JMC | 基于杆菌肽合理设计的新型脂肽：通过增强细胞壁和细胞膜抑制作用对抗多重耐药性并规避杆菌肽耐药性

2025-08-12 16:18

2025年8月1日，烟台新药创制山东省实验室化学药物研究中心管栋梁课题组联合陆军军医大学免疫制品国家工程研究中心章金勇课题组在Journal of Medicinal Chemistry期刊上在线发表了题为“Novel Rationally Designed Lipopeptides Derived from Bacitracin: Combating Multidrug Resistance and Evading Bacitracin Resistance via Potentiated Cell Wall and Membrane Inhibitions”的研究论文。该联合团队开发了一种位点选择性修饰策略，针对杆菌肽中一个关键残基——7位鸟氨酸氨基，引入优化的三氟甲基联苯片段，得到先导化合物Bac-51，同时系统地总结了该位点此前未报道的构效关系。该分子在体内、体外都显示出卓越的抗菌能力，并且具有双重作用模式，即通过增强细胞壁和细胞膜抑制作用对抗多重耐药性并规避杆菌肽耐药性。Bac-51代表了一种新一代的杆菌肽类似物，是对抗多重耐药革兰氏阳性菌感染的有前景的候选药物。

抗微生物药物耐药性（AMR）已成为21世纪全球健康面临的最严峻挑战之一。根据《柳叶刀》2022年的分析报告，2019年全球1370万与感染相关的死亡病例中，细菌感染占56%（770万）。其中，金黄色葡萄球菌的致死率最高。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐万古霉素肠球菌（VRE）是革兰氏阳性菌中具有代表性的高危耐药超级细菌，也被列入2024年世界卫生组织（WHO）细菌重点病原体清单中的高优先级类别。目前，以MRSA和VRE为代表的超级细菌的治疗选择仍然有限，疗效也受到限制。因此，迫切需要针对这些难治性病原体、特别是通过新作用机制（MOA）发挥作用的新型抗生素。

杆菌肽是一种由非核糖体合成的大环十二肽抗生素，由地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌产生，其主要成分是杆菌肽A。杆菌肽广泛用作局部抗菌软膏的成分，常与新霉素和多粘菌素B一起配制，同时也是动物饲料中的一种添加剂。然而，由于其复杂混合物中不可分离的天然成分（如杆菌肽F）所固有的肾毒性，未分离的杆菌肽全身给药是禁忌。此外，窄抗菌谱、中等抗菌活性以及不理想的药代动力学特征进一步限制了其全身应用。

从作用机制上讲，杆菌肽在二价金属离子（最常见的是Zn2+）存在的情况下，通过与十一异戊二烯基焦磷酸（C55-PP，UPP）结合，抑制C55PP的脱磷酸化过程，干扰革兰氏阳性菌细胞壁的生物合成。对杆菌肽获得性耐药主要由靶点保护机制介导，即通过“Bce型”三磷酸腺苷结合盒（ABC）转运蛋白（如金黄色葡萄球菌中的BceAB）的过表达来外排杆菌肽。尽管杆菌肽在制药和畜牧业中广泛使用了70多年，细菌对其耐药性仍然罕见，这种抗生素可作为设计无细菌耐药性的强效肽类抗生素的理想先导物，在抗生素开发方面具有很大潜力。

本研究的设计思路受到具有代表性的上市肽类抗生素结构特性的启发。同时，在杆菌肽与脂质焦磷酸UPP的相互作用模式晶体结构中，团队发现N端的氨基对于与靶标的焦磷酸基序结合至关重要，而鸟氨酸的δ-NH2远离金属离子螯合区域，修饰该位点可能对杆菌肽活性作用机制的影响最小。因此，在杆菌肽骨架的第7位鸟氨酸游离氨基处合理设计疏水片段修饰，可能赋予其独特的抗菌特性。

图1 本课题设计思路概念图

团队开发了一种基于还原胺化的位点选择性修饰策略，以商业可得的杆菌肽为起始原料，对第7位鸟氨酸的δ-NH₂进行选择性修饰。进一步地，利用这种简单温和的方法合成了53种新颖多样的杆菌肽A衍生物。对合成的一系列杆菌肽A衍生物进行了体外抗菌活性筛选。最终，确定Bac-51为最优化合物，其与杆菌肽相比活性提高8-256倍，与达托霉素相比提高2-16倍，与万古霉素相比提高32-256倍。为评估其临床应用潜力，Bac-51进一步地测试了30株临床分离的耐药革兰氏阳性菌的抗菌活性。结果表明，整体上Bac-51的活性比杆菌肽高2-16倍，突出了其优异的抗菌性能。

图2 体外抗菌性质研究与体内外安全性评价

在抗菌性质的探究中，Bac-51对MRSA菌株具有缓慢的杀菌作用，且呈浓度依赖性。Bac-51对VRE菌株表现出抑菌能力。在安全性评价实验中，Bac-51在细胞水平上呈现出良好的安全性，未表现出溶血现象，且耐受性良好。体内药代动力学研究结果表明Bac-51具有更优越的药代动力学特性，说明7位鸟氨酸位点的修饰是调节药代动力学的关键。进一步的体内药效评价中，对感染MRSA菌株的小鼠败血症模型，单一剂量Bac-51的存活率为70%，远远优于杆菌肽A（10%）。

图3 体内药代动力学与体内药效学研究

在相关作用机制的探究中，Bac-51处理后Park核苷酸的积累量显著增加，对细胞壁生物合成的抑制作用更强。并且研究团队发现，Bac-51额外的疏水部分参与了细胞膜的锚定，与心磷脂CL相互作用，不仅能增强革兰氏阳性菌的膜通透性，还能诱导膜去极化，最终导致细胞完整性受到严重破坏。

图4 多重作用机制图

进一步地耐药性进展实验表明Bac-51不易诱导细菌产生耐药性，并且能够对抗因BceAB过表达的杆菌肽获得性耐药菌株。Bac-51对这种耐药表型的持续活性可能是由于其对UPP和细菌细胞膜的双重作用。这不仅证明了Bac-51的长期有效性，还为其额外的作用机制提供了间接证据。

这项研究成功开发了一种具有双重作用机制的创新抗生素候选药物Bac-51，通过增强细胞壁抑制和破坏细菌膜完整性的双重作用，展现出优异的抗耐药菌活性。其独特的结构修饰策略不仅显著提升了抗菌效力（对MRSA、VRE等耐药菌的活性提高8-256倍），还通过干扰“Bce型”ABC转运蛋白（如金黄色葡萄球菌中的BceAB）有效延缓了耐药性的产生。结合优异的安全性和药代动力学特性，Bac-51为应对全球抗生素耐药危机提供了一种具有前景的解决方案。

烟台新药创制山东省实验室的23级联合培养硕士研究生程思洁和陆军军医大学的22级硕士研究生廖靖雯为该论文的的共同第一作者，烟台新药创制山东省实验室的管栋梁研究员、陆军军医大学的章金勇教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金青年基金项目以及烟台新药创制山东省实验室启动基金的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5c01285

供稿部门：管栋梁课题组