抗金黄色葡萄球菌感染的新药研究进展

万佳宏， 常佳伟， 王 曈， 王桂琴

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

长期以来，细菌感染性疾病给人类和动物健康带来了巨大的危害，随着抗菌药物的泛用、滥用，日益凸显的细菌耐药性问题给人们带来了更大的困扰。由多重耐药菌引起的感染大大增加，成为引起全世界发病率和死亡率上升的主要原因[1-2]。尽管迫切需要新的抗菌药物，但由于开发新药的成本高、时间长，新抗菌药物的开发十分缓慢，目前使用的大部分抗菌药仍是抗生素类的同源物。金黄色葡萄球菌是一种能感染人和动物的高致病力病原微生物，容易发展为多重耐药的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus，MRSA)，当发生严重感染时，如心内膜炎、骨髓炎、坏死性肺炎和脓毒症等往往增加患者的发病率和死亡率[3]。在过去的几十年里，由于MRSA的出现和迅速传播，金黄色葡萄球菌的感染变得越来越难以治疗。目前，在治疗MRSA感染时，由于万古霉素对革兰阳性菌有确切的疗效且与其他抗生素无交叉耐药性，因此仍是主要的选择药物，但是随着细菌对万古霉素的敏感性逐渐降低，万古霉素的使用受到其各种缺点的限制，如严重的耳毒性、肾毒性[4]，对组织的渗透力差，细菌杀死缓慢等[5]。因此，研究人员需要不断地尝试研发新的抗菌药物来缓解金黄色葡萄球菌耐药性问题，近年来，不断发现的各类抗菌肽、有抗菌作用的植物次生代谢物和独特作用机制的新抗菌药为治疗金黄色葡萄球菌感染的新药研发提供了新的思路。

1 抗菌肽类

抗菌肽(AMPs)是由生物体内特定基因转录翻译生成，是宿主抵抗病原微生物入侵、清除体内变异细胞或致癌物质的一类小分子蛋白。抗菌肽抗菌机理与抗生素不同，不易产生耐药性，在众多抗生素替代品中，抗菌肽分布广泛，有广谱抗菌活性、抗病毒和免疫增强等作用，因此备受关注。抗菌肽主要有三种作用机制。

1.1 针对细菌细胞膜发挥作用

大多数抗菌肽主要通过破坏细胞膜发挥作用，其主要原因是这些抗菌肽的等电点大于7，表现出较强的阳离子特征，而细菌细胞膜含有带负电荷的磷脂，会产生静电吸引高阳离子的抗菌肽。

目前，抗菌肽与细菌细胞膜的具体作用机制仍不清楚。现有的研究提出三种假设模型，①“桶板”模型：肽插入磷脂双分子层，形成桶形结构的离子通道，膜外组分渗入或细胞内容物外泄造成细胞崩解死亡[6-7]。例如已商业化的Alamethicin通过静电作用改变磷脂双分子层的电学性质，引起脂质囊泡融合，通过一系列的作用，在磷脂双分子层形成有内腔的桶状结构，造成细胞质泄漏和电化学势丧失,细胞膜崩解而导致细胞死亡[8]，同类作用模型的抗菌肽还有Dermcidin[9]、Trichogin GA IV[10]、Yeast TRK Proteins[11]等。②“环形孔”模型：抗菌肽与细菌细胞膜结合后，可诱导磷脂层顺着插入部位向内凹陷，使其脂质头部朝外，亲水端藏于内部。磷脂头部与抗菌肽交叉排列，共同组成了一个环形的空腔结构，破坏了细菌细胞膜的完整性，细胞膜功能丧失而导致细菌死亡[12]。如目前已经进入临床试验期的培西加南(Pexiganan)在溶液中是非结构化、可结合到膜上的反向平行两亲性螺旋二聚体，通过形成环形孔破坏细菌细胞膜的形成，从而抑制细菌生长或导致细菌死亡。经过广泛的体外研究确定其对多种细菌表现出抑制作用，包括MRSA[13]，同类作用模型的抗菌肽有Magainins、 PGLa[14]和Melittin[15]等。③“毡毯”模型：在电荷作用下，抗菌肽像毡毯样平行展开并结合在膜表面，疏水侧朝向细胞膜，亲水侧朝向溶液，当积累达到一定浓度阈值时，改变膜的表面张力从而在膜上出现短暂孔洞，最终导致细胞膜的崩解[16]，如天蚕素单体通过静电作用与细菌细胞膜结合，共振能量转移测试显示天蚕素在细胞膜上不会发生聚集但能以单层形式引起囊泡渗透，破坏磷脂双层内的脂质堆积，使细菌细胞膜解体[17]，同类作用模型的抗菌肽还有Aurein 1.2[18]和Indolicidin[19]。

1.2 针对细菌生物被膜发挥作用

抗菌肽可增加细菌生物被膜通透性，抑制细菌生物被膜形成，分解已形成的细菌生物被膜。目前抗菌肽靶向生物被膜的研究越来越多，如羊毛硫细菌素是由细菌核糖体上合成并经翻译后加工修饰而成的一类抗菌肽，可渗透革兰阳性细菌生物被膜而产生抑菌作用。由于羊毛硫细菌素是由核糖体合成其前体，再由修饰酶进行部分氨基酸的修饰才能够分泌和具有生物活性。对羊毛硫细菌素进行修饰、改造能够产生多种形式的羊毛硫细菌素变体，这些变体不仅能够改变抗菌活性，还能够影响抗菌谱。因此，可通过寻找具有高度渗透能力的羊毛硫细菌素变体使它们有效地抵抗生物被膜，从而抑制MRSA[20-22]。Boakes等[23]通过相关研究和动物试验发现衍生自3,5-二氯苄胺与脱氧Actagardine B的C末端酰胺偶联的新型半合成羊毛硫细菌素NVB333，具有抑制MRSA和耐万古霉素肠球菌的功效。NVB333主要通过强大的渗透扩散能力致使细菌死亡，并且与其他抗生素没有交叉耐药性，耐药性发展倾向非常低。迄今为止，羊毛硫细菌素NAI-107[24]、Mu1140[25]已正式通过临床前开发成为临床试验抗菌剂。

1.3 抗菌肽作用于细胞壁、特异性酶、靶向作用于DNA或RNA产生抑菌效果

Ling等[26]新发现的抗菌肽Teixobactin通过与脂质II(肽聚糖前体)和脂质Ⅲ(细胞壁Teichoicacid的前体)高度保守的基序结合，抑制细胞壁合成；Hashizume等[27]通过动物试验及相关研究报道，天然脂肽类抗生素TPPC(tripro peptin C)能够使β-内酰胺类抗生素对MRSA的抗菌活性增强并与其有协同作用，其抗菌机制是抑制β-内酰胺酶产生。定量逆转录聚合酶链反应分析显示，TPPC在单独或与β-内酰胺类抗生素联合治疗时通过减少基因blaZ和mecA的表达来逆转β-内酰胺类抗生素的耐药性，从而达到治疗效果；诺西肽通过与23S rRNA产生特异性甲基化阻碍细菌蛋白质合成，对大部分革兰阳性菌如MRSA，在低浓度时呈抑菌作用，在高浓度时呈杀菌作用[28-29]，且不易产生耐药性。

目前在鉴定新的AMPs的同时，还可以利用计算机及生物信息等技术，人工合成具有抗微生物作用的肽类。为治疗耐药细菌感染，越来越多的科研工作者投入抗菌药物的研发工作，在现有成果及深入研究的基础上，AMPs将成为一种新的抗生素替代物来控制人类病原体。

2 植物次生代谢物

目前已发现大量植物来源的化合物具有抗菌潜力。植物在其正常代谢途径中产生大量次级代谢产物，如精油、生物碱、酚类物质，这些代谢物在保护植物免受微生物感染方面做出了重要贡献，其中大部分在植物的免疫系统中发挥重要作用，显示出抗菌潜力。

在筛选出的生物碱中，吲哚、异喹啉、哌嗪、多胺和喹诺酮均表现出抗微生物作用[30]。近年来，研究人员对异喹啉生物碱类的作用方式进行了广泛地研究。小檗碱是广泛用于治疗微生物感染的异喹啉生物碱，Chu等[31]证明小檗碱以剂量依赖性方式影响MRSA生物被膜形成，苯酚可溶性调节蛋白(PSM)组成MRSA淀粉样纤维参与生物膜形成过程，分子动力学模拟揭示小檗碱通过疏水作用与蛋白酶体PSMα2中苯丙酮酸的苯环结合，从而影响PSMs聚集成淀粉样原纤维来抑制MRSA生物被膜形成，增强抗生素的杀菌活性。

除生物碱外，还有大量精油、酚类化合物及其他植物次生代谢物，如萘醌都对金黄色葡萄球菌表现出抗菌作用。如存在于丁香精油中的麝香草酚、香芹醇与丁香酚等苯丙烷类化合物通过破坏革兰阳性菌的细胞膜发挥抗菌活性，从而对降低细胞膜通透性产生耐药性的耐药菌株产生抑制作用[32]，而且破坏细胞膜可以增加细菌对其他具有生物活性化合物的敏感性；黄酮类洋槐素和杨梅酮等酚类化合物通过插入核酸碱基来抑制核酸合成，从而对MRSA发挥抗菌作用[33]；从白花丹根中提取的植物源萘醌Plumbagin通过抑制金黄色葡萄球菌生物膜的形成发挥抗菌作用[34]。最近发现两种功能DNA的隐藏编码，被称为Duons，其作为氨基酸编码和转录因子识别位点，Duons调控基因的表达，从而改变各种次生代谢产物的表达[35]。因此，可以通过操纵基因以产生更多具有抗微生物活性的植物次生代谢物。

表1 部分具有抑制金黄色葡萄球菌活性的植物次生代谢物及其作用机制

续表1

3 新作用机制的抗菌药物

抗菌药耐药性不可避免地随着每种新药的临床应用而产生，同时耐药病原体的快速繁殖已成为严重问题。传统抗菌药主要是通过抑制细菌细胞壁的合成、与细胞膜相互作用、干扰蛋白质的合成以及抑制核酸的转录和复制等对病原体产生抑制作用，但也容易诱导细菌产生耐药性，使治疗效果不理想。为了减少和避免多重耐药菌的感染，有必要开发具有新作用机制且不易产生耐药性的抗菌药物，如群体感应(Quorum sensing, QS)的干扰信号分子、疫苗以及抗体抗生素结合物等。

QS是细菌通过信号分子的分泌、识别调控基因水平转移、芽胞产生、毒力因子分泌及生物膜形成等群体行为的细胞交流机制，干扰信号分子的分泌、识别，可以阻断QS，实现群体淬灭(Quorum quenching, QQ)[57]。金黄色葡萄球群体感应由辅助基因调节器(Agr)介导，调控 α-、β-和 δ-溶血素、凝固酶以及蛋白A等重要致病因子的产生。多羟基蒽醌ω-hydroxyemodin是一种QS抑制剂，可通过与Agr操纵子编码的反应调节剂AgrA直接结合阻止金黄色葡萄球菌的Agr信号调控，抑制QS，具体表现为抑制毒力因子的表达与限制细菌毒素引起的炎症反应[58]。该机制的优势是将药物作用靶点从细菌生长过程转向感染过程，从而降低细菌耐药性产生的压力。类似作用机制的抗菌药物有地塞米松的一种新型NO释放衍生物ND8008[59]、抗α-毒素单克隆[60]、莫林水合物[61]等。Zhao 等[62]评估了葡萄球菌肠毒素B(SEB)多重B细胞表位疫苗对MRSA感染的功效和免疫机制，通过组合6种SEB免疫优势表位来构建重组MRSA SEB特异性多种B细胞表位疫苗多肽，诱导MRSA的强烈SEB特异性IgG1应答以及Th2同种型应答能力，并且MRSA SEB特异性多种B细胞表位疫苗多肽还能诱导抗血清刺激吞噬细胞杀死MRSA。新型抗体-抗生素结合物(AAC)是由金黄色葡萄球菌抗体与一种高效的抗生素结合而成，在吞噬细胞蛋白溶解环境中释放而激活，可杀死细胞内病原体，且抗体-抗生素结合物治疗菌血症的效果优于万古霉素[63]。

4 展 望

细菌耐药性情况越来越严峻，成为全球公共卫生最严重的挑战之一。在过去的几十年里，很少发现新的抗生素类，改善这种情况需要广泛寻找新的药物，天然的动植物产物已被证明是新抗菌药的重要替代来源 。

在人类历史上，许多植物一直是治疗疾病的良药，例如治疗疟疾的青蒿素[64]，用于抗癌化疗的秋水仙碱[65]，但目前临床上可用的抗生素大多来源于细菌或真菌。近年来，报道植物次级代谢物及其抗菌活性的研究越来越多，但是这些报道大多只研究了特定化合物的分离、纯化以及评估抑制微生物群生长的能力，缺乏对植物次生代谢物的作用机理及临床应用研究。因此，研究植物次生代谢物作为抗菌药物的深层机理及临床应用将成为新药研发的重点之一。此外，抗菌肽作为抗生素的一种潜在替代物，除了抗菌功能外，一些抗菌肽还表现出对特定细胞功能的调节作用。然而，大多数抗菌肽由于易降解或毒性作用在临床前研究或发现阶段就被淘汰了。因此，研发安全和高效的抗菌肽成为一项迫在眉睫的工作。另外，随着科学的发展，新抗菌肽的风险评估也是研究工作重点之一。Zipperer等[66]发现，生长在人类鼻腔中的路邓葡萄球菌会产生一种含噻唑烷的环肽Lugdunin，能防止金黄色葡萄球菌定殖，对多种革兰阳性细菌有较强的抗菌活性，包括MRSA、中度耐药金黄色葡萄球菌和万古霉素耐药肠球菌等。但如果进行风险评估，病原体对从人体本身的防御系统中衍生出来的抗菌药物产生了耐药性，后果可能会比目前更糟糕。不仅对Lugdunin，还有其他从人体或哺乳动物的防御系统中衍生出来的抗菌肽来说，评估其潜在的耐药性发展将面临的风险是必须要进行分析和考虑的。