高·见|耐药菌威胁催生抗菌肽新药赛道,为全球抗感染治疗带来全新解决思路

财富   2024-09-03 11:08   上海  

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耐药菌威胁催生抗菌肽新药赛道
为全球抗感染治疗带来全新解决思路
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全文7000字,阅读时长10分钟

作者:董妮|直接投资部‍‍‍‍‍



抗生素的长期使用带来了严重的细菌耐药性(Antimicrobial resistance,AMR)问题,甚至出现了多重耐药菌(Multidrug-resistant bacteria)。由抗生素耐药菌,特别是“ESKAPE”病原体(屎肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌属)引起的感染频率持续增加,并导致严重的发病率和死亡率。然而新型抗生素的研发并不顺利,根据FDA数据统计,在21世纪的第一个十年,新上市的抗生素品种只有9种。因此急需寻找具有高活性、低毒性和独特抗菌机制的新型抗菌药物来应对耐药菌在全球范围内的蔓延。



01

抗菌肽概况‍‍‍‍‍‍‍‍



1.1 抗菌肽简介


抗菌肽(Antimicrobial peptides,AMPs)又称为宿主防御肽,是一类结构多样性的短肽,通常由小于100个氨基酸组成,具有广谱活性、低靶点耐药性和低免疫原性的优点,对大多数主要的革兰阳性和革兰阴性细菌都能发挥杀菌作用,这些特点使其成为最有前景的候选抗菌药物之一。


抗菌肽是一类在真核生物中广泛存在的由基因编码的具有抗细菌、抗病毒或者抗真菌活性的多肽物质。在大多数植物和动物的基因组中有5-10个不同的AMP基因家族分别编码了多个同源基因。在生物中丰富的多样性和杀菌活性使得AMP成为了很好的抗菌药物的靶标。在植物和动物中已经发现了3100多个AMP,其中在两栖类动物中发现的最多,已经超过了1000种,在非洲爪蟾皮肤腺体中发现的小分子抗菌肽———爪蟾素(magainins)是较早发现的两栖动物抗菌肽,具有很强的杀菌活性。


1.2 抗菌肽结构


抗菌肽是一段带正电荷的小肽,正电荷能够帮助抗菌肽结合带有负电荷的细菌细胞膜。抗菌肽具有一定的二级结构,拥有一个由非极性氨基酸侧链组成的疏水面和一个由带极性正电荷的氨基酸侧链组成的亲水面。AMP结构中带有的疏水和亲水氨基酸给抗菌肽在水以及油脂环境中提供了溶解度,表现出两亲性。



抗菌肽的分子结构是其产生生物活性的基础,根据抗菌肽的二级结构可将其分为四大类:(1)α-螺旋型多肽;(2) β-折叠型多肽;(3)延展卷曲型多肽;(4)loop结构型多肽。目前人工合成的上千种多肽的结构也是这几种类型。其中α-螺旋型与β-折叠型抗菌肽占了绝大多数,例如牛乳铁蛋白肽(lactoferricin)属于β-折叠型抗菌肽,爪蟾素(magainins)和天蚕素(cecropins)属于α-螺旋型抗菌肽。研究表明抗菌肽的正电荷数、两亲性结构、保守序列、α-螺旋、二硫键、铰链结构和氨基酸构型对抗菌肽的活性非常重要,这些特性也是人工改造抗菌肽的理论基础。

1.3 作用机理

抗菌肽结构的多样性使其可以在生物体内通过不同的作用机制作用于多种细胞靶点,从而发挥抗菌作用。其作用机制复杂,大致可分为直接杀伤和免疫调节两类,其中直接杀伤作用包括膜靶向和非膜靶向作用机制。


1.3.1 直接杀伤机制


(1)膜靶向机制

迄今为止,已经提出了四种作用模型解释抗菌肽与细胞膜的作用机制,它们分别是:木桶-桶板模型(barrel-stave model)、地毯模型(carpet model)、曲面-孔模型(toroidal-pore model)和混乱曲面-孔模型(Disordered toroidal pore model)。



木桶-桶板模型中,多肽聚集并垂直插入到膜表面。在聚集成的簇中,多肽的疏水区域与膜表面的脂质相结合,而其亲水区域跨膜形成孔洞。地毯模型被认为是类似去垢剂的作用机制溶解细胞膜,这种模型不依赖抗菌肽之间的聚合,许多阳离子抗菌肽由于其本身的两亲性都采用这种作用模式。曲面-孔模型与混乱曲面-孔模型类似,多肽插入膜表面磷脂双分子层中形成一个孔洞,同时,细胞膜也向内侧弯曲,形成一个脂双层极性头部朝向内侧的孔洞,最终导致细胞膜破裂。


抗菌肽对细胞膜的破坏过程非常迅速,研究人员近期通过AFM(原子力显微镜)活体成像发现靶点为细胞膜的抗菌肽CM15对大肠杆菌的杀伤过程能够在几十秒钟到几分钟内完成。


(2)非膜靶向机制

非膜靶向机制主要包括靶向细菌细胞壁和具有细菌内靶标两种类型,AMP可以与传统抗生素一样抑制细菌细胞壁合成从而发挥抗菌作用,除此之外还可以穿透细菌细胞膜进入细胞质,结合DNA,阻断酶活性,抑制蛋白质或核酸的合成。


1.3.2 免疫调节机制


免疫调节是通过招募和激活免疫细胞,从而增强机体的免疫杀伤作用。一些AMP可以诱导多种免疫反应,包括减轻内毒素引起的炎症反应、诱导促炎因子合成、调节适应性免疫或诱导细胞因子分泌并随后招募巨噬细胞发挥免疫调节作用。

1.4 抗菌肽分类

根据AMP来源不同,主要可以分为天然AMP和人工合成的AMP。

1.4.1 天然AMP

天然AMP来源广泛,包括动物、植物、微生物(细菌、放线菌和真菌)等,多数进入临床的肽都是源自天然AMP,或从天然AMP设计改造而来。

(1)微生物来源的AMP
微生物来源的抗菌肽是最早被发现并应用于临床,但由于其结构中的氨基酸残基通常含有复杂的修饰或环化结构,因此常规上被归类于肽类抗生素。根据其修饰类型的不同主要包括糖肽类抗生素和脂肽类抗生素等。


达托霉素(Daptomycin)是具有环状结构的脂肽类抗生素,用于治疗皮肤和皮下组织的细菌感染,其作用机制是可以通过破坏细菌细胞膜导致其内容物泄漏来杀死细菌,此外,还可以抑制蛋白质、DNA和RNA的合成。由于其独特的作用方式,与其他抗生素不存在交叉耐药性,达托霉素可以与各种抗生素协同用药治疗耐万古霉素屎肠球菌(VRE)或耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)引起的感染。


肽类抗生素的化学结构


万古霉素(Vancomycin)和替考拉宁(Teicoplanin)是天然第一代糖肽类抗生素的代表。万古霉素是一种从东方链霉菌中分离的天然糖肽类抗生素,可以通过抑制细胞壁的合成来抵抗革兰阳性细菌的感染,于1958年经FDA批准临床使用。最初万古霉素在临床中的应用受到其治疗副作用及具有甲氧西林等其他替代药物的限制并未广泛使用,但是20世纪80年代MRSA的出现,使万古霉素成为多种革兰阳性菌(MRSA,肺炎链球菌,艰难梭菌等)感染的一线治疗药物。替考拉宁是一种与万古霉素类似的新型肽类抗生素,但它具有疏水性取代基,这使其性质不同于万古霉素,由于这种差异替考拉宁被称为脂糖肽。替考拉宁相对于万古霉素具有更长的半衰期和更好的耐受性,同时其不良反应(包括耳毒性和肾毒性)发生率低。


天然脂糖肽替考拉宁的发现激发了人们对于半合成脂糖肽类抗生素开发的兴趣,目前有三种半合成脂糖肽已上市,分别是特拉万星(Telavancin),达巴万星(Dalbavancin)和奥利万星(Oritavancin)。

特拉万星是万古霉素的衍生物,其结构特征在于万古糖胺上添加癸氨乙基疏水侧链修饰,同时在7位氨基酸芳环的对位连接一个亲水性膦酰甲基氨甲基,疏水性基团有利于增加细胞膜的相互作用以及增加对肠球菌的抗菌活力,亲水性基团则促进体内组织代谢和清除,减少肾毒性,改善了药物在体内的药代动力学特征。特拉万星具有抑制细菌细胞壁的形成和扰乱细胞膜屏障功能的双重抗菌机制,可用于治疗由革兰阳性菌引起的复杂性皮肤和皮肤结构感染(cSSSI)。

达巴万星是一种长效抗菌剂,具有类似于替考拉宁的结构,与替考拉宁相比对抗敏感肠球菌和MRSA具有更强的抗菌作用,且比其他糖肽类的肾毒性更小,适用于治疗急性细菌性皮肤和皮肤结构感染。

奥利万星是一种衍生于氯雷霉素的万古霉素类似物,奥利万星具有较低的诱导耐药性的倾向,于2014年经FDA批准用于治疗由多种革兰阳性菌株(包括MRSA和肠球菌)引起的成人急性细菌性SSSI。


除上述已批准上市的肽类抗生素外,还有部分微生物来源的AMP处于临床研究中。例如,Plectasin是一种真菌防御素衍生物,可用于MRSA感染,其作用机制是通过与脂质相互作用从而抑制细菌细胞壁的合成。


部分处于临床试验中的AMPs的结构


(2)植物来源的AMP
AMP广泛存在于植物的根,茎、叶、花和种子中。根据序列相似性和结构的不同,可将植物AMPs分为硫堇、防御素、橡胶蛋白、Knottins、脂转移蛋白和Snakins等。植物来源的AMP可发挥抗菌、抗肿瘤、抗病毒等多种生物活性。

(3)动物来源的AMP

目前进入临床研究的抗菌肽中大多数是来源于动物的天然AMP或天然AMP衍生物。LL-37是一种来源于人的组织蛋白酶抑制素(Cathelicidin)类抗菌肽,主要由上皮细胞和中性粒细胞产生,可用于治疗糖尿病引起的足溃疡。除动物中分离得到的天然AMP外,还有部分是天然抗菌肽的衍生物,其中PXL01和hLF1-11均衍生于人乳铁蛋白,在一项Ⅱ期临床试验中证实了用透明质酸钠中的PXL01治疗可预防与手部手术相关的术后粘连形成。hLF1-11是含有人乳铁蛋白N末端氨基酸1-11的阳离子片段,该肽用于免疫功能受损的造血干细胞移植受者的菌血症和真菌感染的静脉内治疗。

1.4.2 人工合成肽

人工合成肽的代表有C16G2、PL-5和p2TA(AB103)等。C16G2是一种特异性靶向龋齿病原体变形链球菌的合成AMP,目前许多关于C16G2的Ⅱ期临床研究已完成(NCT02044081,NCT03004365,NCT02594254)。PL-5作为全新设计的抗菌肽,对局部开放性创面感染有很好的疗效,尤其是对耐药菌例如铜绿假单胞菌和MRSA等有很好的杀伤能力,同时不易产生新的耐药菌,具有极大的市场潜力和极广的应用前景。该产品目前在国内已经完成针对治疗继发性创面感染的IIIb期临床研究。p2TA(AB103)是一种通过静脉注射治疗软组织坏死感染的合成肽,目前已通过Ⅲ期临床。


02

抗菌肽已上市药物




截至目前,FDA共批准了七个抗菌肽,批准的药物中作用于细胞膜的具备两亲性的抗菌肽只有达托霉素与多粘菌素。由于传统抗生素耐药性严重,二者被目前广泛用于临床抗感染治疗,被称为人类抗菌的“最后一道防线”。


达托霉素是新型环脂肽类抗生素,具有广谱的抗革兰氏阳性菌活性,达托霉素分子结构中既含有亲水性的氨基酸,又含有脂链以及疏水性氨基酸,具有两亲性的生物学特性。其注射剂Cubicin于2003年被美国FDA批准用于治疗革兰氏阳性菌引起的皮肤感染,2006年其再次批准作为注射剂用于治疗金黄色葡萄球菌感染引起的心内膜炎及菌血症。


达托霉素由13个氨基酸残基以及一条位于氨基酸残基色氨酸上的脂酰基侧链构成。在多肽骨架中,位于13号位的Kyn残基羧基与位于4号位的苏氨酸羟基之间形成酯键,从而构成了一个由10个氨基酸残基组成的环状结构。达托霉素具体的作用机制是在脂肪酸侧链的作用下,聚合并插入到细胞膜的磷脂双分子层中,造成孔洞,最终导致细菌的裂解死亡。


多粘菌素是由十个氨基酸(KTKKKLLKKT)加一个脂肪酸形成的,具有抗革兰氏阴性菌活性,对革兰氏阳性菌及厌氧菌无效,其确切作用方式仍不清楚。广为认可的模型认为多粘菌素的靶标是外膜上的脂多糖,多粘菌素介导的外膜和细胞膜融合通过诱导磷脂交换实现,最终导致渗透失衡和细胞死亡。多粘菌素有严重的神经毒性和肾脏毒性。


03

抗菌肽产业化面临的问题‍‍‍



3.1 给药途径


口服药物具有良好的成本效益和剂量灵活性。然而,在生物利用度上,抗菌肽在本质上属于蛋白质,容易被生物体降解。因此,目前口服给药在抗菌肽的临床应用中存在生物利用度低的问题。在抗菌肽的临床使用过程中,降低细胞毒性并保持肽类药物的稳定性也是一个挑战。


3.2 耐药性


抗菌肽可以通过各种机制对抗病原体,有研究表明,病原体也能对抗部分抗菌肽。一些常见的微生物主要通过降解酶、细胞外蛋白、表面和膜修饰机制对抗菌肽产生抗性。此外,随着微生物的进化也能不断产生抗菌肽抗性。


3.3 肽合成


大多数肽类药物通过化学合成,但是化学合成制备的抗菌肽难以保持抗菌肽的天然结构及活性。利用基因工程技术重组的抗菌肽表达效率低,难以获得纯品。抗菌肽无论通过基因工程还是化学合成,目前很难达到产业化的规模,不能满足市场需求。


因此,未来在新型抗菌肽药物开发中,如何提高抗菌肽的生物利用度、耐药性、改善合成方法、改善使用途径是企业需要着重考虑的问题。



04

抗菌肽研发趋势和策略


尽管AMPs有望成为新型抗菌药物,然而AMPs的临床开发受到抗菌活性、稳定性和细胞毒性等因素的限制。细胞毒性产生的主要原因是抗菌肽在发挥作用过程中不能特异性识别细菌细胞膜和体内细胞的细胞膜,从而无差别裂解细胞导致毒性,同时限制了AMPs的有效浓度。此外,大多数AMPs都是由天然L型氨基酸组成,通常受到蛋白酶水解的影响,导致其半衰期短,稳定性差。


目前已经研究了许多策略来规避AMP的缺点,并提高AMP的功效,其中对AMP的化学修饰是最常见和最简单的方法之一。化学修饰包括使用D型氨基酸、环化、乙酰化和拟肽等方式来逃避蛋白水解消化,以及序列缩短和用其他残基替换以提高活性并降低生产成本。对AMP进行优化的目标是设计具有高活性、低毒性以及高稳定性的抗菌肽。

4.1 增强抗菌性策略

对AMP序列中的部分位点进行氨基酸替换可以改变抗菌肽的抗菌活性,可以使用D型氨基酸或非天然氨基酸进行替换。通常,抗菌肽只有少量氨基酸对其抗菌活性起关键作用,在不影响其功能的情况下替换其他的氨基酸可以改善其药效学。例如,阳离子氨基酸赖氨酸和精氨酸(Lys/Arg)带正电荷,能够与微生物细胞质膜的阴离子表面相互作用,色氨酸(Trp)在抗菌肽两亲性螺旋结构的形成中起着关键作用。使用这些氨基酸残基的单个或多个取代可以提高抗菌活性。

除氨基酸替换外,糖基化和脂化修饰也可增强AMP的抗菌活性,目前已上市的抗菌肽中也含有大量糖基化和脂化修饰的抗菌肽。脂化是通过将不同长度碳链的脂肪酸连接AMP的末端或赖氨酸残基上,有研究提示通过在AKK、SC4和KAK的N端连接C12脂肪酸后抗菌活性提高了9~20倍。

4.2 提高稳定性策略

使用D型氨基酸替换L型氨基酸可以降低AMP对蛋白水解的敏感性,从而提高AMP的稳定性,延长半衰期。Polybia-CP(ILGTILGLLKSL-NH2)是一种从保利斯黄蜂毒液中分离的抗菌肽,具有抗肿瘤、抗菌和抗真菌活性,由于其对蛋白酶敏感,导致其在体内易降解,使用D-氨基酸替换所有L-氨基酸后能够抵抗胰蛋白酶和糜蛋白酶的降解,提高其稳定性。W3R6是经过部分D-氨基酸取代后的抗菌肽,对蛋白水解酶的抵抗力增强,但不改变其抗菌活性。

另一种稳定性优化策略是肽环化,环化可降低抗菌肽的柔韧性并增强AMP的稳定性。目前已上市的肽类抗生素,包括多黏菌素、达托霉素、短杆菌肽等都是环肽。最常见的环化技术是二硫键环化,通过半胱氨酸侧链硫醇的氧化反应产生二硫键。通过在Cathelicidin-BF15序列中添加两个Cys引入二硫键从而获得环状ZY4(即改造后序列),ZY4在耐药菌铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌诱导的感染中表现出低诱导耐药倾向,高体内稳定性和治疗潜力。近年来,订书肽的研究受到广泛关注,订书肽设计是通过在侧链基团上交叉偶联形成连接桥来稳定α-螺旋构象的环化技术,订书肽的设计需要考虑到多种因素的影响,包括疏水性、溶血性、螺旋性以及净电荷等特性。黄蜂毒肽Polybia-MP1具有高抗菌活性和低毒性,但是对蛋白酶高度敏感,通过订书肽设计得到的衍生物不仅螺旋度增加了3倍,蛋白水解稳定性提高了约70倍。

4.3 减少毒性策略

抗菌肽通常依赖静电相互作用与细菌细胞膜结合从而发挥抗菌作用,然而该机制选择性差,易对正常细胞产生作用从而产生毒性。在一些情况下,通过使用D型氨基酸替换L型氨基酸是降低毒性的一种策略,将蜂毒素中部分氨基酸进行替换,可以合成蜂毒素的非对映异构体,非对映异构体保留了抗菌活性,但仅与带负电的磷脂结合并使其裂解,而天然蜂毒素均能与细菌中的带负电的磷脂和人细胞膜中的两亲性磷脂强烈结合此外,在一些情况下通过在两亲性螺旋的疏水面中插入极性氨基酸也可以增加AMP的选择性,降低毒性

除上述对抗菌肽的设计改造方法外,AMP与抗生素的联合用药策略也可以发挥协同抗菌作用并克服耐药性的问题,研究表明LL-37抗菌肽与阿奇霉素等抗生素联合用药时对铜绿假单胞菌株表现出协同抑制和杀菌作用当多黏菌素B、氨曲南和阿米卡星单一或双联用药时均无法克服黏菌素耐药大肠埃希菌的感染,然而这三种药物的联合用药可根除该耐药菌此外,各种药物递送技术如脂质体系统、肽纳米材料等也可以改善AMP的稳定性和活性,肽偶联物的设计可以提高AMP靶向性和特异性,加速AMP的临床开发。


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