Science advances：拟肽抗生素破坏耐药肠杆菌科脂多糖转运桥

原文题目：Peptidomimetic antibiotics disrupt the lipopolysaccharide transport bridge of drug-resistant Enterobacteriaceae

通讯作者：OLIVER ZERBE

隶属单位：苏黎世大学

DOI：10.1126/sciadv.adg368

2019年，全世界估计有5万人死于抗微生物药物耐药性。世界卫生组织重点 1 级病原体（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、肺炎链球菌、鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌）占抗生素耐药性感染的大多数。因此，迫切需要补充标准护理（SoC）抗生素库，为AMR细菌感染带来新的解决方案，特别是针对导致难以治疗的院内感染的耐碳青霉烯类肠杆菌科（CRE）。

减少AMR生物威胁的一种方法是开发针对新靶点的抗生素。最近，天然存在的肽被提出来干扰构成脂多糖（LPS）运输（Lpt）机制或β桶组装机制的蛋白质的功能，并且代表未开发的目标来源。LPS转运到细菌外膜是通过七种蛋白质的系统完成的，称为Lpt蛋白A到G。周质蛋白桥由一个或多个分别锚定在内膜和外膜的LptC和LptD上的LptA分子组成。脂质A生物合成和LPS转运的失调导致内膜致命的LPS积累。

他那汀是从半翅目昆虫Podisus maculiventris的肠道中分离出的18个氨基酸的防御肽，具有广谱抗菌活性。最近的作用机制研究表明，他那丁与LPS结合，并且与周质蛋白LptA和LptD。研究人员假设thanatin主要作为介导Lpt桥组装的蛋白质 - 蛋白质相互作用的竞争性抑制剂，从而抑制LPS跨周质的转运。然而，他那丁不是进一步开发的合适候选药物，因为药物样性质差，耐药性迅速出现。

图 3.MD模拟中与LptAm（绿色）结合的thanatin（黄色）和与LptAm结合的化合物7（棕色）的能量最小化平均结构Q62L（蓝色）。

在这里，研究人员介绍了经过大量药物化学努力后发现的thanatin衍生的合成大环肽。新型先导候选药物在体外和小鼠感染模型中显示出对CRE的有效抗菌活性，良好的吸收，分布，代谢和排泄（ADME）以及良好的安全性。与 SoC 抗生素相比，它们对多重耐药 （MDR） 和广泛耐药 （XDR） 肠杆菌科也具有活性，并且选择耐药的倾向较低。此外，研究人员表明这些新型抗生素在低纳摩尔范围内与LptA和LptA的突变体结合，赋予他汀抗性。这些观察结果提供了Lpt蛋白桥断裂的直接生物物理证据，并验证了这种大分子结构作为解决AMR的可行抗生素靶标。

围绕thanatin分子支架进行全面的药物化学工作，将经典表型与结构引导优化相结合，产生了一个有前途的先导系列，开创了一类新型革兰氏阴性抗生素。先导化合物7对MDR和XDR肠杆菌科（包括碳青霉烯酶和粘菌素耐药菌株）具有杀菌作用，因此可能解决临床中当前SoC抗生素抗菌谱中观察到的关键局限性。7 的强效体外活性和优化的药物样 ADME 和药代动力学 （PK） 特性在各种小鼠感染模型中转化为有效的抗菌体内活性。详细的机理研究确定了LptA-LptA和LptA-LptC相互作用的竞争性破坏作为他那丁类似物的作用机制。这项工作进一步验证了细菌Lpt机制，更具体地说，其周质成分，作为开发新型抗生素的有前途和可成药的靶点。

对临床使用的抗生素的耐药性通常与脱靶效应有关，例如外排泵的上调或体内药物修饰。相比之下，对不同的抗性菌株的全基因组测序证实了LptA的靶向修饰是大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的主要耐药决定因素。在LptA突变中，Q62L是最常见的突变，它赋予了对thanatin的显着抵抗力。LptAm的核磁共振结构Q62L-7复合物表明，Q62L突变诱导LptA的N末端部分的构象变化，导致与thanatin的接触中断，从而降低其对LptA的亲和力，从而降低其抗菌活性。他那丁的大分子足迹使研究人员能够通过加强化合物与LptA在LptA-LptA/LptC界面主要结合位点的相互作用来修饰肽序列以限制这种亲和力的丧失。同时，对结合非必需的残基进行修饰，以达到有利的安全性和药代动力学特性。基于结构的分子设计，结合针对一组 LptA 的筛选Q62L克隆帮助研究人员鉴定了具有增强抗菌活性和降低FO的化合物5、6和7。提高对LptA的抗菌活性Q62L突变体通常与LptAm的更紧密结合相关Q62L.然而，仍然存在例外，表明膜渗透，周质稳定性或与LptD结合（19）等其他因素很可能也得到了优化，并将成为未来研究的主题。

研究人员的大环肽的抗菌活性谱与大肠杆菌LptA的序列同一性有关。这表明肽序列的病原体特异性修饰以靶向其他重要的革兰氏阴性细菌的LptA可能是可以实现的。这些新抗生素的体外和体内特征具有吸引力，加上它们新的作用机制，显示出对标准护理抗生素的交叉耐药性，可以为临床医生提供额外的治疗选择来对抗AMR，无论是与SoC联合使用还是作为独立抗生素。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg3683#sec-3

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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