研究人员为一类新型抗生素开发了分子，可以克服耐药细菌

大约十年前，加州大学圣塔芭芭拉分校化学教授吉列尔莫·巴赞（Guillermo Bazan）实验室的研究人员开始在他们的研究中观察到一个反复出现的挑战：他们正在开发的一些化合物来利用细菌的能量，反而杀死了微生物。如果该项目的目标是利用活细菌的新陈代谢来发电，那就不好了。

“我们需要细菌活着，”囊性纤维化基金会博士后研究员亚历克斯·莫兰德（Alex Moreland）说，他于2014年作为研究生加入巴赞研究小组，目前在UCSB的聚合物和有机固体中心工作。“当我们为该应用开发新分子时，我们发现其中一些分子不起作用，因为它们正在杀死细菌。

然而，在随后的研究中，研究小组并没有将其视为一个相当烦人的实验室好奇心，而是倾向于这些化合物的明显抗菌特性，称为共轭寡电解质（COE）。快进到今天，他们现在拥有了一类新型抗生素的基础，这种抗生素不仅显示出对抗多种细菌感染的希望，而且还可以逃避可怕的耐药性，这种耐药性使我们当前一代的一线抗生素无效。

“我们意识到，如果设计得当，我们已经研究了一段时间的分子框架可以产生一类新的抗生素;这是很少被发现的，对现代医学有深远影响的东西，“巴赞说。

Bazan 小组对各种细菌感染的概念验证研究出现在发表在《科学转化医学》、《药物化学杂志》和《化学通讯》上的多篇论文中。

全球性问题
在被称为被忽视的大流行中，抗微生物药物耐药性（AMR）是一个影响各行各业的全球性问题。2019年，全球估计有130万人死于抗微生物药物耐药性。

“这个数字假设，如果用相同类型的非耐药细菌代替耐药细菌，患者就会存活下来，”莫兰德说。“这些是与过去几年有效的抗生素耐药性特别相关的超额死亡。他补充说，在许多情况下，某些耐药菌感染的死亡率是非耐药菌株的三倍以上。

当细菌暴露于抗生素并进化出击败或绕过抗生素的方法时，就会产生抗生素耐药性。策略包括使用细胞膜作为屏障，破坏有问题的分子或将其从细胞中消除，或改变药物的靶标以使抗生素无效。这些抗性机制可以遗传给后代细菌或与环境中的其他细菌共享。

“2019年有495万人死于抗生素耐药性，其中包括可直接归因于抗微生物药物耐药性的130万人，而每年约有1000万人死于癌症，”巴赞评论道。“然而，上次我们检查时，有27项新抗生素的临床试验和1,300项抗癌治疗的临床试验。值得花点时间反思这些数字。

广泛有效，但选择性强
COE似乎通过“重塑”细菌膜来达到多个目标，国际研究团队在《科学转化医学》上证明。在当时是新加坡国立大学（NUS）巴赞实验室博士后研究员的Kaixi Zhang的带领下，该团队将他们的化合物用于对抗一种特别难以治疗的微生物， 即脓肿分枝杆菌（Mab），这种微生物的感染在患有潜在肺部疾病的患者中很普遍，如囊性纤维化。 单克隆抗体 不仅具有“异常厚实且不透水的细胞包膜”，可以排斥抗生素，而且还具有隐藏在吞噬细胞内的能力，吞噬细胞是免疫细胞，其作用是吞噬和杀死微生物。

在 单克隆抗体的情况下，这些免疫细胞不能有效地杀死细菌，并且可能无意中使它们免受抗生素的侵害。尽管长时间使用三到四种抗生素组合，持续 12 至 18 个月，但目前的治疗往往失败——超过一半的患者没有治愈，但超过 70% 的患者患有明显的不良副作用。在体外和体内实验中，本研究中的 COE 在根除 mAb 方面被证明比抗生素对照阿米卡星和亚胺培南更有效。

研究人员将这种有效性归因于该化合物对细菌细胞壁的物理和功能完整性的靶向。

“如果你破坏膜，细胞就会破裂，当然这会杀死细菌，但这往往不是一种选择机制，”张说。“然而，膜中发生了许多基本功能，这些功能可能会被更微妙的膜靶向打断。我们的假设是，我们的化合物通过诱导膜重塑，同时抑制多种基本功能。她补充说，这种破坏的冲击对细菌具有倍增效应，与接触传统抗生素相比，它们产生耐药性的难度要高出10到1000倍。

COE的独特机制在抗生素耐药性或耐受性的另一个方面也占有重要地位：生物膜的产生，在这种状态下，微生物群落结合在一起并产生聚合物物质，从而形成某种屏蔽。

在由UCSB / NUS博士后研究员Jakkarin Limwongyut领导的《药物化学杂志》上，该团队展示了另一种COE化合物对铜绿假单胞菌的功效， 铜绿假单 胞菌是一种生物膜形成的耐药细菌，被世界卫生组织和疾病控制与预防中心视为紧急威胁，并且是传统上与AMR相关的病原体之一。它会导致多种疾病，从耳部感染到危及生命的肺炎，在医院环境中尤为普遍。

“一些抗生素不能穿透生物膜，但当细菌形成生物膜时，它们的新陈代谢会发生变化，因为它们获得营养的机会较少，”Limwongyut说，并解释说，较慢的新陈代谢可以使抗生素的作用更容易被病原体耐受，因此效果较差。“顽固性和反复感染，无论是尿路感染，肺炎，心内膜炎还是糖尿病足溃疡感染，通常都与生物膜有关，”他说。

该团队证明，他们的COE化合物能够杀死已建立的生物膜中的细菌，同时抑制生物膜的形成。这在抗生素领域是罕见的一拳两拳。

“有几种抗生素确实具有抗生物膜活性，但它们要么没有全身使用，要么被全身使用，但实际上不应该使用，”莫兰德说，暗指其中一些抗生素的高毒性。例如，外用形式的多粘菌素对生物膜有效，但在全身使用剂量（静脉注射）下对肾脏有毒。多粘菌素在患者的肾脏中积聚，对细胞和组织造成损害，严重时会导致肾移植。

相比之下，Bazan实验室已经开发出对细菌具有高度选择性的COE。在Chemical Communications中，Moreland及其团队研究了这些分子的结构特征如何驱动它们对细菌膜的亲和力及其抗生素活性，而没有“类似洗涤剂”的作用。在洗涤剂中，抗菌作用依赖于细胞膜的不分青红皂白的破坏。

“你的皮肤细胞非常擅长耐受肥皂和洗涤剂，但你体内的其他细胞，尤其是红细胞，非常敏感，”他说，这就是为什么这些化合物只用于外部或净化表面，而不是作为治疗剂。他们发现，对于COE，膜通透性和抗生素作用没有内在联系，

提出了COE活性背后的新机制，并且至关重要的是，这种机制对细菌膜比哺乳动物膜具有高度选择性。事实上， 单克隆抗体 实验中的分子能够到达吞噬细胞内部，在不损害哺乳动物细胞的情况下杀死细菌。

“我们还不知道确切的机制，但我们可以明确地证明COE杀死细菌并且不会杀死哺乳动物细胞，”莫兰德说。他补充说，“我们早期发现的原始分子不一定是这种情况，但通过大量的化学反应，以及机器学习等工具的帮助，我们能够确定哪些分子结构似乎在对细菌的功效和哺乳动物的安全性之间取得了平衡。 在各种感染模型中，小鼠似乎也相当容易耐受COE治疗。

展望未来
对于现在主要位于新加坡的Bazan研究小组来说，现在还处于早期阶段，因为他们继续研究作用机制，寻找其他新特性并设计和改进他们的分子。理想情况下，COE抗生素有朝一日会成为安全有效的治疗方法，即使是最耐药的细菌感染也有效。尽管如此，临床试验的道路仍然很长，尽管得到了全球各种机构和研究合作的兴趣和支持，从新加坡环境生命科学中心到囊性纤维化基金会和美国沃尔特里德陆军研究所。

“到目前为止，一切顺利。COE在我们迄今为止所做的实验中表现良好，“Moreland说，并补充说，在进入临床试验之前，研究中的分子需要进一步完善。“显然需要更多的发展，但我们已经做到了。