微生物藥物研究進展與發展趨勢

司書毅，姜威，白碩可

微生物藥物研究進展與發展趨勢

司書毅，姜威，白碩可

微生物藥物作為廣泛使用的臨床藥物具有重要的地位，尤其是在抗感染、抗腫瘤、降血脂和抗器官移植排異方面具有不可替代的作用。自 1929年青霉素被發現后，20 世紀 40年代以來，已有上百種抗生素先后用于臨床的細菌感染治療、腫瘤化療、降血脂以及器官移植抗排異反應。總體上，由于微生物藥物特別是抗生素的廣泛應用使人類的壽命延長了 15年。廣義的微生物藥物即由微生物發酵獲得的藥物現約占全球醫藥生產產值的 50%。

1 功能基因組學研究為創新微生物藥物提供更多的藥物靶標

隨著人類基因組學和微生物基因組學研究的深入，近期將有 5000 個功能基因或蛋白被認為是潛在的藥物靶標，是 20 世紀末已經確定的藥物靶點的 10 倍以上[1]，這為微生物新藥的篩選與發現奠定了更廣闊的基礎。微生物藥物的藥物靶標與病原微生物的基因組學及功能基因組學研究的進展相關。據不完全統計，截止 2009年，世界范圍內已有 2500 種以上的病毒，582 種細菌，100 多種真菌的基因組完成測序。以中國深圳華大基因研究院為核心的“協作組”于 2009年8月已經正式啟動為期三年的“萬種微生物基因組計劃”，最近幾年將有更多的微生物基因組學及功能基因組學數據面世。與此同時，蛋白基因組學研究正在興起，2002 – 2005年我國科學家領銜的“人類肝臟蛋白組學計劃”，鑒定和發現了一大批有重要功能的蛋白質，構建了大規模的蛋白質數據庫；系統測定了一部分人類重大疾病相關的蛋白質結構；全面系統地解析出 108 個獨立蛋白質三維結構，發現了一批潛在的藥物作用靶標；制備了國際上最大規模的蛋白質單克隆抗體庫。日本理化研究所在 2002 –2006年實施了蛋白質 3000 項目，在 5年內，主要利用 X-射線衍射分析和 3D-NMR 分析方法解析了以各種模式微生物為主要來源的近 3000 個蛋白質的三維結構，為解析這些蛋白質的主要功能奠定了基礎。

作為病原微生物來講，功能基因組研究成果為微生物必需基因和致病基因的確定提供了前提。對于一般的病毒來講，其整個基因組可以編碼 10 個左右的蛋白基因，其中有 4 ~ 6 個功能蛋白可作為藥物靶標，如再加上特定病毒的細胞輔助蛋白，可有 10 個以上的藥物靶標。對于細菌來講，其基因組要遠遠多于病毒，一般其基因組大多在 2 ~ 6 Mb之間，其編碼的蛋白基因在數千個（如已知結核桿菌 H37Rv 基因組包含 3924 個編碼蛋白基因），其微生物特有的必需基因可能數以百計。這些必需基因如果和真核相應的基因同源性小，可以被認為是抗微生物藥物的潛在藥物靶標[2]。真菌的基因組在2.5 ~ 81.5 Mb，作為真核生物，其許多蛋白是保守的，在生物的進化中被保留下來；另一些蛋白在進化中被放棄了，并代之以新的蛋白基因。通過與人類功能基因的比較，找出真菌必需的和與人類有差異的基因與蛋白，對醫療上重要真菌基因組的分析有可能鎖定抗真菌藥物靶標。幾個致病性真菌的基因組已經被完全測序，因此與人類不存在同源性且為真菌生長所必須的基因的預測成為可能，并且成為研究毒副作用低的殺真菌藥物的靶標。如在白色假絲酵母的基因組序列中發現了 228 個基因，這些基因都存在于其他 5 個被測序的真菌基因組中，但在人或鼠的基因組中缺乏同源性。這些基因是利用小分子物質抑制白色假絲酵母的潛在靶標來尋找抗真菌藥物的藥物靶點[3]。

2 高通量藥物篩選在微生物藥物早期發現的應用，加速了苗頭化合物的獲得

從土壤微生物中篩選抗生素，是現代規模化藥物篩選的開端。隨著高通量篩選技術的發展，利用微生物發酵產物粗提品的藥物篩選，由于重復性較差，活性成分純化的難度大，限制了創新微生物藥物篩選的速度和成功率，也使大的制藥公司更傾向于利用組合化學制備的大規模化合物庫的高通量藥物篩選。雖然篩選效率大大提高，但得勢不得利，其獲得新的化學實體的數量并沒有顯著提高，而且隨著新藥標準的提高，新的化學實體反而成下降趨勢。因此，天然產物作為創新藥物的篩選資源再次受到重視。而微生物次級代謝產物相對于動植物次級代謝產物來講，具有更易開發利用、不破壞生態環境、可通過發酵大量獲得和易于采用生物技術等優點。我國科技部自“九五”期間開始資助支持國內籌建國家新藥（微生物）新藥篩選實驗室，“十五”、“十一五”期間又以篩選平臺的形式資助支持微生物藥物高效篩選。十年來，我國微生物藥物的篩選技術有了長足的進步。在藥物篩選微生物資源方面已經建立了近 15 萬株的篩選用菌株庫和20 萬個微生物發酵液提取品庫。高通量微生物藥物篩選模型已達到 150 種，年篩選量已由“十五”期間的 20 萬樣次，發展到“十一五”期間的 100 萬樣次。通過大量的規模化的篩選，已經獲得一批藥物先導化合物和藥物候選物，有些已經進入臨床前研究階段。就微生物藥物的篩選規模和水平來講，我國的創新微生物藥物篩選已達到國際先進水平。

3 模式生物學方法是高效獲得創新微生物藥物先導化合物的有效方法

經典的抗生素篩選是模式微生物學篩選方法，最早并且使用比較多的是馴化敏感菌的方法。隨著技術的發展，利用克隆分子靶標建立生化檢測的高通量篩選方法已經取得優勢。但此方法往往會忽略了在細胞水平的作用，利用分子水平獲得的苗頭化合物在發展為先導化合物和候選藥物時具有更多的淘汰率。因此，重新審視模式微生物的方法，將分子靶與細胞相結合的方法將大大提高苗頭化合物的命中率。細胞生物學的研究正是更多地沿用了模式生物的方法，利用相對簡單的模式生物來研究細胞生命的結構、功能。如細胞周期與調控的研究，就是采用了酵母菌作為模式生物來研究并獲得突破的。創新微生物藥物的發現，尤其是抗生素的發現，完全可以利用模式微生物進行規模化篩選，并結合臨床耐藥菌的檢測，使新型抗生素的發現更高效、更可靠。

4 規模化開發利用微生物資源，獲得高質量大規模的微生物產物純品庫將有利于創新微生物藥物的快速發現

迄今為止，世界范圍內曾經獲得的具有可靠結構表述的天然微生物次級代謝產物只有 20 000 多個，而直接作為藥物或經改造成為臨床用藥或農用的微生物產物接近 200 個。是所有化合物種類中成藥率最高的。但所謂的 20 000 多個微生物次級代謝產物其大部分只是在不同的實驗室短暫存在的，大多數化合物只是用于測定了化學結構和單一的抗菌或特定活性后就用完，無法留存下來。如果能有數以千計的微生物產物純品，對于集中進行多活性的規模化篩選，快速獲得微生物藥物先導化合物是非常有意義的。隨著化學分離手段的進步與發展，以及我國在藥物研發經費投入的加大，在我國開展規模化微生物次級代謝產物的分離純化與鑒別，建立規模化的微生物產物純品庫已經成為可能，而且也十分必要。這是創新微生物藥物快速高效發現的必然要求，同時也是人類戰勝細菌耐藥的戰略需求，因為微生物次級代謝產物中蘊藏著抵御烈性微生物和耐藥微生物的多樣性的高效分子。利用微生物天然化合物資源戰勝微生物侵襲與耐藥是自然之作，也是人類賴以借用的有力武器。

5 微生物基因組學揭示了微生物次級代謝產物具有廣泛的結構多樣性和巨大的開發潛力

已知現在可培養并能產生微生物次級代謝產物以供研究的微生物只占所有微生物種類的 2% ~5%。而相關能產生抗生素或有用次級代謝產物產生菌的基因組學研究表明，微生物次級代謝產物的生物合成基因往往成簇存在，一般一株鏈霉菌的基因組中編碼與次級代謝產物生物合成相關的基因簇有 20 多個，而一株絲狀真菌的次級代謝產物生物合成基因簇可能有 30 個以上。因此，每株鏈霉菌或每株絲狀真菌產生的次級代謝產物的種類應該以數十計，因為除了有 20 多種生物合成的途徑外，還有相互之間的組合，產物的修飾。因此，微生物次級代謝產物本身就是一個多樣性的化學結構群。這些次級代謝產物生物合成基因簇決定了微生物可以利用各種原料進行多樣性的組合合成多樣性的有機分子。而這些分子又注定在調節蛋白活性上具有天賦的功能。因此，有理由相信，微生物次級代謝產物具有很好的成藥性并不是巧合，而是具有一定的必然性。

6 微生物藥物的再發現及結構改造與優化將提高創新微生物藥物發現的效率

隨著抗生素在臨床的應用，由于微生物固有的耐藥機制和不斷誘導所產生的耐藥性，使許多臨床上的抗生素失去療效。現在臨床感染 MSAR、VRE、多藥耐藥和超級耐藥菌不斷被報道，各種耐藥菌的感染率不斷上升，這就迫切需要新的抗生素出現。但實際上，近四十年來，僅有 4 種新的結構骨架抗生素面世，情況并不樂觀。由于回報率相對較低，許多大的企業紛紛把注意力轉向了生物技術大分子藥物如抗體藥物等的研發。但是，創新微生物藥物的研發仍在不斷進行。其中，挖掘已有的微生物活性產物潛力，發現新的活性，對微生物產物進行新的結構修飾不失為一種策略。近年來，各國批準的新微生物藥物或正處在臨床試驗的一批微生物藥物，很多都是已有微生物藥物的再發現或結構優化產物（表 1）。因此，開展對微生物產物的多活性藥物篩選，包括對已有微生物藥物新活性的發現及機制研究，也會促進新的微生物藥物的產生。

表 1 近 10年來各國批準的新微生物藥物

7 展望

進入二十一世紀以來，微生物藥物的研究方興未艾。隨著生物醫學、微生物基因組學、功能基因組學，蛋白質組學、結構生物學以及生物信息學等學科的發展，更多的藥物作用靶點將不斷被發現。近年來，國際上在現有微生物藥物及其衍生物的進一步開發利用方面，取得了可喜的成績。近 10年新的化學實體中，有 10% 以上屬于微生物藥物，但多數屬于新的衍生物的開發，如雷帕霉素的兩個衍生物用于抗腫瘤藥物[4]，多個碳青霉稀類藥物的開發，屬于對微生物藥物硫霉素的改進和發展。與此同時，隨著海洋微生物及其他極端環境中微生物資源的開發利用，每年發現新微生物產物的數量在增加，微生物藥物的發現也將進入新的階段。隨著我國“十一五”期間，“重大新藥創制”和“艾滋病及肝炎等重大傳染性疾病防治”兩個重大專項的啟動與實施，我國對于創新微生物藥物的投入有所改善，我國每年新分離的微生物產物達到 200 多個。我國地大物博，環境多樣，具有豐富的微生物資源，只有繼續深入發掘微生物來源的藥物，才能更好地應對各種突發流行性疾病的威脅，為保障人類生命健康作出應有的貢獻。

[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, 劉桂玲, 王天津, 等.國際新生物技術藥開發研究進展.中國新藥雜志, 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)

王瑩, 王全軍, 廖明陽.蛋白質組學技術在藥物肝毒性研究中的應用.中國新藥雜志, 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.

錢震.抗真菌藥物靶點的基因組研究.(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)

栗東方, 陳秀華.雷帕霉素衍生物的開發進展.世界臨床藥物,2010, 31(1):31-34.

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

十一五“重大新藥創制”國家科技重大專項（2009ZX09302-004、2009ZX09301-003）；十一五國家科技支撐計劃（2008BAI64B02）

100050 北京，中國醫學科學院醫藥生物技術研究所

司書毅，Email：sisyimb@hotmail.com

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