宿主导向抗菌药物的研究进展

刘晓晔，毛畅思，朱 奎

（中国农业大学动物医学院，北京 100193）

1 前言

病原体感染导致的人类死亡逐年上升，仅2017年期间，全球范围内就有超过800万人因为病原体感染而死亡，感染发生率占据世界第一[1]。自上世纪三十年代以来，抗菌药物一直被认为是细菌感染的特效药[2-3]。然而随着抗菌药物的不合理和大规模使用，抗菌药物耐药危机暴发，新药的研发上市速度远赶不上细菌耐药性的产生和扩散速度[4-7]。按照这种趋势，预测到2050年因抗菌药物耐药性而造成的死亡人数将多达1亿人，这将远超过因癌症引发的死亡人数[8]。抗菌药物的过度使用和不合理应用常导致机体局部组织呈现亚抑菌水平抗菌药物分布，亚抑菌浓度抗菌药物压力下甚至能促进多种病原菌在宿主细胞中持留[9]。导致耐药性问题日趋严重的关键是抗菌药物的不合理应用和细菌感染机制不明导致的用药不当，其中受宿主因素影响的细菌抗菌药物耐受行为直接导致抗菌药物治疗策略失效，加重了感染与传播的风险[10-12]。例如，多种病原菌如金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌、蜡样芽孢杆菌、肺炎克雷伯菌、肺炎链球菌以及粪肠球菌等依靠在宿主细胞内持留介导抗菌药物耐受现象的产生[9,13-14]。同时，耐药沙门杆菌在宿主肠道中持留亦可导致耐药基因的传播[15]。由此可见，宿主因素在抗菌治疗中发挥重要作用，新型抗菌药物的研发中宿主因素不容忽视。近年来，以宿主因子为靶点的研究逐渐成为热点，常通过与抗菌药物的联合用药提高疗效。例如，用于治疗消化性溃疡等的质子泵抑制药（proton pump inhibitors，PPIs）的主要功能是抑制胃酸分泌，与阿莫西林、克拉霉素等药物协同治疗幽门螺杆菌感染[16]。此外，通过拮抗泛连接蛋白-1（Pannexin-1）治疗神经炎症和多发性硬化症的丙磺舒（Probenecid）[17]，长期与抗菌药物联用以延长其半衰期，提高青霉素类药物的疗效[18]。与传统直接靶向细菌的抗菌药物相比，以宿主导向的抗菌药物研究仍处于起步阶段。近年来，围绕耐药病原菌控制的核心问题，秉承提高宿主导向的抗菌疗效的宗旨，我们团队开展了一系列基础和应用性研究。提出并丰富“宿主介导抗菌药物耐受性形成”假说[9,13,19-23]，发现新型抗菌先导化合物杆农素（Bacaucin）[24,26]和广谱抗菌增效剂SLAP-S25[27-28]，积极开展益生菌类抗菌替代物[29-30]以及抗菌中药的“减抗替抗”技术研究[31]，构建了靶向缓释的程序性药物递送体系[32]。

宿主导向抗菌药物（host-acting antibacterial drugs，HADs）的研发和治疗策略应立足于宿主，以研究细菌特别是病原菌与抗菌药物之间的发生发展规律为目标，丰富并拓展现阶段抗菌药物的研发范畴，阐明药物在宿主体内的作用机制，为细菌感染的治疗提供理论依据和技术支持[33-34]。宿主导向抗菌药物的研发是当下治疗细菌感染的热点，是解决临床上面临多重耐药菌感染而无药可用窘境的重要途径。本文概述了宿主导向抗菌药物的研究进展，以期为下一代抗菌药物的研发提供新思路。

2 宿主导向的抗菌治疗策略和药物靶点研究进展

目前，关于宿主导向的抗菌治疗策略主要侧重于抗菌机制研究。国内外的科研人员主要从三个方面着手，一是研究干扰细菌和宿主细胞的相互作用；二是阻断细菌在细胞内存活；三是激活先天性免疫系统，调动免疫细胞的杀菌功能[34-36]。这些研究的最终目的都是为了能够更好地开发宿主导向的抗菌药物。但是我们必须明确的是“宿主导向抗菌药物的研发离不开宿主导向的抗菌机制研究”，对抗菌机制的阐明可以更好地发现新的抗菌靶点和揭示抗菌药物的体内抗菌进程。如图1所示，区别于传统抗菌药物的直接抑菌或杀菌作用，宿主导向的抗菌药物原则上主要分为三类，包括减弱病原菌与宿主的相互作用、直接促进以及协助宿主抗菌。宿主导向抗菌药物的研发是基于宿主和病原菌 相互作用的过程。因而，药物靶点的选择也是根据如何阻断病原菌侵袭，如何提高宿主细胞抗性而开展。

图1 宿主导向抗菌药物的治疗策略Fig.1 The therapeutic strategies of host-acting antibacterial drugs

宿主细胞导向抗菌药物通过靶向细菌粘附、入侵、内化、胞内持留，调节细胞代谢、细胞因子和趋化因子以及促进免疫细胞功能等多种途径实现抗菌。

3 减弱病原菌与宿主相互作用的研究策略

3.1 抗细菌粘附治疗策略病原菌粘附定殖在宿主细胞表面是进一步造成宿主感染的首要途径，抗细菌粘附是宿主导向的抗菌治疗策略主要手段之一（图2）。尿路致病性大肠埃希菌（urinary pathogenic Escherichia coli，UPEC）的一类菌毛粘附素FimH可以结合膀胱上的甘露糖粘附在膀胱，导致尿路感染，其中上尿路感染进一步引发肾盂肾炎而下尿路感染可发展为膀胱炎[37]。以蛋白FimH为靶点，选取有效的拮抗剂成为了抗粘附治疗策略的主要手段[38]。例如，甘露糖类衍生物的拮抗剂，可直接作用FimH与宿主甘露糖类的结合从而到达解粘附作用。此外，针对UPEC的F17样菌毛粘附素获得一种FimH高亲和力的抑制性甘露糖苷（M4284）配体，该药物可在肠道中靶向UPEC，减少菌株在肠道定殖而不影响肠道菌群结构，从而达到治疗UPEC导致的尿路感染的目的[39]。因此，拮抗细菌粘附宿主的治疗策略可以成为宿主导向的抗菌药物研发手段之一。

3.2 阻断细菌入侵和内化的研究策略病原菌入侵宿主细胞和病原菌的内化均有助于细菌躲避宿主免疫细胞和抗菌药物的作用。病原菌分泌的毒力因子可以促进其入侵，如金黄色葡萄球菌的溶血素（α-hemolysin，α-toxin）[40]、李斯特菌的溶血素（listeriolysin O，LLO）[41]以及蜡样芽孢杆菌肠毒素（non-hemolysin enterotoxin，Nhe）[13]等都能促进病原菌的入侵和内化。这一类毒素均属于穿孔类毒素（pore forming toxins，PFTs），前两者属于β-PFT家族，后者属于α-PFT。目前，以阻断促进病原菌入侵的细菌毒力因子为靶点的抗菌药物研发包括小分子抑制剂和抗体，在抗菌药物耐药性危机的大背景下受到越来越多的关注。例如，能降低这类毒素毒性的中和性单克隆抗体（monoclonal antibodies，mAbs），可以归纳为针对关键病原体表达的特异性抗原的单抗疗法（mAb therapeutics）。这类疗法不仅可以阻断细菌入侵和内化，而且可以防止细菌毒素带来的宿主细胞损伤，如蜡样芽孢杆菌Nhe毒素也会诱导宿主细胞的程序性死亡[42]，金黄色葡萄球菌α-toxin结合其靶细胞上的受体ADAM10则会导致宿主细胞膜损伤[43]。值得庆幸的是，两种抗α-toxin的单克隆抗体MEDI4982/Medimmune和AR301/Aridis早已在2016年前就进入临床试验[44]。基于单克隆抗体疗法的宿主导向的治疗策略也推动了中和性抗体更好的应用，如2015年提出了抗体抗菌药物连用的新药（Antibody-Antibiotic conjugate， AAC），用来消除胞内金黄色葡萄球菌[45]。除此之外，许多病原菌的PFTs单克隆抗体都已经面世，例如蜡样芽胞杆菌肠毒素Nhe中NheB组分的单克隆抗体mAb 1E11，这些毒素的中和性抗体有可能作为阻断细菌入侵和内化的宿主导向的抗菌药物研发的候选药物。

4 直接促进宿主抗菌治疗策略

4.1 促进宿主细胞自噬作用宿主细胞抵抗入侵的病原菌会启动一系列细胞应答如细胞自噬（autophagy），因而促进宿主细胞自噬是抑制或消灭胞内菌的重要途径之一[46-47]。然而事与愿违，许多病原菌可以通过劫持细胞自噬来促进胞内持留[48-50]。不同病原菌劫持自噬的阶段各不相同，有些是阻断自噬的发生，有些是阻断自噬后期的降解[50]，其中阻断溶酶体和自噬体融合过程，改变自噬溶酶体的酸性环境从而保障胞内细菌的存活是细菌最常用的策略[51]。雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）激酶在自噬反应中起着重要的调节作用[52]，mTOR（Akt和MAPK信号通路）被mTOR激酶激活后，自噬反应被抑制；若mTOR未被激酶抑制，则自噬反应启动。因此，外源性加入雷帕霉素（Rapamycin）后可以结合mTOR蛋白，促进细胞自噬。然而雷帕霉素的毒副作用很多，并不是理想的宿主导向抗菌药物，更多靶向自噬激活的抗菌药物研发还需要进一步完善。如表1所示，其他一些候选药物如吉非替尼、维生素D、二甲双胍以及他汀类药物等都具有促进自噬的作用[27]。因此，以促进自噬为靶向的抗菌药物研发不仅可以从自噬过程中挖掘更多的药物靶点，也可通过药物结构改造减弱药物的不良反应，提高成药性。

表1 宿主导向抗菌药物的分类Table 1 Classification of host-acting antibacterial drugs

4.2 宿主抗菌肽的研究进展宿主细胞分泌的防御素（defensin），是一类具有抗菌作用的富含二硫键的阳离子型多肽类物质，其中短阳离子两亲性肽作为自然界的抗菌药物几乎在各种生命形式中均有存在，还可通过多种机制调节免疫应答产生更为重要的生物学意义。在哺乳动物中，这些肽在生理条件下通常具有较弱的抗菌活性，称之为抗菌肽（antimicrobial peptide，AMP）[53]。抗菌肽本身具有许多成功的抗感染疗法特征，即快速作用和广谱抗菌活性，这两种功能都是先天免疫过程不可或缺的一部分。此外，阳离子肽被认为是新一代的抗菌药物以及先天性免疫调节剂。人源抗菌肽LL-37除了具备抗菌能力外，还可以增加肺上皮细胞刚度，减少跨上皮的渗透率，减少铜绿假单胞菌跨过上皮防线而阻止入侵[54]。尽管目前只有少数新一代阳离子抗菌肽推进到3期临床，但是其广谱的抗感染作用依旧引人入胜。因此，靶向促进抗菌肽分泌的宿主导向抗菌药物研发仍然具有广阔的空间。

5 协助宿主抗菌的治疗策略

5.1 促进细胞存活和调动宿主细胞代谢在宿主细胞和病原菌的博弈中，宿主细胞的代谢重编程无疑是宿主细胞防御机制的重要途径，也为调节宿主代谢的抗菌药物研发提供了新思路。病原菌、毒力因子及其致炎因子等可以不同程度地诱导宿主细胞死亡，包括程序性死亡，即程序性凋亡（apoptosis）、坏死性凋亡（necroptosis）、细胞焦亡（pyroptosis）、细胞铁死亡（ferroptosis）、细胞套亡（etnosis）等[48-53]。病原菌诱导的宿主细胞死亡会不同程度地诱导慢性炎症，不仅有助于阻断细胞死亡，还有助于促进宿主对病原菌的清除。常见的细胞死亡抑制剂为半胱氨酸蛋白酶（caspase）家族抑制剂[61-63]，其中舒尼替尼及其衍生物可通过抑制caspase-3、双亮氨酸拉链激酶（dual leucine zipper kinase，DLK）和亮氨酸拉链激酶（leucine zipper kinase，LZK）通路来阻断细胞凋亡[64]。然而，细胞死亡抑制剂类药物包括caspase抑制剂应用于临床抗感染仍然任重而道远，可以通过结构修饰来开发新型的低毒性和提高疗效的肽类和非肽类caspase抑制剂，以及使用先进的药物给药系统如脂质体、聚合物和纳米颗粒来改善经典半胱天酶抑制剂不良的药代动力学特性。此外，近期研究还发现消皮素D（gasdermin D）具有可以阻断细胞焦亡的成孔能力[65]。

病原菌侵染宿主细胞过程中会导致宿主细胞代谢调控的改变，而药物治疗过程中也会进一步改变宿主的代谢功能[66-67]。以调控宿主细胞代谢为导向来控制细菌感染和寻找抗感染药物是宿主导向的抗菌治疗的重要策略之一。如图2所示，宿主细胞代谢的能量工厂线粒体在调控宿主代谢中至关重要，减弱线粒体损伤的药物研发是调控宿主代谢的主要研究内容之一。许多病原菌及其毒力因子特异性抑制线粒体功能[68-69]，继而影响宿主脂质代谢、糖酵解、三羧酸循环等，限制宿主细胞的营养成分利用[1,33,70-71]。这类通过调控宿主代谢的抗菌药物研发还需要针对具体的机制继续进行深度挖掘其潜在药物靶点，从而为候选活性分子群的发现奠定基础。

图2 宿主导向抗菌药物靶向细菌细胞互作Fig.2 Host-acting antibacterial drugs targeting host-bacterial interactions

5.2 促进细胞因子和趋化因子分泌宿主导向抗菌治疗最重要的疗法之一就是通过调控细胞因子和趋化因子分泌的免疫刺激疗法。病原菌侵染宿主过程中会抑制宿主免疫功能，不能激活免疫细胞。免疫刺激疗法主要是通过对免疫细胞的低频刺激来加强宿主先天免疫，提高对病原体清除的敏感性[33]，调节细胞因子和趋化因子促进免疫细胞募集。例如，白细胞介素8（IL-8）的分泌可以促进中性粒细胞募集到感染部位[72]。同时，促进免疫细胞的杀菌功能，主要包括促进免疫细胞吞噬杀菌作用和细胞外杀菌功能。胞内杀菌主要依靠于胞内颗粒蛋白酶的杀菌作用；而细胞外杀菌，如中性粒细胞在濒临死亡之际可以形成以DNA骨架为原料的胞外诱捕网（neutrophil extracellular traps，NETs）来捕杀病原菌[73]。NETs的来源主要为细胞核和线粒体，可以诱捕病原菌，最终利用网上的蛋白酶来进一步降解细菌。因此，促进中性粒细胞NETs分泌也可以作为宿主导向抗菌药物的潜在靶点。

6 讨论与展望

宿主导向抗菌药物研发面临的困难主要有三点：一是抗菌机制和药理作用机制不清，二是候选药物靶点研究不明，三是需要克服临床转化的障碍。未来的解决途径除了要继续深入研究抗菌药物的抗菌机制，还应该更加关注宿主细胞、病原菌、抗菌药物和宿主体内微环境之间的相互作用规律，明确抗菌药物的多靶点效应，基于靶点发现潜在候选药物。同时，应注重后期抗菌药物的结构改造，合理设计低毒性、高适应性、高靶向性和高利用度的分子结构。为提高药物的临床转化率，不仅可以从候选药物筛选着手，还应该优化给药途径，建立程序性给药体系和药物靶向缓释体系等。

宿主导向的抗菌治疗策略与中医辩证论治思想中的“扶正祛邪”的理念一致。中医理论要求不仅能调动宿主机体机能，还能实现祛除病原的目的。细菌感染被中医称为“瘴气”，归为“热证”，多用清热凉血药物。实际上，现代药理技术手段可更好地研究中药复方和中药有效成分。例如，使用现代药学研究方法揭示了中药复方黄连解毒汤中黄酮苷类有效成分与小檗碱在水溶液中自组装形成球形和线形超分子的不同抗菌抗生物膜机制[81]，发现人参皂苷Rg3的纳米粒耦连可以提高生物利用度[82]。

综上，以宿主导向抗菌药物的研发是抗菌药物研究的新热点，未来可期。希望通过我们的共同努力能够早日获得经得起临床检验的宿主导向抗菌药物，为治疗耐药病原菌感染贡献力量。