中国农业大学沈建忠院士团队在抗菌药物研发方面取得重要进展

近日，中国农业大学动物医学院沈建忠院士团队在《脂质研究进展》（Progress in Lipid Research）、《先进科学》（Advanced Science）、《科学进展》（Science Advances）和《药学学报》英文版（Acta Pharmaceutica Sinica B）上发表研究论文《靶向细菌磷脂及其合成通路的抗菌药物发现》（Targeting bacterial phospholipids and their synthesis pathways for antibiotic discovery）、《合理设计抗革兰阴性菌的天然氧杂蒽酮类化合物》（Rational design of natural xanthones against Gram-negative bacteria）、《一种抗多重耐药细菌和真菌病原体双重活性的植物源抗菌肽》（A plant peptide with dual activity against multidrug-resistant bacterial and fungal pathogens）和《靶向细菌膜磷脂的新型海洋源peptaibols类抗菌肽》（Marine-derived new peptaibols with antibacterial activities by targeting bacterial membrane phospholipids），揭示了细菌膜靶向的抗菌优势，设计合成了两类广谱抗菌化合物，拓展了抗菌药物研发方向，丰富了药源分子库，为治疗细菌感染提供了理论基础和技术支持。

细菌感染严重制约我国养殖业健康发展，危害兽医公共卫生安全，抗菌药物是治疗细菌感染最经济有效的手段。然而，抗菌药物的研发速度远低于细菌耐药性的产生与传播速度，临床可用抗菌药物严重不足，开展抗菌靶点挖掘和抗菌分子合理设计可为新型抗菌药物创制提供理论和技术支撑。

磷脂是细菌细胞膜的重要组成部分，是其脂质代谢的核心。团队前期研究发现靶向磷脂代谢破坏膜磷脂动态平衡，导致细菌代谢紊乱，能够提高多类药物的抗菌活性（Nature Microbiology, 2020）。为挖掘潜在抗菌靶点，作者深入分析细菌中不同磷脂的化学结构特征、合成通路，以及磷脂代谢在维持细菌膜稳态、呼吸作用、调控细菌毒力、介导抗菌药物耐药等方面的功能，揭示了细菌膜磷脂及其关键代谢酶作为抗菌新靶点的特异性、有效性和安全性（图1）。此外，概括了磷脂配体的化学多样性、构效关系和抗菌机制，以及具有抗菌活性强和不易产生耐药性等优势，为获得优良抗菌靶点和开发新型抗菌药物提供思路。研究结果发表于生物化学领域期刊《脂质研究进展》（Progress in Lipid Research），沈建忠院士团队的宋玫蓉博士后（现为中国农业大学动物医学院副教授）和团队与北京大学药学院联合培养的陈上博士后（现为中国农业科学院畜牧兽医研究所助理研究员）为论文共同第一作者，兽医公共卫生安全全国重点实验室朱奎教授为论文通讯作者。

图1 细菌膜磷脂成靶性分析

（A）细菌磷脂组成；（B）磷脂代谢通路

细菌膜磷脂不仅参与细菌代谢，其独特的两亲性结构赋予细菌膜选择通透性，阻止了抗菌药物等有害物质进入。与革兰阳性菌相比，革兰阴性菌特有的外膜屏障阻碍了大多数抗菌药物的渗透，导致抗菌药物对革兰阴性菌的疗效大大减弱甚至无效，因此抗菌化合物穿透外膜的能力是设计广谱抗菌药物的先决条件。本研究采用虚拟筛选与表型测试相结合的策略（图2），从约3000种天然产物中筛选出对革兰阳性菌及LPS缺陷型革兰阴性菌均具有良好抗菌活性的先导化合物α-倒捻子素（AMG）。团队前期研究发现了AMG靶向PG发挥对革兰阳性菌的快速杀菌活性（Advanced Science, 2021），进一步根据革兰阴性菌LPS的结构特征和AMG的构效关系，在AMG第3位和第6位设计合成了一系列AMG衍生物，获得多个广谱抗菌分子。其中，氨基修饰的先导化合物A20对革兰阳性金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度（MIC）为0. 5 μg/mL，对革兰阴性大肠杆菌的MIC为1 μg/mL，杀菌曲线显示A20可在20 min内迅速杀灭99.9%的细菌，杀菌效率强于万古霉素和多黏菌素，A20对携带多黏菌素耐药基因mcr的多药耐药大肠杆菌依然保持良好活性，MIC为2-4 μg/mL。上述结果表明，A20是一种有效的广谱抗菌先导化合物。机制研究发现，A20通过静电和疏水作用与LPS互作，通过与氨基糖苷类药物类似的“自促进摄取”跨越外膜，随后，A20通过静电吸附和疏水作用与细菌磷脂结合，嵌入细菌内膜，A20靶向细菌呼吸复合体III/IV中的辅因子血红素，抑制细菌呼吸作用，呈现快速杀菌表型，A20在动物感染模型中显示出良好的治疗效果。研究结果建立了一种广谱抗菌分子设计方法，揭示了一类跨外膜渗透机制，加速了抗革兰阴性菌药物的研发进程。研究结果发表于期刊《先进科学》（Advanced Science），沈建忠院士团队的刘晓佳博士毕业生（现为中国农业大学动物医学院博士后）和宋玫蓉副教授为论文共同第一作者，兽医公共卫生安全全国重点实验室沈建忠院士和朱奎教授为论文共同通讯作者。

图2 广谱抗菌分子的筛选和设计

（A）筛选模型；（B）分子设计

天然产物是新化学实体的重要来源，为深入挖掘优良的抗菌骨架，从植物、深海微生物等多种生物资源中系统筛选具有抗菌活性的天然化合物，团队与河南农业大学合作，从玉米非编码开放阅读框编码抗菌肽中筛选到对细菌和真菌均具有良好抗菌活性的NCBP1（图3）。与传统微生物来源的抗生素不同，NCBP1是一种由非编码区基因编码的11氨基酸残基组成的线性寡肽，其结构包含半胱氨酸、赖氨酸和精氨酸等关键氨基酸残基。机制研究表明，NCBP1靶向细菌膜中的磷脂酰甘油和心磷脂发挥抗菌活性，导致膜损伤和功能障碍。研究结果发表于期刊《科学进展》（Science Advances），沈建忠院士团队的宋玫蓉副教授为论文第一作者，兽医公共卫生安全全国重点实验室朱奎教授为论文通讯作者。

图3 非传统开放阅读框编码的抗菌肽NCBP1

（A）抗菌肽分类；（B）NCBP1基因环境（C）NCBP1结构

团队与北京大学药学院合作，基于生物信息学分析从海洋来源的真菌次级代谢产物中分离得到一种新型peptaibol类多肽SK-Ps（图4），抗多重耐药细菌活性良好。SK-Ps是首个报道含有特殊氨基酸γ-氨基丁酸的peptaibol类多肽，基于氨基酸序列的系统进化树分析表明，SK-Ps归类于peptaibol类多肽的新亚族SF11，丰富了peptaibol类多肽的多样性。机制研究发现，SK-Ps靶向细菌膜磷脂，特别是磷脂酰甘油，介导细菌膜代谢紊乱和分裂异常，导致细菌死亡。研究结果发表于药学领域期刊《药学学报》英文版（Acta Pharmaceutica Sinica B），团队与北京大学药学院联合培养的陈上博士为论文第一作者，兽医公共卫生安全全国重点实验室朱奎教授为论文通讯作者。

图4 新型peptaibol类多肽SK-Ps

（A）peptaibol类多肽系统进化树分析；（B）SK-Ps作用机制

上述研究结果拓展了抗菌分子来源，揭示了靶向细菌膜磷脂及其代谢通路的抗菌优势，为膜靶向抗菌分子的设计和替抗产品的研发提供了研究新思路和化合物基础。研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和拼多多-中国农业大学研究基金等项目资助。