微生物药物研究进展与发展趋势

司书毅，姜威，白硕可

微生物药物研究进展与发展趋势

司书毅，姜威，白硕可

微生物药物作为广泛使用的临床药物具有重要的地位，尤其是在抗感染、抗肿瘤、降血脂和抗器官移植排异方面具有不可替代的作用。自 1929年青霉素被发现后，20 世纪 40年代以来，已有上百种抗生素先后用于临床的细菌感染治疗、肿瘤化疗、降血脂以及器官移植抗排异反应。总体上，由于微生物药物特别是抗生素的广泛应用使人类的寿命延长了 15年。广义的微生物药物即由微生物发酵获得的药物现约占全球医药生产产值的 50%。

1 功能基因组学研究为创新微生物药物提供更多的药物靶标

随着人类基因组学和微生物基因组学研究的深入，近期将有 5000 个功能基因或蛋白被认为是潜在的药物靶标，是 20 世纪末已经确定的药物靶点的 10 倍以上[1]，这为微生物新药的筛选与发现奠定了更广阔的基础。微生物药物的药物靶标与病原微生物的基因组学及功能基因组学研究的进展相关。据不完全统计，截止 2009年，世界范围内已有 2500 种以上的病毒，582 种细菌，100 多种真菌的基因组完成测序。以中国深圳华大基因研究院为核心的“协作组”于 2009年8月已经正式启动为期三年的“万种微生物基因组计划”，最近几年将有更多的微生物基因组学及功能基因组学数据面世。与此同时，蛋白基因组学研究正在兴起，2002 – 2005年我国科学家领衔的“人类肝脏蛋白组学计划”，鉴定和发现了一大批有重要功能的蛋白质，构建了大规模的蛋白质数据库；系统测定了一部分人类重大疾病相关的蛋白质结构；全面系统地解析出 108 个独立蛋白质三维结构，发现了一批潜在的药物作用靶标；制备了国际上最大规模的蛋白质单克隆抗体库。日本理化研究所在 2002 –2006年实施了蛋白质 3000 项目，在 5年内，主要利用 X-射线衍射分析和 3D-NMR 分析方法解析了以各种模式微生物为主要来源的近 3000 个蛋白质的三维结构，为解析这些蛋白质的主要功能奠定了基础。

作为病原微生物来讲，功能基因组研究成果为微生物必需基因和致病基因的确定提供了前提。对于一般的病毒来讲，其整个基因组可以编码 10 个左右的蛋白基因，其中有 4 ~ 6 个功能蛋白可作为药物靶标，如再加上特定病毒的细胞辅助蛋白，可有 10 个以上的药物靶标。对于细菌来讲，其基因组要远远多于病毒，一般其基因组大多在 2 ~ 6 Mb之间，其编码的蛋白基因在数千个（如已知结核杆菌 H37Rv 基因组包含 3924 个编码蛋白基因），其微生物特有的必需基因可能数以百计。这些必需基因如果和真核相应的基因同源性小，可以被认为是抗微生物药物的潜在药物靶标[2]。真菌的基因组在2.5 ~ 81.5 Mb，作为真核生物，其许多蛋白是保守的，在生物的进化中被保留下来；另一些蛋白在进化中被放弃了，并代之以新的蛋白基因。通过与人类功能基因的比较，找出真菌必需的和与人类有差异的基因与蛋白，对医疗上重要真菌基因组的分析有可能锁定抗真菌药物靶标。几个致病性真菌的基因组已经被完全测序，因此与人类不存在同源性且为真菌生长所必须的基因的预测成为可能，并且成为研究毒副作用低的杀真菌药物的靶标。如在白色假丝酵母的基因组序列中发现了 228 个基因，这些基因都存在于其他 5 个被测序的真菌基因组中，但在人或鼠的基因组中缺乏同源性。这些基因是利用小分子物质抑制白色假丝酵母的潜在靶标来寻找抗真菌药物的药物靶点[3]。

2 高通量药物筛选在微生物药物早期发现的应用，加速了苗头化合物的获得

从土壤微生物中筛选抗生素，是现代规模化药物筛选的开端。随着高通量筛选技术的发展，利用微生物发酵产物粗提品的药物筛选，由于重复性较差，活性成分纯化的难度大，限制了创新微生物药物筛选的速度和成功率，也使大的制药公司更倾向于利用组合化学制备的大规模化合物库的高通量药物筛选。虽然筛选效率大大提高，但得势不得利，其获得新的化学实体的数量并没有显著提高，而且随着新药标准的提高，新的化学实体反而成下降趋势。因此，天然产物作为创新药物的筛选资源再次受到重视。而微生物次级代谢产物相对于动植物次级代谢产物来讲，具有更易开发利用、不破坏生态环境、可通过发酵大量获得和易于采用生物技术等优点。我国科技部自“九五”期间开始资助支持国内筹建国家新药（微生物）新药筛选实验室，“十五”、“十一五”期间又以筛选平台的形式资助支持微生物药物高效筛选。十年来，我国微生物药物的筛选技术有了长足的进步。在药物筛选微生物资源方面已经建立了近 15 万株的筛选用菌株库和20 万个微生物发酵液提取品库。高通量微生物药物筛选模型已达到 150 种，年筛选量已由“十五”期间的 20 万样次，发展到“十一五”期间的 100 万样次。通过大量的规模化的筛选，已经获得一批药物先导化合物和药物候选物，有些已经进入临床前研究阶段。就微生物药物的筛选规模和水平来讲，我国的创新微生物药物筛选已达到国际先进水平。

3 模式生物学方法是高效获得创新微生物药物先导化合物的有效方法

经典的抗生素筛选是模式微生物学筛选方法，最早并且使用比较多的是驯化敏感菌的方法。随着技术的发展，利用克隆分子靶标建立生化检测的高通量筛选方法已经取得优势。但此方法往往会忽略了在细胞水平的作用，利用分子水平获得的苗头化合物在发展为先导化合物和候选药物时具有更多的淘汰率。因此，重新审视模式微生物的方法，将分子靶与细胞相结合的方法将大大提高苗头化合物的命中率。细胞生物学的研究正是更多地沿用了模式生物的方法，利用相对简单的模式生物来研究细胞生命的结构、功能。如细胞周期与调控的研究，就是采用了酵母菌作为模式生物来研究并获得突破的。创新微生物药物的发现，尤其是抗生素的发现，完全可以利用模式微生物进行规模化筛选，并结合临床耐药菌的检测，使新型抗生素的发现更高效、更可靠。

4 规模化开发利用微生物资源，获得高质量大规模的微生物产物纯品库将有利于创新微生物药物的快速发现

迄今为止，世界范围内曾经获得的具有可靠结构表述的天然微生物次级代谢产物只有 20 000 多个，而直接作为药物或经改造成为临床用药或农用的微生物产物接近 200 个。是所有化合物种类中成药率最高的。但所谓的 20 000 多个微生物次级代谢产物其大部分只是在不同的实验室短暂存在的，大多数化合物只是用于测定了化学结构和单一的抗菌或特定活性后就用完，无法留存下来。如果能有数以千计的微生物产物纯品，对于集中进行多活性的规模化筛选，快速获得微生物药物先导化合物是非常有意义的。随着化学分离手段的进步与发展，以及我国在药物研发经费投入的加大，在我国开展规模化微生物次级代谢产物的分离纯化与鉴别，建立规模化的微生物产物纯品库已经成为可能，而且也十分必要。这是创新微生物药物快速高效发现的必然要求，同时也是人类战胜细菌耐药的战略需求，因为微生物次级代谢产物中蕴藏着抵御烈性微生物和耐药微生物的多样性的高效分子。利用微生物天然化合物资源战胜微生物侵袭与耐药是自然之作，也是人类赖以借用的有力武器。

5 微生物基因组学揭示了微生物次级代谢产物具有广泛的结构多样性和巨大的开发潜力

已知现在可培养并能产生微生物次级代谢产物以供研究的微生物只占所有微生物种类的 2% ~5%。而相关能产生抗生素或有用次级代谢产物产生菌的基因组学研究表明，微生物次级代谢产物的生物合成基因往往成簇存在，一般一株链霉菌的基因组中编码与次级代谢产物生物合成相关的基因簇有 20 多个，而一株丝状真菌的次级代谢产物生物合成基因簇可能有 30 个以上。因此，每株链霉菌或每株丝状真菌产生的次级代谢产物的种类应该以数十计，因为除了有 20 多种生物合成的途径外，还有相互之间的组合，产物的修饰。因此，微生物次级代谢产物本身就是一个多样性的化学结构群。这些次级代谢产物生物合成基因簇决定了微生物可以利用各种原料进行多样性的组合合成多样性的有机分子。而这些分子又注定在调节蛋白活性上具有天赋的功能。因此，有理由相信，微生物次级代谢产物具有很好的成药性并不是巧合，而是具有一定的必然性。

6 微生物药物的再发现及结构改造与优化将提高创新微生物药物发现的效率

随着抗生素在临床的应用，由于微生物固有的耐药机制和不断诱导所产生的耐药性，使许多临床上的抗生素失去疗效。现在临床感染 MSAR、VRE、多药耐药和超级耐药菌不断被报道，各种耐药菌的感染率不断上升，这就迫切需要新的抗生素出现。但实际上，近四十年来，仅有 4 种新的结构骨架抗生素面世，情况并不乐观。由于回报率相对较低，许多大的企业纷纷把注意力转向了生物技术大分子药物如抗体药物等的研发。但是，创新微生物药物的研发仍在不断进行。其中，挖掘已有的微生物活性产物潜力，发现新的活性，对微生物产物进行新的结构修饰不失为一种策略。近年来，各国批准的新微生物药物或正处在临床试验的一批微生物药物，很多都是已有微生物药物的再发现或结构优化产物（表 1）。因此，开展对微生物产物的多活性药物筛选，包括对已有微生物药物新活性的发现及机制研究，也会促进新的微生物药物的产生。

表 1 近 10年来各国批准的新微生物药物

7 展望

进入二十一世纪以来，微生物药物的研究方兴未艾。随着生物医学、微生物基因组学、功能基因组学，蛋白质组学、结构生物学以及生物信息学等学科的发展，更多的药物作用靶点将不断被发现。近年来，国际上在现有微生物药物及其衍生物的进一步开发利用方面，取得了可喜的成绩。近 10年新的化学实体中，有 10% 以上属于微生物药物，但多数属于新的衍生物的开发，如雷帕霉素的两个衍生物用于抗肿瘤药物[4]，多个碳青霉稀类药物的开发，属于对微生物药物硫霉素的改进和发展。与此同时，随着海洋微生物及其他极端环境中微生物资源的开发利用，每年发现新微生物产物的数量在增加，微生物药物的发现也将进入新的阶段。随着我国“十一五”期间，“重大新药创制”和“艾滋病及肝炎等重大传染性疾病防治”两个重大专项的启动与实施，我国对于创新微生物药物的投入有所改善，我国每年新分离的微生物产物达到 200 多个。我国地大物博，环境多样，具有丰富的微生物资源，只有继续深入发掘微生物来源的药物，才能更好地应对各种突发流行性疾病的威胁，为保障人类生命健康作出应有的贡献。

[1]Du HZ, Liu GL, Wang TJ, et al.Progress in the international development of biotechnology medicines.Chin J New Drugs, 2009,18(22):2118-2130.(in Chinese)

杜海洲, 刘桂玲, 王天津, 等.国际新生物技术药开发研究进展.中国新药杂志, 2009, 18(22):2118-2130.

[2]Wang Y, Wang QJ, Liao MY.Application of the technologies of proteomics in drug-induced hepatotoxicity.Chin J New Drugs, 2008,17(04):348-352.(in Chinese)

王莹, 王全军, 廖明阳.蛋白质组学技术在药物肝毒性研究中的应用.中国新药杂志, 2008, 17(04):348-352.

[3]Qian Z.The genone research of the targets in antifungal drugs.(2007-03-05)[2011-03-20].http://www.100md.com/html/DirDu/2007/03/05/39/15/04.htm.

钱震.抗真菌药物靶点的基因组研究.(2007-03-05)[2011-03-20].http://www.100md.com/html/DirDu/2007/03/05/39/15/04.htm.

[4]Li DF, Chen XH.Recent developments of rapamycin analogues.World Clin Drugs, 2010, 31(1):31-34.(in Chinese)

栗东方, 陈秀华.雷帕霉素衍生物的开发进展.世界临床药物,2010, 31(1):31-34.

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2011.02.001

十一五“重大新药创制”国家科技重大专项（2009ZX09302-004、2009ZX09301-003）；十一五国家科技支撑计划（2008BAI64B02）

100050 北京，中国医学科学院医药生物技术研究所

司书毅，Email：sisyimb@hotmail.com

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