抗生素开发现状及策略

岳昌武

(延安大学基础医学院，延安市微生物药物创新及转化重点实验室，陕西 延安 716000)

自古以来，疫病就和饥荒、战争一起并称为悬挂在人类头顶的达摩克利斯之剑，严重威胁着人类的生存。人类在和疫病进行艰苦卓绝的战斗中，付出了沉重的代价。疟疾、天花、霍乱、“黑死病”、流感等重大疫病曾夺去数以亿计的人的生命[1]。进入21世纪以来，流感变异病毒株、冠状病毒感染等时有爆发，仅有新冠病毒感染为例，截止到2021年3月中旬，全球有超过1亿2千万人确诊罹患新冠肺炎，其中270多万人被病毒夺去生命，仅美国就有3000多万人确诊感染，死亡逾55万人。疫病贯穿了整个人类发展历史的始终，人类与疫病的斗争一直都没有停止。“一部人类发展的文明史，半部与瘟疫斗争的血泪史”，在长期的抗击瘟疫中，抗感染药物和疫苗的发现与发展无疑是人类抗击疫病的斗争中取得最辉煌成就的代表。自从1938年青霉素成功从实验室转为规模化生产、临床应用以来，科学家们已发现了超过30000个抗生素，在此基础上开发合成、半合成抗生素及结构类似物超过20万个[2]。抗生素的出现挽救了数以亿计的生命，是人类抗疫史上的里程碑式成就。然而，道高一尺、魔高一丈，各种耐药菌和各种高致病性、高突变率的新型病毒的出现，给抗感染药物的开发带来了新的严峻挑战。本文将回顾抗细菌、真菌感染抗生素的曲折发展历史，总结抗生素开发研究面临的严峻现状及其原因，分析抗生素研发的不足并提出开发建议。

1 抗生素的曲折发展史

1.1 抗生素的发现及爆发式增长

人类在对抗疫病过程中积累很多的直观经验，但直到1927年Alexander Fleming发现了可以抑制葡萄球生长的青霉素(penicillin，盘尼西林)，人类才真正进入抗生素时代[3]。此后，通过化学成分分析和结构解析，人们终于知道了天然抗生素主要是放线菌和真菌等微生物以及某些动植物等产生的次级代谢产物[4]。

青霉素出现，掀起了人们寻找抗生素的热潮。Selman Abraham Waksman等通过四十年的努力，先后从灰链霉菌(Streptomycesgriseus)等微生物中发现并合成了链霉素(streptomycin)等20余种抗生素，并发现链霉素可以控制结核病、治疗鼠疫。链霉素的发现极大地振奋了人心，此后，科学家们又从放线菌中陆续发现了数以百计的四环类抗生素，氨基糖苷类抗生素，大环内酯类抗生素，安莎类抗生素和多烯类抗霉菌抗生素[5]。然而，随着抗生素的井喷式发现并大量进入临床，天然抗生素的易耐药菌、过敏反应、毒性较大、活性较低等问题逐渐显现[6]。科学家们通过对天然抗生素进行结构改造或修饰，获得了大量的改性、增效、降过敏、减毒的半合成的由此得到了各种目前在临床上广泛使用的氨苄西林、头孢菌素类抗生素等半合成氨基糖苷类抗生素和乙酰螺旋霉素、罗红霉素、阿奇霉素、克拉霉素等半合成大环内酯类抗生素(见图1)[7]。由此，抗生素的发展进入了黄金时代[8]。

图1 部分链霉菌来源抗生素的作用靶点及机制[7]

1.2 超级耐药菌及后抗生素时代的挑战

正当人们为通过抗生素治疗和免疫接种的成功消灭鼠疫、霍乱、天花三大烈性传染病成为现实并对期望广泛利用抗生素消灭传染病的时候，人们发现耐药菌尤其是对临床上广泛使用的抗生素多药耐药菌(MDR)和广泛耐药菌(XDR)甚至是泛耐药的超级耐药菌(PDR)却不合时宜地出现了[9]。细菌不仅能自行产生抗生素耐药性，还有能力通过各种不同的机制将抗生素耐药性基因传递给其他细菌，使得新抗生素上市后几年内就可能出现各种耐药菌株(见图2)，严重地威胁着人类的生存。世界卫生组织于2017年公布了全球亟待开发新抗生素的12种耐药菌名录(Willyard，2017)，将碳青霉烯类耐药的鲍曼不动杆菌(CRAB)、碳青霉烯类耐药绿脓杆菌(CRPA)、碳青霉烯类耐药肠球菌(CRE)和产广谱β-内酰胺酶肠球菌(ESBLE)列为紧急威胁、极为紧迫亟待开发抗生素的临床病原菌，将甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)、万古霉素耐药金黄色葡萄球菌(VRSA)、万古霉素耐药屎肠球菌(VRE)、克拉霉素耐药幽门螺杆菌(CRHP)、喹诺酮耐药弯曲杆菌、喹诺酮耐药沙门氏菌、喹诺酮耐药淋病奈瑟菌和头孢菌素耐药淋病奈瑟菌等列为严重威胁、十分紧迫亟待开发抗生素耐药菌，将青霉素不敏感肺炎链球菌、氨苄西林耐药流感嗜血杆菌、喹诺酮类耐药志贺氏菌等列为威胁、亟待开发抗生素耐药菌。美国疾病控制和预防中心(美国CDC)发布《抗生素耐药威胁报告(2019年)》(2019AR)又将碳青霉烯类耐药艰难梭菌、碳青霉烯类耐药耳念珠菌列为紧急威胁、极为紧迫亟待开发抗生素的临床病原菌，指出耐药菌问题游走在失控边缘，需高度警惕的“紧急威胁”耐药菌种类在增加。

图2 部分抗生素上市及首次报道耐药时间

1.3 抗生素开发的严峻现状及原因

抗生素耐药菌的出现，使得目前每年全球约有近100万人死于无法用普通抗生素治疗的细菌感染，抗生素耐药性可能会让我们回到一个即使是简单割伤或擦伤都可能致命的“preantibiotic”时代。WHO明确指出，如果不加大抗生素的研发力度，未来10年内，面对耐药菌感染，人类将“无药可医”。JimO’Neill于2016年发表的《Antimicrobial resistance review:government response，全球抗菌药物耐药回顾》估计，如果目前的情况得不到改善，到2050年全球每年将有1000万人死于耐药菌感染[11]。

2014年世界卫生组织发布的抗生素耐药问题报告显示，致病微生物已经对现有的大部分抗生素产生了耐药性，全球正在进入后抗生素时代。2020年WHO发布的《2019年全球卫生估计报告》仍指出目前抗感染药物的需求并未解决[12]。现有的新抗生素开发力度严重滞后于超级耐药菌的产生速度，进入21世纪以来，总共只有36个抗生素成功上市，其中(半)合成抗生素31个，占绝对的主导地位，而直接来源于微生物代谢产物的只有达托霉素和非达霉素。截止到2019年8月，全球仅有42种抗生素药物正在进行临床实验研究，其中包括4种具有抗生素应用潜力的药物、17种可用于治疗G-细菌感染抗生素、11种可用于治疗淋病瑟琳菌艰难梭菌或感染抗生素。约有1/4的抗生素属于新药或具有新的抗菌机制[13]。

造成目前临床上感染治疗“无药可医”的窘境的原因主要有3个方面[14-17]：一是新抗生素研发的周期长、成本高和易耐药使得制药寡头纷纷下马抗生素研发项目或部门，二是技术的瓶颈使得获得新的抗生素越来越难，三是世界范围内(特别是发展中国家)的抗生素滥用局面没有得到根本控制。

要想在全世界范围内控制好耐药菌感染，需要在WHO框架内协调世界各国政府的抗生素耐药监测、监管合作以及政府引导的抗生素新药研发和制药寡头及研究组织的抗生素促进计划。但从现阶段新药上市的情况看，收效不是十分的明显，抗生素尤其是新型抗耐药菌感染抗生素研发任重道远，道阻且长。

2 新抗生素开发策略

有别于20世纪70～80年代抗生素开发的黄金时期以微生物学和天然有机化学研究方法为主的抗生素开发，现阶段抗生素的开发需要在全新的策略指引下，综合运用基础医学、生命科学、组合生物化学、化学生物学以及各种现代组学技术有目的地开发重点菌株才能有效提高新抗生素发现效率，避免走低水平重复发现的老路。

2.1 基于耐药靶点或机制开发新抗生素

概括起来，抗生素耐药的机制主要有5种[18](见图3)。比如借助AdeABC外排泵主动外排功能，能够泵出β-内酰胺类、氨基糖苷类、喹诺酮类、替加环素、氯霉素、甲氧苄啶等抗菌药物。借助于头孢菌素酶(AmpC)、超广谱β-内酰胺酶(ESBL)、B类金属β-内酰胺酶和β-内酰胺环的D组OXA-23酶等细菌获得了水解碳青霉烯类抗生素能力。借助于乙酰化、核苷化和(或)磷酸化修饰酶使得细菌能够抵抗氨基糖苷类抗生素。而通过突变，细菌可产生亲水性抗生素孔蛋白通道、疏水性抗生素脂质介导通管道缺失或突变从而使抗生素不能到达靶部位而耐药。而青霉素结合蛋白(PBP)的突变则使其对抗菌药物的亲和力降低，从而导致细菌对β-内酰胺类抗菌药物耐药。而核糖体突变则可以使链霉素、庆大霉素等作用于核糖体从而影响蛋白合成的抗生素失效。

耐药相关的基因被称为耐药基因组(resistome)，对于这些可遗传的抗生素耐药突变，科学家可以逆向研发，针对这些酶、通道蛋白、突变后的药靶以及生化代谢途径开发抗生素。通过筛选出与这些耐药相关蛋白特异结合的小分子配体类抗生素，诱导其变构而影响其耐药活性的同时应用相应抗生素而联合杀菌。目前，几乎所有上市的新型抗生素均是基于这些“体外形成”的耐药菌的机制研发而成的[19-23]。

图3 抗生素主要耐药机制[18]

2.2 利用经典微生物生理学与遗传操作新技术开发新抗生素

自2002年第一个放线菌天蓝色链霉菌StreptomycescoelicolorA3(2)基因组测序结果公布以后，抗生素挖掘进入了后基因组时代[24]。科学家可以利用分子生物学工具，对微生物基因组进行各种形式的遗传或生理操作(见图4)，概括起来主要有：①添加a因子及其类似物、对菌体次级代谢进行全局性改变的表观遗传操作[25]，②将不同来源参与不同抗生素合成的相关基因进行组合、合成新的抗生素[26-27]，③对途径特异调控的相应调控蛋白操作、激活沉默基因簇的生物合成[28]，④通过代谢工程定向改变体内代谢流、促进特异产物高效合成[29]，⑤将抗生素生物合成基因簇导入特定宿主高效表达或修饰的异源生物合成[30]，⑥在发酵培养阻断突变株时添加某种天然的或化学合成的化合物，参与生物合成以获得新抗生素突变合成[31]，⑦针对核糖体突变的核糖体工程[32]，⑧前体导向的新抗生素合成[33](见图5)，⑨基于微生物生理学的“一个菌株多个产物”的OSMAC策略[34](见图6)。通过综合运用上述策略，科学家们已经挖掘出了多种具有不同生物活性的新型天然产物，极大地丰富了抗生素化合物库，为临床新抗生素开发提供了宝贵的物质基础。

图4 抗生素开发的遗传或生理操作策略

图5 前体导向新抗生素合成策略

图6 基于微生物生理学的OSMAC策略

2.3 独辟蹊径的抗生素研发新策略

大数据时代，科学家们积累的海量的抗生素结构及活性的数据为通过人工智能(AI)技术进行数据挖掘和新药设计提供了重要运算依据，2021年IBM公司利用抗菌肽数据库等网络数据资源，建立一种基于深度学习和分子动力学的结合、可快速发现有效和选择性广谱抗菌药物的“条件潜在(属性)空间采样系统”(Conditional Latent(attribute)Space Sampling，CLaSS)的新型抗菌肽AI计算模型，利用该人工智能系统识别，在48天内开发了两种对Gram+和Gram-分别具有体内外杀菌活性的新型抗菌肽，AI从生物靶点识别，新分子设计，活性预测等方面展现了巨大潜力，这为解决传统的抗生素开发困境提供了新的希望[35]。

普林斯顿大学的研究团队基于模块化合成策略，基于天然链阳菌素A基本支架为出发点，通过添加可互换的分子构建单元，获得了62个链阳菌素A类似物，从中发现了可同时在体内外杀灭Gram+和Gram-，且不会产生耐药性新型化合物SCH-79797及其衍生物Irresistin-16(IRS-16)(见图7)，被誉为“打破百年研究瓶颈”[36]。

很多时候抗生素在野生菌株体内产生量极低，大大地增加了发现和应用新抗生素的难度，我国科学家张立新、向文胜和王为善等科学家提出了“精准动态调控内源三酰甘油(TAGs)提高聚酮产量工程策略”[37]被认为：“这是70年来首次在代谢水平上清晰阐明链霉菌初级代谢到次级代谢的代谢转换机制并进行工程应用”，利用该策略已成功实现了土霉素、杰多霉素等Ⅱ型聚酮的高产菌株的构建。

图7 SCH-79797及其衍生物Irresistin-16(IRS-16)作用机制[36]

在开发新抗生素的同时，科学家们也在现有抗生素的联用即复方抗生素药物开发方面付出了巨大努力，近年来FDA先后快速批准了ceftolozane/三唑巴坦(商品名：zerbaxa)和头孢他啶/阿维巴坦(商品名：avycaz)等两个新的β-内酰胺类抗生素/β-内酰胺酶抑制剂复方抗生素在一定程度上缓解了目前耐药菌无药可用的局面，在今后的一定时期内，老药新用、抗生素联用也可作为抗生素开发的一个重要方向[38-39]。

祖国医学是人类发展史上的璀璨瑰宝，很多古今药方有抗微生物的功效，中药中穿心莲、黄芪、板蓝根等中药含有多种有效成分，能抑制杀灭部分细菌病毒，而且还可多环节地调节免疫，有着不同程度的改善耐药性的功能。中草药对细菌耐药质粒的消除作用研究也一直深受研究者关注。在新抗生素开发困境尚未得到根本缓解的情况上，中医药理论为指导，充分采用现代高科技手段，挖掘祖国医学的资源宝库，研发对病原菌具有显著疗效的现代化中药，必将迎来新的光明[40-41]。

3 结束语

尽管抗生素类药物在临床治疗病原菌感染等重大疾病方面发挥着重要作用，然而，在今后很长的一段时间内，耐药菌感染还将是人类面临的重大威胁，人们发掘新抗生素变得越来越困难，而已知结构的抗生素重复发现的频率却越来越高，新抗生素上市越来越困难。值得庆幸的是，自21世纪以来，得益于系统学、生态学、基因组学、代谢组学、化学表观遗传学以及基因组编辑等技术的巨大进步，科学家们开始反思和改进抗生素研发策略，提出了很多诸如基于分子系统学、代谢组学以及基因组挖掘技术的新抗生素发现策略，也已经开发出像OSMAC、ddATG、CRISPR-BEST[42]、aMSGE[43]等抗生素开发新技术并取得了良好的进展。后抗生素时代，面对超级耐药菌的挑战，研究人员需要从以下三方面研究予以重视：一是继续开展细菌耐药机制和耐药靶点的研究、立足新的耐药机制和耐药靶点开发新抗生素，二是充分利用已有的药物研究成果、立足于大数据和AI新技术开发新抗生素，三是要充分挖掘中国传统医学的资源、在中药抗菌药物或抗生素联用上发力、充分发挥现有药物抗菌潜力。与此同时，WHO/FAO等政府间组织、政府、社会、学界和制药行业需要进一步发挥各自的优势，积极承担更多的责任，才能在抗击耐药菌感染的斗争中取得最终决定性的胜利。