副标題：可保護腸道微生物群的革蘭氏陰性選擇性抗生素lolamicin
以青黴素為代表的抗生素的發現，絕對是人類對抗細菌感染的裡程碑，各種類型的抗生素在數十年間挽救了無數人的生命。但細菌并非就此躺平挨錘，它們也在進化以适應并抵抗抗生素的打擊，于是，各種耐藥菌開始出現，甚至近年來還蹦出了幾乎能夠無視一切已有市售抗生素的超級細菌。病菌“魔高一尺”，人類就必須“道高一丈”，雙方的鬥争拉鋸，至今也未分出勝負。除了會導緻病菌産生耐藥性甚至多重耐藥性之外，抗生素的大量使用還有另外一個危害——目前大多數抗生素都沒有選擇性，特别是那些廣譜抗生素，在殺滅病原菌的同時，也會重創我們體内的有益細菌，比如腸道中的共生菌，破壞腸道微生物群（gut microbiome），使患者更容易出現繼發感染，并增加胃腸道、腎髒和血液系統異常的風險。另一方面，目前的抗生素開發也面臨多重挑戰，其中之一就是開發選擇性針對革蘭氏陰性菌的抗生素。現今絕大多數獲批的抗生素隻針對革蘭氏陽性菌，或者同時針對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，選擇性針對自我保護能力更強、危害更大的革蘭氏陰性菌的抗生素寥寥無幾，而且這少數幾種革蘭氏陰性菌抗生素也無法避免對腸道有益細菌的誤傷。比如，粘菌素是目前獲批的為數不多可以治療革蘭氏陰性菌感染的抗生素之一，但該藥也會擾亂患者腸道微生物群，可引起與艱難梭菌（Clostridioides difficile）相關的繼發感染，導緻腹瀉和假膜性結腸炎，這些并發症可能危及患者生命。
近日，伊利諾伊大學厄巴納-香槟分校Paul J. Hergenrother教授課題組設計和發現了一種靶向脂蛋白轉運系統的新型革蘭氏陰性菌特異性抗生素lolamicin，對130多種耐多藥臨床分離株具有活性，在多種急性肺炎和敗血症感染小鼠模型中顯示出不錯的療效，并且還可保護小鼠的腸道微生物群，防止艱難梭菌的繼發性感染。Lolamicin能選擇性殺滅緻病性革蘭氏陰性菌，要歸因于其靶點在緻病性細菌與共生菌中的低序列同源性。這種雙重選擇性（在革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌之間選擇後者，在革蘭氏陰性緻病菌和共生菌之間選擇前者）政策，對于開發其他微生物組保護性抗生素來說是個很好的啟發。相關論文發表于Nature 雜志。
Lolamicin設計過程。圖檔來源：Nature
作者認為，開發一種不幹擾微生物組的革蘭氏陰性菌特異性抗生素的關鍵是尋找特異性靶點，該靶點存在于目标革蘭氏陰性菌中，但與有益共生菌具有明顯的同源性差異。Lol 系統就是這樣的一個潛在靶點，它是一個位于革蘭氏陰性菌周質内的五組分蛋白系統（LolA-E，其中LolC、D 和 E 形成 LolCDE 複合物），負責在内膜和外膜之間轉運脂蛋白。革蘭氏陽性菌的脂蛋白全部保留并錨定在細胞膜上，不需要脂蛋白轉運，這使得Lol系統成為革蘭氏陰性菌的獨特“标志”。另一方面，大腸杆菌的Lol系統與人體内共生革蘭氏陰性菌的Lol系統具有較低的序列同源性，是以利用該蛋白複合物作為靶點就有希望開發雙重選擇性抗生素——在革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌之間選擇後者，在革蘭氏陰性緻病菌和共生菌之間選擇前者。經過初步分析，作者選擇LolCDE 抑制劑作為抗生素開發方向。2015 年阿斯利康的研究者設計了吡啶吡唑（1）和吡啶咪唑（2）類LolCDE抑制劑，雖然候選藥物對野生型革蘭氏陰性病原體缺乏顯著的抗菌活性，且存在體内療效欠佳、溶解性差和耐藥頻率高的問題，但這些化合物可通過抑制 LolCDE 複合物殺死大腸杆菌。以這兩個化合物為出發點，作者重新設計了骨架，最終得到lolamicin。活性測試中，lolamicin對革蘭氏陰性病原體實驗室菌株（包括大腸杆菌、肺炎克雷伯菌和陰溝腸杆菌）具有顯著活性，但對一系列革蘭氏陽性需氧病原體以及一系列革蘭氏陽性和革蘭氏陰性厭氧共生菌沒有明顯活性（濃度在其水溶解度限之内）。這組共生菌包括拟杆菌屬——人類腸道中最主要的革蘭氏陰性菌。
此外，lolamicin對哺乳動物細胞系和紅細胞的毒性也很小。機理研究表明，lolamicin正是通過抑制脂蛋白轉運途徑實作了革蘭氏陰性病原體的選擇性滅殺。
Lolamicin在LolCDE中的結合位點研究。圖檔來源：Nature
随後，作者進行了lolamicin的體内活性研究。小鼠接受lolamicin腹膜内注射（共3天、每天2次100 mg kg-1 ），耐受性表現良好。此外，在此劑量下進行的初步藥代動力學評估表明lolamicin具有作為體内活性抗生素的潛力。接下來研究的感染模型分兩種：急性肺炎感染模型用于檢驗細菌負擔，以及敗血症模型用于分析總體生存率。小鼠感染了大腸杆菌 AR0349（一種耐粘菌素的臨床分離株，lolamicin的 最小抑制濃度MIC 為 1 µg ml-1，化合物 1 的 MIC 為 >32 µg ml-1），用lolamicin治療的小鼠的細菌負擔大大減少，而且敗血症感染小鼠100% 成功獲救。與lolamicin相比，化合物 1 在這些實驗中表現欠佳。類似實驗還證明了lolamicin對感染了粘菌素耐藥性肺炎克雷伯菌、卡巴培南耐藥性肺炎克雷伯菌和粘菌素耐藥性陰溝腸杆菌的小鼠都有效。此外，藥代動力學實驗顯示，lolamicin具有不錯的口服生物利用度（F = 47%）。
Lolamicin的體内活性研究。圖檔來源：Nature
接下來，作者針對lolamicin對小鼠腸道微生物群的影響進行了研究。他們從收集的小鼠糞便樣本中提取 DNA，并通過全長 16S 核糖體 RNA (rRNA) 測序分析微生物組組成。作者觀察到在使用阿莫西林和克林黴素後細菌種群發生了顯著變化，克林黴素治療導緻芽孢杆菌和拟杆菌相對減少，而伽馬變形菌明顯增加。在用阿莫西林治療的小鼠中也檢測到了類似的變化，拟杆菌相對增加，而伽馬變形菌富集。相比之下，lolamicin在三天治療期間或随後的 28 天恢複期間未觀察到對腸道微生物群的顯著影響。作者還發現，使用lolamicin治療的小鼠在随後的艱難梭菌攻擊實驗中，能夠自發清除艱難梭菌病原體，這也證明了lolamicin沒有幹擾這些小鼠的腸道微生物組。而與之相反的是，用克林黴素或阿莫西林治療的小鼠在相同的實驗中導緻了高水準的艱難梭菌定殖。
小鼠腸道微生物群研究。圖檔來源：Nature
總結
腸道微生物群對于維持宿主健康至關重要，其擾動可能導緻許多有害影響，包括艱難梭菌感染等。Hergenrother教授課題組設計和發現了一種靶向脂蛋白轉運系統的新型革蘭氏陰性菌特異性抗生素lolamicin，對多重革蘭氏陰性病原菌表現出良好的抗菌活性和選擇性，不會殺死革蘭氏陽性菌以及對人體有益的腸道共生細菌。這種雙重選擇性，歸因于其作用靶點——脂蛋白轉運系統。類似于lolamicin這樣針對病原體的同時最大限度地減少對腸道微生物組損害的抗生素藥物，代表了抗生素未來的發展方向。
A Gram-negative-selective antibiotic that spares the gut microbiome
Kristen A. Muñoz, Rebecca J. Ulrich, Archit K. Vasan, Matt Sinclair, Po-Chao Wen, Jessica R. Holmes, Hyang Yeon Lee, Chien-Che Hung, Christopher J. Fields, Emad Tajkhorshid, Gee W. Lau & Paul J. Hergenrother
Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07502-0
（本文由北緯55°供稿）