對抗細菌耐藥性的四種新思路

隨著細菌耐藥性的不斷增強，人類面臨無抗生素可用的危險境地。如果不採取行動，現在通過簡單的治療就能夠擺脫的細菌感染，可能再次成為容易導致死亡的原因。世界衛生組織的基本藥物和衛生產品部門主管Suzanne Hill說，問題的根源在於我們對研究和開發的歷史性忽視。她說：「抗生素不再是製藥公司研究和開發的市場價值。」相反，公司更願意對患者長期服用的藥物進行更有利的投資。她補充說，我們對複雜的細菌生物學基礎研究的缺乏，阻礙了創新藥物的發現。

圖1腸道菌群中的大腸桿菌感染

Natasha Gilbert 報道了四種對抗細菌耐藥性的新方法：

01 抑制β-內醯胺酶

Entasis Therapeutics是馬薩諸塞州沃爾瑟姆的一家製藥公司，抗生素頭孢泊肟是Entasis的主打產品。

頭孢泊肟屬於β-內醯胺的廣譜抗生素，它們以β-內醯胺環的化學結構命名。細菌通過產生β-內醯胺酶來對這些藥物產生抗性，破壞藥物的抗生素性質。這是一個難題，因為至少有3,000種β-內醯胺酶，這給研究帶來了難度。Entasis公司正在開發一種名為ETX1317的化合物，該化合物可以結合併抑制β-內醯胺酶，使β-內醯胺類抗生素不受阻礙地發揮作用。由於ETX1317必須靜脈給葯，因此它最適用於醫院治療嚴重的多葯耐藥性感染。該公司還製作了一個可以口服的ETX1317產品，稱為ETX0282。世界衛生組織緊急呼籲採用新的口服抗生素製劑，這對門診患者來說將具有相當大的益處。該項目已吸引了投資者的注意力，CARB-X提供了高達1,010萬美元，為臨床前抗生素開發提供資金。

02 Teixobactin-泰斯巴汀

許多抗生素通過與細菌內的蛋白質結合發揮作用。細菌細胞壁上的蛋白泵可以從細胞內部輸出不需要的分子。Lewis的抗生素teixobactin以不同的方式與微生物作鬥爭。它附著於細菌的外表面以避免排出機制。具體而言，teixobactin通過結合構成細菌細胞壁的兩種生物聚合物（肽聚糖和磷壁酸），進而起到抑制細胞壁合成的作用。

除了錨定到細胞外，teixobactin還有其他優點。它所針對的細胞模塊不是直接由DNA編碼的；相反，它們是由酶催化的一系列反應的產物。這使得細菌發生抗性的可能性較小，因為所需改變的程度不能僅通過簡單的突變來實現。他補充說，隨著teixobactin與結構單元的重要區域結合，任何賦予抗性的突變都可能對細胞功能產生不利影響，從而導致細胞壁缺陷和細菌死亡。

圖2 teixobactin附著於細菌的外表面

該耐藥性化合物激發了研究人員的熱情，劍橋麻省理工學院合成生物學家Timothy Lu，他在嘗試使用CRISPR-Cas9基因編輯系統對抗生素進行工程改造，在觀察到抗生素耐藥性有所提升的時候，興奮不已。

03 對細菌RNA聚合酶改造

Ebright是位於新澤西州皮斯卡塔韋的羅格斯大學的分子生物學家，花費了大約二十年時間研究細菌中RNA聚合酶的結構。他一直在尋找酶的未知結合位點，然後調研在土壤中的微生物，看看是否有微生物的代謝產物會鎖定在這些位點上。儘管Ebright正在嘗試創新，但他在很多方面都採用了老式的方法。 「我們最好的新分子來源是微生物提取物篩選」他說，「有人說這些新分子已經被挖掘出來了，但我認為，我們對它們的認識還遠遠不夠。」

Ebright已經發現了六個對細菌RNA聚合酶很關鍵的位點。這些位點與目前的藥物結合位點不重疊，這意味著即使在已經對利福黴素產生耐藥性的微生物中，與其結合的任何分子也應該是有效的。更重要的是，這些結合位點對於所有細菌的RNA聚合酶都很常見，這使得Ebright研究的化合物極有可能成為新一代的廣譜抗生素。

在這些化合物中，其中有一個位點是鉸鏈樣區域，它能夠使RNA聚合酶打開，使DNA翻譯成RNA。Ebright發現了一種名為myxopyronin的化合物，可以阻止鉸鏈打開。由細菌Myxococcus fulvus產生，myxopyronin已成功用於治療小鼠感染。 Ebright的團隊一直致力於提高化合物的效力和藥理學性質，並且myxopyronin已準備好進入臨床試驗階段。

另一個位點在部分從核苷酸構建塊產生RNA的酶中發現。 Ebright發現一種名為假黴素的分子可以代替核苷酸，阻止RNA聚合酶的發揮作用。研究表明，假單胞黴素在小鼠中清除了化膿性鏈球菌的感染。 Ebright的團隊正在調整其化學結構以提高分子的效能和穩定性。

因為這些結合位點在RNA聚合酶的關鍵區域，這將阻止或者延遲細菌在抵抗新抗生素方面的進化行為。細菌在不影響酶的活性的情況下，改變這些位點將會更困難。Ebright警告：「細菌總會找到新的適應方式。」

Ebright的發現也引起了其他研究者的注意。加拿大安大略省麥克馬斯特大學研究抗生素耐藥性的Gerry Wright說：「新的化學反應非常令人興奮。它是一種全新的化學支架，可以在其他藥物不能使用的地方使用RNA酶。」同時Wright補充說，「化合物在證明自己之前還有很長的路要走。尋找新分子和尋找新葯的區別是巨大的。」

04 啟動細菌的自毀程序

許多細菌通過CRISPR的免疫系統來抵禦侵入病毒，在過去幾年中它被廣泛認可用於基因組編輯。細菌在遇到噬菌體後，其CRISPR系統會產生與噬菌體遺傳密碼的特定部分互補的短RNA序列。當細菌再次感染時，RNA可以引導酶切割噬菌體的DNA表達，進而破壞病毒。

北卡羅來納州的生物技術公司Locus Biosciences旨在顛覆這種CRISPR系統。 他們希望通過激活細菌的天然免疫系統來殺死自己。Locus的研究人員通過載入與細菌基因組中發現的序列相匹配的DNA來武裝噬菌體，然後病毒可以感染細菌並將它們的遺傳物質插入細胞核中。當病毒DNA被轉錄時，所得到的RNA將CRISPR系統的切割酶引導至細菌基因組中的幾個靶標。然而，與CRISPR介導的基因組編輯不同，該基因組編輯使用Cas9酶對DNA的兩條鏈進行清潔切割，而Locus系統使用Cas3。 「Cas3不僅能夠切割DNA，還能同時降解DNA，因此無法修復。」Locus聯合創始人兼首席技術官Dave Ousterout說。

麻省理工學院劍橋合成生物學家Timothy Lu開發了一種基於CRISPR-Cas9系統的靶向細菌的方法。他說，Cas3和Cas9酶都能夠有效的方式來觸發細胞內DNA切割。

圖3 噬菌體療法

目前，研究位點主要集中在解決腸道致病因素如艱難梭菌和大腸桿菌。抗生素耐葯的艱難梭菌對人類健康構成最緊迫的威脅之一，而大腸桿菌可引起血液和尿道的威脅生命的感染。 Garofolo稱，在實驗室測試中，CRISPR-Cas3抗菌工具可以清除小鼠中的艱難梭菌感染。該公司希望在2019年開始I期試驗，但必須先獲得美國食品和藥物管理局的批准。 Garofolo補充說，這種治療方法可能適用於對萬古黴素等現有藥物無反應的人群。

俄羅斯和波蘭等國長期以來一直使用噬菌體來治療人體細菌感染。這種治療的優點是它只針對特定的細菌，而不是沿途消滅大量有益的細菌。但噬菌體療法並沒有取得更廣泛的應用，部分原因是細菌很容易對噬菌體產生抗藥性。

Garofolo希望CRISPR-Cas 3系統的效力高於傳統噬菌體療法，此外，該團隊希望通過使用多個噬菌體攻擊多個細菌基因組位點來限制細菌發展抗性的風險，確保細菌無法生存。限制CRISPR-Cas3治療對感染最嚴重的人群的使用也將有助於限制抗藥性發展的機會。 「我們預計，一些抗生素管理將提前幫助我們的產品保持療效。」 Ousterout說。

Locus開發的噬菌體療法具有廣泛的潛力。該公司的目標是使用該技術治療腸易激綜合征或結腸直腸癌等長期病症。如果該技術突破，應該能夠輕易解決任何數量的細菌感染。

https://www.nature.com/articles/d41586-018-02475-3

Nature 555, S5-S7 (2018)

doi: 10.1038/d41586-018-02475-3