Nature：“不配进正文”的简单化合物，狙杀耐药菌的“双功”抗生素

可能有不少人还觉得人类是这个星球上食物链顶端的生物，但是，看起来对许多生命体都有着生杀予夺能力的人类，却又时刻受到这个星球上最小生命体的致命威胁。比如，依然在全球肆虐的新冠病毒，还有如鬼魅般存在的超级细菌。超级细菌之所以可怕在于人类发明的多种抗生素对它们毫无办法。相比人类的新药研发，耐药菌的产生速率明显更胜一筹。因此，全球有不少科学家聚焦于能杀死耐药菌的新型抗生素研发。前不久，美国威斯达研究所（The Wistar Institute）的Joseph M. Salvino和Farokh Dotiwala等人在Nature 上发表文章，报道了他们研发的一类新型IspH抑制剂抗生素，不但可以高效杀灭多种耐多药的革兰氏阴性菌，而且对哺乳动物细胞近乎无毒。更重要的是，这类化合物还能同时激活免疫响应，表现出直接杀菌与免疫清除的协同效应。

目前临床上能有效治疗耐药革兰氏阴性菌感染的药物寥寥无几。作者选择了革兰氏阴性菌异戊二烯合成的关键酶IspH作为研究靶点。该酶存在于细菌异戊二烯合成过程中的甲基赤藓糖醇磷酸途径。最为重要的是，该途径在人体中并不存在，相应的IspH这个酶在人体中没有表达。这就在药物设计起始阶段规避了一些药物因靶点选择性不佳带来副作用的风险。在选择IspH作为研究靶点后，作者首先考察了对该靶点应用双重作用免疫抗生素策略（dual-acting immuno-antibiotics，DAIAs）的可能性。下图展示了IspH在细菌细胞壁合成中的角色，不同浓度的IspH对不同菌株生长的影响以及对T细胞表面分子标志分子的影响。

图片来源：Nature

可以说上面的工作是从作用机制上对IspH作为药靶可行性的论证。机制清晰、靶点明确后，后面的工作就是基于靶点的药物发现了。由于IspH有晶体结构，那就是高通量虚拟筛选走起。作者对960万个化合物进行了基于分子对接的虚拟筛选，从中挑选了最优的24个化合物进行成药性分析并检测了活性，其中化合物C10、C17和C23的IC₅₀分别达到了9 μM、4 nM和85 nM。其中，C17和C23的稳定性更好，作者围绕这两个化合物进一步制备了衍生物。在这些衍生物中C23的衍生物活性更胜一筹。但是，新的问题应运而生，无论是C23还是其衍生物的渗透性都比较差，这就使得其无法透过细菌的细胞结构和靶点结合。为解决这个问题，作者设计了分子内带正电荷的C23三苯基膦前药。经过抑菌评价，多个前药体现出优异的抑菌活性，甚至超过了多款已上市广谱抗生素。

图片来源：Nature

在确认药效后，作者又对这些前药的安全药理学进行了评价，涉及多种细胞的细胞毒性、潜在的心脏毒性、线粒体膜电位影响等。结果显示，这类前药具有一定的安全性，对哺乳动物细胞近乎无毒。

最后，回到设计这类化合物的起始思想——双重作用免疫抗生素策略。作者评价了前药对免疫细胞的影响。在革兰氏阴性菌感染小鼠模型中，用前药C23.28-TPP治疗后，不仅可以显著抑菌，还能增强模型小鼠免疫功能，从而提高了模型小鼠生存率。C23.28-TPP的类似药效在多种革兰氏阴性菌感染动物模型上都得以验证。

图片来源：Nature

药效这么好、说的这么热闹，怎么也要看一看化合物的结构吧。本君当时在想指不定结构有多复杂多巧妙呢，结果正文翻来覆去却没找到，后来翻到附加信息才一睹这些化合物真容，结构简单到令人发指，怪不得作者都没把它们放在正文图表中（开个玩笑，有时候简单的反而是最好的）。

图片来源：Nature

整篇文章保持了Nature 文章一贯的特点，那就是工作量巨大且逻辑性极强，环环相扣。当然，这篇文章最大的闪光点显然不是化合物的合成，而是选题的角度。首先聚焦临床药品稀缺的革兰氏阴性菌感染疾病，其次在靶点选择上以人类没有而细菌必需的蛋白作为靶点，最后在作用机制上瞄准了具有双重功能的免疫抗生素。在这些巧妙的构思下，辅以扎实系统的工作，一篇超高水平的研究论文就此诞生。本君强烈建议从事新型抗生素研发的同学精读此文章，一定会有不少收获。更希望早日见到文中活性化合物的临床试验结果。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

IspH inhibitors kill Gram-negative bacteria and mobilize immune clearance

Kumar Sachin Singh, Rishabh Sharma, Poli Adi Narayana Reddy, Prashanthi Vonteddu, Madeline Good, Anjana Sundarrajan, Hyeree Choi, Kar Muthumani, Andrew Kossenkov, Aaron R. Goldman, Hsin-Yao Tang, Maxim Totrov, Joel Cassel, Maureen E. Murphy, Rajasekharan Somasundaram, Meenhard Herlyn, Joseph M. Salvino & Farokh Dotiwala

Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-020-03074-x

（本文由乐只君子供稿）