【摘要】：抗生素是人類醫(yī)學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一,然而在不到一百年的時間里,細菌逐漸進化出了與抗生素抗衡的耐藥性,并且耐藥性形勢愈演愈烈。近年來全世界每年有70萬人死于耐藥性細菌感染,如果不采取措施來遏制耐藥性的進一步惡化或研發(fā)新的抗生素藥物,到2050年,這一數(shù)字可能會升至1000萬人,因此抗生素耐藥性必將是人類現(xiàn)在和未來幾十年面臨的最大健康威脅之一。在抗生素的兵器庫中,糖肽類抗生素和環(huán)脂肽多粘菌素類抗生素分別作為人類抵御頑固耐藥陽性菌和陰性菌的最后一道防線,在臨床上被用作嚴(yán)重耐藥感染的緊急形勢下最后的治療手段,但是隨著近年來對糖肽類抗生素甚至對多粘菌素耐藥菌株的出現(xiàn),這最后一道防線也變得岌岌可危,無藥可用的“后抗生素時代”正在步步逼近。在此嚴(yán)峻形勢下,對這些天然產(chǎn)物來源的抗生素進行合理的有效的設(shè)計改造,得到相應(yīng)的安全有效的半合成衍生物變得尤為重要,例如目前新一代糖肽類抗生素特拉萬星、達巴萬星和奧利萬星的問世,同時目前對于萬古霉素等糖肽類抗生素以及多粘菌素類抗生素半合成研究熱情的高漲,有利于加快新一代抗菌藥物研發(fā)速度,豐富當(dāng)前匱乏的抗生素研發(fā)管線,暫時應(yīng)對當(dāng)前嚴(yán)重的耐藥菌感染問題。本論文的研究工作主要從三種天然產(chǎn)物來源的抗生素(萬古霉素、去甲萬古霉素、多粘菌素B)出發(fā),分別在新型萬古霉素衍生物、新型去甲萬古霉素衍生物以及新型多粘菌素B類似物這三個章節(jié)五個課題中進行了系統(tǒng)的探索與研究,總共合成制備得到219個新化合物。其中第一部分研究工作——“新型萬古霉素衍生物的設(shè)計、合成與藥理活性研究”是全文中最主要的部分,也是研究較為深入的部分,包括從三種不同設(shè)計策略出發(fā)的糖基化修飾的萬古霉素衍生物、靶向焦磷酸部分的萬古霉素衍生物、靶向細胞膜的萬古霉素衍生物三個課題。Lipid Ⅱ作為革蘭氏陽性菌細胞壁主要組成部分肽聚糖的前體,被稱為革蘭氏陽性菌細胞壁生物合成的“阿基里斯之踵”,對細菌生存至關(guān)重要。萬古霉素這類糖肽類抗生素主要的作用靶點就是Lipid Ⅱ,然而其結(jié)合部位的突變導(dǎo)致其與萬古霉素這類糖肽抗生素的親和力的下降正是這類細菌耐藥性的主要原因,因此如何增加與耐藥菌Lipid Ⅱ的結(jié)合親和力,對于抵抗萬古霉素耐藥菌顯得非常有意義。在萬古霉素萬古糖胺部位的親脂修飾是有效提高這類萬古霉素衍生物抗耐藥菌活性的有效策略,研究較為廣泛,但是疏水片段的引入往往也會導(dǎo)致半衰期的延長和積蓄毒性。因此,親水片段常常被引入到這類親脂-萬古霉素衍生物中來調(diào)節(jié)它們的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)性質(zhì)。我們在糖基化修飾的萬古霉素衍生物課題中,設(shè)計并合成了51個在7位氨基酸間苯二酚部位和萬古糖胺部位分別修飾親水糖結(jié)構(gòu)片段和疏水片段的萬古霉素類似物,并且總結(jié)完善了構(gòu)效關(guān)系。其中最佳化合物展示出了在抗MRSA、VISA、VRE等耐藥菌株方面優(yōu)于萬古霉素64-1024倍以上的活性。體內(nèi)藥代動力學(xué)研究表明,我們通過引入額外的糖結(jié)構(gòu)片段能夠有效的縮短半衰期,解決可能存在的積蓄毒性問題。而在機制方面顯示額外的糖結(jié)構(gòu)片段與Lipid Ⅱ末端二肽的相互作用也從一方面解釋了該類化合物藥效提高的可能原因。該課題提供了一種在親脂-萬古霉素衍生物上引入額外的糖基片段的設(shè)計策略,由此使得這類萬古霉素衍生物具有增強的抗菌活性、最佳的藥代動力學(xué)性質(zhì)以及低毒性的優(yōu)良類藥性質(zhì)。在靶向焦磷酸部分的萬古霉素衍生物課題中,我們主要在萬古霉素母核上增加靶向焦磷酸部分的金屬螯合分子或者聯(lián)合搭配親脂以及半乳糖結(jié)構(gòu)片段的修飾,共設(shè)計合成了39個該類萬古霉素衍生物并總結(jié)完善了相應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系。機制研究表明可能的作用機制是:在萬古霉素7位氨基酸間苯二酚部位或者羧基端偶聯(lián)的含有二甲基吡啶胺的構(gòu)建單元能夠增加這類衍生物與Lipid Ⅱ中焦磷酸部分的結(jié)合親和力,而不影響萬古霉素母核本身與Lipid Ⅱ末端二肽的結(jié)合。體外抗菌活性顯示最佳化合物在抗VRE方面能達到高于萬古霉素16-1024倍以上的抗菌活性。同時兩個部位修飾的協(xié)同作用也被證明能更加有效的提高抗VRE活性。靶向細菌細胞膜的萬古霉素衍生物的開發(fā)是對細菌行之有效的策略,而且細菌細胞膜成分復(fù)雜,對細菌生存至關(guān)重要,一般難以發(fā)生突變,降低了該作用機制下的耐藥性的發(fā)生。在靶向細胞膜的萬古霉素衍生物課題中,我們設(shè)計并合成了31個帶有硫摀離子的萬古霉素衍生物與4個對照化合物,這種硫摀離子修飾在之前的研究和文獻中極少被報道,是一種被低估的策略。這類萬古霉素衍生物顯示出了無論在體內(nèi)還是體外抗VRB都更加有效的抗菌活性。更加有意義的是,硫摀離子修飾能夠改變?nèi)f古霉素的內(nèi)在性質(zhì),調(diào)節(jié)拓寬其抗革蘭氏陰性菌的活性。機制研究表明這類化合物能夠增加與細菌細胞膜的相互作用,破壞細胞膜的完整性。除此之外我們也考察了這類化合物的體內(nèi)藥代動力學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定性、安全性,結(jié)果都證明了硫摀離子修飾的萬古霉素衍生物具有良好的成藥性性質(zhì)。該課題不僅提供了對付耐藥性細菌感染的前景性策略,而且也進一步增加了對硫摀離子衍生物在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新藥開發(fā)應(yīng)用中的了解。第二部分研究工作——“新型去甲萬古霉素衍生物的設(shè)計、合成與藥理活性評價”也是全文第四個課題。我們主要在去甲萬古霉素的N端設(shè)計利用選擇性的N端修飾的合成方法引入了一系列疏水片段以及偶聯(lián)硫摀離子的親脂片段,其中有32個單一修飾N端氨基的去甲萬古霉素衍生物。在體外抗陽性菌活性測試中,我們發(fā)現(xiàn)部分N端修飾的去甲萬古霉素衍生物能表現(xiàn)出良好的抗菌活性,特別是長的烷基修飾、聯(lián)苯結(jié)構(gòu)修飾以及帶有硫摀離子修飾的長的烷基鏈和聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的化合物表現(xiàn)出了優(yōu)于萬古霉素32-2048倍以上的活性,同時這些結(jié)果也證明去甲萬古霉素N端也是具有良好前景的修飾位點,后續(xù)的工作將繼續(xù)以此展開。第三部分工作——“新型多粘菌素B類似物的設(shè)計、合成與藥理活性評價”,也是全文的第五個課題。目前對于多藥耐藥嚴(yán)重的革蘭氏陰性菌的感染已經(jīng)到了無藥可用的地步,多粘菌素作為治療耐藥陰性菌的最后一道防線不得不被重新啟用,但是其毒性副作用較大卻嚴(yán)重阻礙了其使用,因此我們希望對多粘菌素B進行半合成修飾,希望得到活性提高和/或毒性降低的多粘菌素B類似物。我們主要通過在2位和/或10位蘇氨酸羥基位置進行半合成修飾,引入20種天然氨基酸,最后得到了52個單一位點或者雙位點修飾有天然氨基酸的多粘菌素B類似物。這些類似物的體外抗陰性菌活性結(jié)果中雖然沒有提高,但是卻證明了這兩個部位的化學(xué)修飾容忍度較大。體外細胞毒性測試結(jié)果證明修飾有親水性極性較大的氨基酸的多粘菌素B類似物安全性更高。這也為我們后續(xù)即將在多粘菌素B上進行其他的半合成以及全合成工作方面提供了一定的指導(dǎo)與借鑒。綜上所述,本為通過不同策略對萬古霉素、去甲萬古霉素、多粘菌素B進行半合成修飾的探索與研究,并得到了一系列針對耐藥菌有效的具有前景的藥物候選分子,為糖肽類抗生素和脂肽類抗生素藥物研發(fā)提供了一定的思路。
【圖文】：

西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的全國平均檢出率為 32.2%，近五年顯示出緩慢下降的趨勢；甲氧西林耐藥凝固酶陰性葡萄球菌（MRCNS）的全國平均檢出率為 76.0%，慶幸的是，我國目前暫時未檢測出對萬古霉素耐藥的金黃色葡萄球菌（VISA 或者 VRSA），對萬古霉素耐藥的糞腸球菌和屎腸球菌的全國平均檢出率分別為 0.4%和 1.4%，雖然這兩種腸球菌檢出率較低，但是依然應(yīng)該引起我們的重視。肺炎鏈球菌對紅霉素耐藥率處于較高水平，達到 95.0%， 其對青霉素耐藥的肺炎鏈球菌（PRSP）檢出率較低，且呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，為 2.7%�？v觀幾個比較重要的耐藥陰性菌的國內(nèi)現(xiàn)狀，，我們發(fā)現(xiàn) 2017 年鮑曼不動桿菌對碳青霉烯類藥物的耐藥率為 56.1%，較 2016 年有所下降；肺炎克雷伯菌對碳青霉烯類藥物的耐藥率近五年呈現(xiàn)上升趨勢，達到 9.0%；大腸埃希菌對第三代頭孢菌素的耐藥率達到 54.2%，呈現(xiàn)下降趨勢；銅綠假單胞菌對碳青霉烯類藥物的耐藥率為 20.7%，對比 2016 年略有下降。下圖 1.1 描述了 2013 年至 2017 年我國特殊與重要耐藥細菌檢出率變遷情況。

常古老的生物，大概出現(xiàn)在 37 億年前。細菌主要由細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)、無核膜包被的細胞核等部分構(gòu)成，屬于原核生物，有的細菌還有莢膜、鞭毛等特殊結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)細菌的直徑在 0.5-5μm 之間。細菌的分類方法有很多，而人們通常習(xí)慣上將其分為兩種類型：革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌。前者利用革蘭氏染色法染色后，細菌細胞仍然保留初染結(jié)晶紫時的藍紫色而后者則會變?yōu)榧t色。其顏色的差異主要來源于兩類細菌的細胞壁構(gòu)造的不同，這也是革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌在結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別（圖 1.2）。細菌的細胞壁最主要的作用是保護細菌免受溶解、化學(xué)攻擊和免疫系統(tǒng)的攻擊，同時又能介導(dǎo)細菌細胞間相互作用，協(xié)助細菌細胞運動和分裂。革蘭氏陽性菌細胞壁厚約 20-80nm，有 15-50 層肽聚糖片層，每層厚約 1nm，含 20-40%的磷壁酸，因此肽聚糖層是革蘭氏陽性菌細胞壁的主要成分，除此之外還有的大量的多糖和蛋白質(zhì)（圖 1.2 右）。革蘭氏陰性菌細胞壁厚約 10nm，僅 2-3 層肽聚糖，其他成分較為復(fù)雜，由外向內(nèi)依次為脂多糖、單層磷脂外膜和鑲嵌其中的脂蛋白（圖 2 左）。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海藥物研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R914

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 凌大奎 ,周玉 ,陳蘇;國產(chǎn)“萬古霉素”主要成分的結(jié)構(gòu)鑒別[J];藥學(xué)學(xué)報;1986年03期

本文編號：2626696