具有治疗潜力的新型环胍二聚体类抗生素

chem化学亮点2018-01-133.5W+

细菌的耐药性问题已经成为21世纪的三大全球公众健康危害之一。其中，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐甲氧西林表葡菌（MRSE）、抗万古霉素肠球菌（VRE）在内的革兰氏阳性菌，和包括大肠杆菌（E. coli）、克雷伯氏肺炎菌（K. pneumoniae）、绿脓杆菌（P. aeruginosa）在内的革兰氏阴性菌已成为医院里常见的感染源。研究发现能够有效抑制这些多重耐药细菌的新型抗生素一直是科学界不懈的追求之一。近日，南佛罗里达大学的蔡健峰教授团队和上海中医药大学的李琦教授团队报道了一类新的环胍二聚体类化合物并且系统研究了体外和体内活性以及其毒性和机理。

近些年来，宿主抵抗肽类（host-defense peptides, HDPs）被研究者发现成为一种可克服细菌耐药性的新型方法。众所周知，传统的抗生素都有明确的细胞膜或者细胞内靶点，然而，HDPs由于其特异的双亲性结构（具有带正电荷和亲脂性的基团），会优先通过跟细菌细胞壁结合从而破坏细菌的细胞壁，进而导致细菌死亡。HDPs的抗菌机理比较复杂，但其能选择性结合细胞壁进而破坏细胞壁的机理最能解释该肽类化合物可以大大减少耐药性的产生，因为其跟细菌细胞壁的结合主要是通过电荷-电荷作用而非特定的膜位靶点结合。该特殊机理也使HDPs具备广谱的抗菌活性。然而，HDPSs一般都是分子量较大（1500‒3000）的天然多肽，难于大量合成、原子经济效益低，且有潜在的免疫和系统毒性，最近许多研究者开始研究能够模拟HDPs功能的小分子化合物。

具有治疗潜力的新型环胍二聚体类抗生素第1张

图 1. 环胍类二聚体结构。图片来源：Chem. Commun.

胍类化合物具有防腐和消毒的功效，最近有研究称环胍类化合物比胍类化合物具有更强的抗菌效果，胍基修饰的山酮类化合物具有类似HDPs的杀菌机理但是只对革兰氏阳性菌有效，结构对称的胍类化合物Brilacidin已经处在临床研究阶段等。基于此，作者设想结构对称的环胍类二聚体亦可模拟HDPs具有广谱杀菌效果。

具有治疗潜力的新型环胍二聚体类抗生素第2张

表1. 化合物1-9的抗菌活性

作者从最简单的天然氨基酸-苯丙氨酸出发，最终得到一系列结构对称的环胍类二聚体。从图1 和表1可见，此类化合物必须具备一定的两亲性结构，且其亲脂性/亲水性的比例必须经过精心调节才能有好的抗菌活性。其中，化合物7和8的体外活性最好，对所测三种革兰氏阳性菌的最小抑制浓度（MIC）都小于或等于0.75 μg/mL，跟阳性对照化合物Daptomycin的体外活性不相上下。更难得的是，7和8的对两种革兰氏阴性菌E. coli 和K. pneumoniae 的MIC也都小于等于1.5 μg/mL，只对P. aeruginosa 的活性略低，但是其MIC也好于绝大多数HDPs模拟物。

为了证明该类化合物具有类似HPDs的作用机制，作者利用荧光显微镜实验来观察加入化合物8之后细菌的变化。如图2 所示，由于细菌细胞壁被破坏进而发生细菌内DNA嵌入，化合物8处理过的细菌用碘化丙啶（PI）显色之后可以看到明显的红色，而不加化合物8的对照组（细菌仍然活着）无红色显示。作者还通过动力学实验发现，这类化合物可以快速杀死细菌。这些结果表明加入化合物8可以快速造成细菌细胞壁破坏进而导致细菌死亡，与HDPs 的作用机制吻合。

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图2. 荧光显微镜实验表明化合物8可致MRSA和E. coli 的细胞壁破坏。图片来源：Chem. Commun.

细菌耐药性是作者考察的又一重要指标。图3表明，化合物8可以在14个连续考察期内MIC没有明显的升高，意味着MRSA和E. coli 对化合物在8不易产生耐药性。作者同时发现，化合物8还可以明显抑制E. coli 产生的生物膜（biofilms），而众所周知，细菌导致的生物膜比细菌更难杀死。最后，作者还考察了化合物7和8的体内实验效果，表明这类化合物可以明显抑制老鼠体内MRSA诱导的细菌感染，具有潜在的药用治疗效果。