疗效，甚至包括中等多黏菌素耐药的菌株。
转录组学分析表明在多黏菌素和F365处理后，鲍曼不动杆菌基因表达受到了显著影响。特别是脂肪酸生物合成相关基因的上调程度最高，表明F365可能对细菌细胞膜产生更强的扰动。通过比较多黏菌素和F365对人肾小管上皮HK-2细胞转录组影响，发现F365对HK-2转录组的干扰最小，这正与F365低细胞毒性相符。
▲多黏菌素B、黏菌素、F287、F319 和 F365 处理后，鲍曼不动杆菌 AB5075 和 HK-2 细胞中的转录组变化。（a） 鲍曼不动杆菌基因表达的主成分分析（PCA）；（b-c） 鲍曼不动杆菌差异表达基因；（d） HK-2 细胞中基因表达的主成分分析；（e-f） HK-2 细胞中差异表达基因。 （图片来源：参考资料[1]）
基质增强表面辅助激光解吸/电离质谱成像（ME-SALDI-MS）结果显示，与小鼠肾组织中的多黏菌素B和黏菌素相比，F365的分布、积累和代谢非常不同。总之，低肾脏重吸收和累积使得F365的肾毒性显著降低。在食蟹猴中进行的14天重复给药GLP毒理学实验也证明F365在20 mg/kg/day测试剂量下未观察到肾毒性，即使在最高测试剂量50 mg/kg/day下也未观察到急性毒性症状。
▲多黏菌素和F365在小鼠肾脏分布、积累和代谢的基质增强表面辅助激光解吸/电离质谱成像。（图片来源：参考资料[1]）
该研究成果由李健教授团队联合美国Qpex Biopharma公司共同完成，Kade Roberts、朱岩和Mohammad Azad博士为本文共同第一作者。此项长达13年的研究得到美国国立卫生研究院（NIH）、国家过敏和传染病研究所（NIAID）和澳大利亚国家健康和医学研究委员会（NHMRC）的基金支持。
通讯作者信息：李健教授是澳大利亚科学院院士，澳大利亚健康医学科学院院士，美国微生物科学院院士，蒙纳士大学生物医学发现研究所抗生素系统药理学实验室主任，长期从事抗感染系统药理学研究和新药开发。
参考资料：[1] Roberts, K.D., Zhu, Y., Azad, M.A.K. et al. A synthetic lipopeptide targeting top-priority multidrug-resistant Gram-negative pathogens. Nat Commun 13, 1625 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29234-3
来源：学术经纬