新型糖肽及脂肽类抗生素的设计、合成与抗耐药菌活性研究

发布时间：2020-04-14 01:28

【摘要】：抗生素是人类医学史上最伟大的发现之一,然而在不到一百年的时间里,细菌逐渐进化出了与抗生素抗衡的耐药性,并且耐药性形势愈演愈烈。近年来全世界每年有70万人死于耐药性细菌感染,如果不采取措施来遏制耐药性的进一步恶化或研发新的抗生素药物,到2050年,这一数字可能会升至1000万人,因此抗生素耐药性必将是人类现在和未来几十年面临的最大健康威胁之一。在抗生素的兵器库中,糖肽类抗生素和环脂肽多粘菌素类抗生素分别作为人类抵御顽固耐药阳性菌和阴性菌的最后一道防线,在临床上被用作严重耐药感染的紧急形势下最后的治疗手段,但是随着近年来对糖肽类抗生素甚至对多粘菌素耐药菌株的出现,这最后一道防线也变得岌岌可危,无药可用的“后抗生素时代”正在步步逼近。在此严峻形势下,对这些天然产物来源的抗生素进行合理的有效的设计改造,得到相应的安全有效的半合成衍生物变得尤为重要,例如目前新一代糖肽类抗生素特拉万星、达巴万星和奥利万星的问世,同时目前对于万古霉素等糖肽类抗生素以及多粘菌素类抗生素半合成研究热情的高涨,有利于加快新一代抗菌药物研发速度,丰富当前匮乏的抗生素研发管线,暂时应对当前严重的耐药菌感染问题。本论文的研究工作主要从三种天然产物来源的抗生素(万古霉素、去甲万古霉素、多粘菌素B)出发,分别在新型万古霉素衍生物、新型去甲万古霉素衍生物以及新型多粘菌素B类似物这三个章节五个课题中进行了系统的探索与研究,总共合成制备得到219个新化合物。其中第一部分研究工作——“新型万古霉素衍生物的设计、合成与药理活性研究”是全文中最主要的部分,也是研究较为深入的部分,包括从三种不同设计策略出发的糖基化修饰的万古霉素衍生物、靶向焦磷酸部分的万古霉素衍生物、靶向细胞膜的万古霉素衍生物三个课题。Lipid Ⅱ作为革兰氏阳性菌细胞壁主要组成部分肽聚糖的前体,被称为革兰氏阳性菌细胞壁生物合成的“阿基里斯之踵”,对细菌生存至关重要。万古霉素这类糖肽类抗生素主要的作用靶点就是Lipid Ⅱ,然而其结合部位的突变导致其与万古霉素这类糖肽抗生素的亲和力的下降正是这类细菌耐药性的主要原因,因此如何增加与耐药菌Lipid Ⅱ的结合亲和力,对于抵抗万古霉素耐药菌显得非常有意义。在万古霉素万古糖胺部位的亲脂修饰是有效提高这类万古霉素衍生物抗耐药菌活性的有效策略,研究较为广泛,但是疏水片段的引入往往也会导致半衰期的延长和积蓄毒性。因此,亲水片段常常被引入到这类亲脂-万古霉素衍生物中来调节它们的药代动力学和药效学性质。我们在糖基化修饰的万古霉素衍生物课题中,设计并合成了51个在7位氨基酸间苯二酚部位和万古糖胺部位分别修饰亲水糖结构片段和疏水片段的万古霉素类似物,并且总结完善了构效关系。其中最佳化合物展示出了在抗MRSA、VISA、VRE等耐药菌株方面优于万古霉素64-1024倍以上的活性。体内药代动力学研究表明,我们通过引入额外的糖结构片段能够有效的缩短半衰期,解决可能存在的积蓄毒性问题。而在机制方面显示额外的糖结构片段与Lipid Ⅱ末端二肽的相互作用也从一方面解释了该类化合物药效提高的可能原因。该课题提供了一种在亲脂-万古霉素衍生物上引入额外的糖基片段的设计策略,由此使得这类万古霉素衍生物具有增强的抗菌活性、最佳的药代动力学性质以及低毒性的优良类药性质。在靶向焦磷酸部分的万古霉素衍生物课题中,我们主要在万古霉素母核上增加靶向焦磷酸部分的金属螯合分子或者联合搭配亲脂以及半乳糖结构片段的修饰,共设计合成了39个该类万古霉素衍生物并总结完善了相应的构效关系。机制研究表明可能的作用机制是:在万古霉素7位氨基酸间苯二酚部位或者羧基端偶联的含有二甲基吡啶胺的构建单元能够增加这类衍生物与Lipid Ⅱ中焦磷酸部分的结合亲和力,而不影响万古霉素母核本身与Lipid Ⅱ末端二肽的结合。体外抗菌活性显示最佳化合物在抗VRE方面能达到高于万古霉素16-1024倍以上的抗菌活性。同时两个部位修饰的协同作用也被证明能更加有效的提高抗VRE活性。靶向细菌细胞膜的万古霉素衍生物的开发是对细菌行之有效的策略,而且细菌细胞膜成分复杂,对细菌生存至关重要,一般难以发生突变,降低了该作用机制下的耐药性的发生。在靶向细胞膜的万古霉素衍生物课题中,我们设计并合成了31个带有硫摀离子的万古霉素衍生物与4个对照化合物,这种硫摀离子修饰在之前的研究和文献中极少被报道,是一种被低估的策略。这类万古霉素衍生物显示出了无论在体内还是体外抗VRB都更加有效的抗菌活性。更加有意义的是,硫摀离子修饰能够改变万古霉素的内在性质,调节拓宽其抗革兰氏阴性菌的活性。机制研究表明这类化合物能够增加与细菌细胞膜的相互作用,破坏细胞膜的完整性。除此之外我们也考察了这类化合物的体内药代动力学性质、稳定性、安全性,结果都证明了硫摀离子修饰的万古霉素衍生物具有良好的成药性性质。该课题不仅提供了对付耐药性细菌感染的前景性策略,而且也进一步增加了对硫摀离子衍生物在结构优化和新药开发应用中的了解。第二部分研究工作——“新型去甲万古霉素衍生物的设计、合成与药理活性评价”也是全文第四个课题。我们主要在去甲万古霉素的N端设计利用选择性的N端修饰的合成方法引入了一系列疏水片段以及偶联硫摀离子的亲脂片段,其中有32个单一修饰N端氨基的去甲万古霉素衍生物。在体外抗阳性菌活性测试中,我们发现部分N端修饰的去甲万古霉素衍生物能表现出良好的抗菌活性,特别是长的烷基修饰、联苯结构修饰以及带有硫摀离子修饰的长的烷基链和联苯结构的化合物表现出了优于万古霉素32-2048倍以上的活性,同时这些结果也证明去甲万古霉素N端也是具有良好前景的修饰位点,后续的工作将继续以此展开。第三部分工作——“新型多粘菌素B类似物的设计、合成与药理活性评价”,也是全文的第五个课题。目前对于多药耐药严重的革兰氏阴性菌的感染已经到了无药可用的地步,多粘菌素作为治疗耐药阴性菌的最后一道防线不得不被重新启用,但是其毒性副作用较大却严重阻碍了其使用,因此我们希望对多粘菌素B进行半合成修饰,希望得到活性提高和/或毒性降低的多粘菌素B类似物。我们主要通过在2位和/或10位苏氨酸羟基位置进行半合成修饰,引入20种天然氨基酸,最后得到了52个单一位点或者双位点修饰有天然氨基酸的多粘菌素B类似物。这些类似物的体外抗阴性菌活性结果中虽然没有提高,但是却证明了这两个部位的化学修饰容忍度较大。体外细胞毒性测试结果证明修饰有亲水性极性较大的氨基酸的多粘菌素B类似物安全性更高。这也为我们后续即将在多粘菌素B上进行其他的半合成以及全合成工作方面提供了一定的指导与借鉴。综上所述,本为通过不同策略对万古霉素、去甲万古霉素、多粘菌素B进行半合成修饰的探索与研究,并得到了一系列针对耐药菌有效的具有前景的药物候选分子,为糖肽类抗生素和脂肽类抗生素药物研发提供了一定的思路。
【图文】：

检出率,耐药率,碳青霉烯类

西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的全国平均检出率为 32.2%，近五年显示出缓慢下降的趋势；甲氧西林耐药凝固酶阴性葡萄球菌（MRCNS）的全国平均检出率为 76.0%，庆幸的是，我国目前暂时未检测出对万古霉素耐药的金黄色葡萄球菌（VISA 或者 VRSA），对万古霉素耐药的粪肠球菌和屎肠球菌的全国平均检出率分别为 0.4%和 1.4%，虽然这两种肠球菌检出率较低，但是依然应该引起我们的重视。肺炎链球菌对红霉素耐药率处于较高水平，达到 95.0%，其对青霉素耐药的肺炎链球菌（PRSP）检出率较低，且呈现缓慢下降趋势，为 2.7%。纵观几个比较重要的耐药阴性菌的国内现状，，我们发现 2017 年鲍曼不动杆菌对碳青霉烯类药物的耐药率为 56.1%，较 2016 年有所下降；肺炎克雷伯菌对碳青霉烯类药物的耐药率近五年呈现上升趋势，达到 9.0%；大肠埃希菌对第三代头孢菌素的耐药率达到 54.2%，呈现下降趋势；铜绿假单胞菌对碳青霉烯类药物的耐药率为 20.7%，对比 2016 年略有下降。下图 1.1 描述了 2013 年至 2017 年我国特殊与重要耐药细菌检出率变迁情况。

革兰氏阳性菌,革兰氏阴性菌,细胞壁

常古老的生物，大概出现在 37 亿年前。细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、无核膜包被的细胞核等部分构成，属于原核生物，有的细菌还有荚膜、鞭毛等特殊结构。绝大多数细菌的直径在 0.5-5μm 之间。细菌的分类方法有很多，而人们通常习惯上将其分为两种类型：革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。前者利用革兰氏染色法染色后，细菌细胞仍然保留初染结晶紫时的蓝紫色而后者则会变为红色。其颜色的差异主要来源于两类细菌的细胞壁构造的不同，这也是革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在结构上最大的区别（图 1.2）。细菌的细胞壁最主要的作用是保护细菌免受溶解、化学攻击和免疫系统的攻击，同时又能介导细菌细胞间相互作用，协助细菌细胞运动和分裂。革兰氏阳性菌细胞壁厚约 20-80nm，有 15-50 层肽聚糖片层，每层厚约 1nm，含 20-40%的磷壁酸，因此肽聚糖层是革兰氏阳性菌细胞壁的主要成分，除此之外还有的大量的多糖和蛋白质（图 1.2 右）。革兰氏阴性菌细胞壁厚约 10nm，仅 2-3 层肽聚糖，其他成分较为复杂，由外向内依次为脂多糖、单层磷脂外膜和镶嵌其中的脂蛋白（图 2 左）。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海药物研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R914

【参考文献】