J. Am. Chem. Soc. | 万古霉素的单一喹啉修饰：一种改变抗菌谱、对抗多药耐药性的有效策略

2025-11-20 13:55

2025年11月10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 the American Chemical Society 在线发表了题为“Unanticipated Quinoline Modification on Vancomycin as an Effective Strategy to Alter the Antibacterial Profile and Combat Multidrug Resistance”的研究论文。该联合团队意外发现对万古霉素进行简单的喹啉基团修饰得到的quinovancins可以有效的克服细菌对糖肽类抗生素的获得性耐药以及固有性耐药，这拓宽了万古霉素的抗菌谱，使其对于多药耐药的肠杆菌科阴性菌也变的有效。候选分子quinovancin-3d具备良好的成药性及全新的革兰氏阴性菌外膜穿透机制，被视为极具开发前景的新一代糖肽类抗生素代表，同时为防治超级细菌感染提供了重要的应急药物选择。

抗微生物药物耐药性（AMR）已成为威胁全人类公共卫生与健康的重大挑战。2019 年与 2021 年的统计数据显示，全球约 500 万人的死亡与细菌性 AMR 相关。其中，大肠杆菌与金黄色葡萄球菌是造成死亡人数最多的两类致病菌。

万古霉素作为糖肽类抗生素的代表成员，已经在临床上使用了接近70年，被誉为人类对付顽固耐药阳性菌感染的“最后一道防线”。万古霉素主要通过与肽聚糖前体Lipid II结合抑制细胞壁的生物合成发挥抗菌作用。然而，近年来对万古霉素耐药的超级细菌，例如对万古霉素耐药的金黄色葡萄球菌（VISA）和对万古霉素耐药的肠球菌（VRE），不断出现，使万古霉素失效。另一方面，革兰氏阴性菌因为外膜屏障（脂多糖层）的存在阻止了万古霉素穿过，使其无法到达周质空间的Lipid II靶点部位，所以革兰氏阴性菌对万古霉素这类糖肽类抗生素天然耐药。因此，针对万古霉素的获得性耐药以及固有性耐药开发新型有效的策略具有重要的研究意义。前人研究中对于克服阳性菌获得性耐药的有效策略报道较多，然而对于克服阴性菌固有性耐药的策略较少报道。

喹啉作为一种优势骨架，已被广泛应用于小分子药物设计中并使衍生物具备多方面的药理活性，如抗疟疾、抗病毒、抗结核、抗肿瘤和抗肥胖作用等。值得注意的是，虽然喹啉在小分子中的应用已有充分研究，但将其引入大分子量（>1000 Da）肽或蛋白质中的研究未见报道。本项研究工作中，研究团队创新性的将氯喹中的4-氨基-7-氯喹啉优势片段引入到了万古霉素的母核结构中设计并合成了一系列的万古霉素-喹啉衍生物，并将其命名为quinovancins。整个合成步骤简洁高效易于放大，且得到的quinovancins具有良好的溶解度。

图1 终产物合成路线

通过对多种耐药阳性菌的体外抗菌活性（MIC）测试，研究团队发现大部分万古霉素-喹啉衍生物的抗菌活性远远优于万古霉素，特别在万古霉素耐药菌株上活性提高了4-256倍。进一步地，研究团队挑选出最佳的化合物3d，测试了7类临床分离的耐药阳性菌，发现该分子在各类阳性菌中均表现出了远远优于万古霉素的抗菌活性。接下来，研究团队测试了ESKAPE菌株中的4类革兰氏阴性菌，惊喜的发现这类万古霉素-喹啉衍生物对大肠杆菌有效，且活性能够低至8μg/mL (~4μM)，而万古霉素在测试菌株上的MIC>128μg/mL，初步表明了喹啉修饰策略对万古霉素克服阴性菌固有耐药性拓宽抗菌谱的有效性。有意思的是，将喹啉中的氮原子替换为碳原子，对于大肠杆菌的抗菌活性丧失，进一步揭示了喹啉修饰的重要作用。随后，研究团队采用了更多临床分离的多药耐药的大肠杆菌对3d进行了测试，发现其能够广泛的克服大肠杆菌的多药耐药性，MIC可低至4μg/mL。考虑到大肠杆菌属于肠杆菌科，研究团队也测试了另一类肠杆菌科中的致病菌--沙门氏菌，结果发现3d对多种耐药沙门氏菌具有极佳的抗菌活性，个别菌株甚至优于环丙沙星和多粘菌素。这进一步表明了喹啉修饰策略在拓宽万古霉素衍生物抗菌谱特别是拓宽肠杆菌科细菌抗菌谱上的重要作用。

图2 体外抗菌活性评价

在抗菌性质的探究方面，3d展示出对耐药阳性菌的抑菌性质和对大肠杆菌的浓度依赖的快速杀菌特性。这种杀菌特性在SEM和TEM电镜图中也得到进一步验证，并且明确观察到3d处理后细菌菌体的溶胀现象，侧面揭示了3d在周质空间中抑制了肽聚糖的成熟。

接下来的成药性研究中，研究团队首先通过细胞毒、溶血毒以及体内急毒实验证明了3d具有极好的体内外安全性。紧接着，通过体内药代动力学的初步测试，证明了3d具有优于万古霉素的药代性质，并且首次揭示了连接子在万古霉素-喹啉衍生物的PK调节中的重要作用。然后，在体内药效评价中，单一剂量（7mg/kg）的3d可实现MRSA感染的系统性败血症小鼠全部存活（100%），而万古霉素组仅有20%存活。在碳青霉烯耐药大肠杆菌CRE感染的小鼠模型中，3d治疗组显示出了显著的体内药效，在多种脏器尤其是肾脏和肺的细菌定植方面表现出了远远优于万古霉素的疗效。

图3 安全性评价、体内药代动力学与体内药效学研究

在作用机制的探究过程中，研究团队发现，3d能显著提升对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细胞壁生物合成的抑制效果，使 park 核苷酸大量累积，且表现出了浓度依赖性。

图4 细胞壁相关机制探究

在阳性菌细胞膜活性的探究中，3d能够造成阳性菌细胞膜通透性的提高和去极化的产生，且具有菌株特异性，结合上述机制实验表明3d在克服阳性菌获得性耐药方面的作用一方面来自对细胞膜的扰动作用，另一方面来自对细胞壁生物合成抑制能力的增强。而对大肠杆菌作用机制的深入探究揭示了3d能够以一种不破坏外膜的方式进入周质空间，并能够进一步地扰动阴性菌的内膜，克服大肠杆菌的固有耐药性。这种特殊的且未知的进入机制目前正在进一步地研究中。

除此之外，研究团队发现了3d能够增加某些疏水小分子（例如罗丹明B）在大肠杆菌周质空间的聚集，与多粘菌素对照组的激光共聚焦图的比较也间接表明了3d的非外膜破坏作用。更有意思的是，3d能够在亚抑制浓度下增加CRE菌株对美罗培南的敏感性，这也表明喹啉修饰策略在抗多药耐药阴性菌方面可能具有增敏的潜力。

图5 作用机制示意图

总之，本研究提供了一种基于糖肽类抗生素的全新策略，该策略可以帮助万古霉素克服革兰氏阳性菌的获得性耐药，更为关键的是克服革兰氏阴性菌的固有性耐药，为超级耐药阴性菌感染的治疗提供了创新思路与潜在应用范式，为解决临床多重耐药菌治疗难题开辟了重要方向。

烟台新药创制山东省实验室的23级联合培养硕士研究生常涛鹏为该论文的第一作者，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、山东省重点研发计划（竞争性创新平台）项目、山东省自然科学基金项目、烟台新药创制山东省实验室启动基金的资助。特别感谢华南农业大学任昊副教授、山东第二医科大学张静文副教授、陆军军医大学邹全明教授、中国科学院上海药物研究所陈菲菲副研究员、复旦大学冯美卿教授、湖南大学冯欣欣教授以及滨州医学院季晓飞副教授对本项研究提供的指导和帮助。

全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c14268