临床上长期或者过度使用抗生素会导致细菌发生变异和耐药，一旦细菌产生耐药性，抗生素将无法对抗和杀伤细菌。抗生素耐药性已经成为当前全球面临的最紧迫的医疗问题之一。
早在 2017 年，世卫组织就首次公布了最需要新抗生素的 12 种细菌和细菌家族清单，其中 9 种为革兰氏阴性菌。2020 年，世卫组织再次发布文件指出，由于抗生素领域持续的投资减少和缺乏创新，抗生素研发工作受到影响，现有治疗产品未能明显改变细菌感染，尤其当前很少有产品能够针对最关键的耐药菌——革兰氏阴性菌。
近日，来自杜克大学的研究人员提出了一种新型抗生素——LpxC 抑制剂 LPC-233，通过干扰细菌细胞壁中的脂质合成发挥作用。这是一种快速杀菌抗生素，不受既定耐药机制影响，且在体外试验中可有效杀伤沙门氏菌、假单胞菌和大肠杆菌等多种革兰氏阴性菌临床分离株，这些细菌是导致多种尿路感染的致病原。
论文中提到，这种合成的化合物分子起效快，在动物试验中通过口服、静脉注射或腹部注射等给药方式均发挥疗效，且使细菌出现耐药突变的发生率极低。在一项注射高剂量多重耐药细菌的小鼠试验中，该化合物同样表现出了明显的杀伤效果。
（来源：Science Translational Medicine）
本文的通讯作者是杜克大学生物化学系教授、杜克大学癌症研究所成员 Pei Zhou，第一作者是 Jinshi Zhao。Pei Zhou 实验室专注于阐明蛋白质-蛋白质和蛋白质-配体相互作用的结构、动力学和功能及其在各种细胞过程中的作用。目前的重点研究方向是参与细菌膜生物合成、共转录调控和跨损伤 DNA 合成的酶和蛋白质复合物。
“相比之下，LPC-233 在临床前体外和体内试验中显示出良好的安全性、口服生物利用度以及有效性。这些试验数据进一步支持了开发口服 LpxC 靶向抗生素疗法的可行性。”研究人员说。
01
历时超20年，华人团队合成新型抗生素，可更持久高效杀伤细菌
革兰氏阴性菌具有多层结构的细胞壁，其细胞壁由少量肽聚糖和独有的外膜（脂类含量高）组成。这种特殊的结构导致许多抗生素难以通过革兰氏阴性菌的外膜到达靶点，因此抗革兰氏阴性菌的药物研发难度很大。
其中，脂多糖（LPS）也称为内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁的主要细胞表面分子，沉积在外层膜双分子层的外层小叶，由脂质 A、核心多糖以及 O-抗原组成。革兰氏阴性菌的病原能力通常也与脂多糖层密切相关，脂多糖在人体中可以激发一种先天免疫系统，包括细胞素制造和免疫系统活化等。
脂质 A 的合成对于大多数革兰氏阴性菌外膜的形成至关重要，也被认为是抗生素治疗的靶向目标。阻断革兰氏阴性菌细胞壁中脂质的合成会使细菌变形、溶解进而达到杀菌目的。LpxC 即 UDP-3- O-酰基-N-乙酰葡糖胺脱乙酰酶则是脂质 A 合成途径中的必需酶，以 LpxC 为靶标的抑制剂被视为治疗革兰阴性菌感染的有效策略。
“如果破坏革兰氏阴性菌外膜的合成，细菌就无法生存。我们从这一点出发合成了一种干扰细菌外膜合成的小分子化合物 LPC-233，并验证了这些化合物分子的安全性和有效性。”Pei Zhou 说。
图 | 左为杜克医学院生物化学教授 Pei Zhou，右为杜克大学化学名誉教授 Eric Toone（来源：杜克大学官网）
LPC-233 是一种人工合成、靶向 LpxC 的新型抗生素候选药物分子。事实上，研究已经证明，抑制 LpxC 可以特异性抑制脂质 A 的合成。不过，此前报道的靶向 LpxC 抗生素候选分子由于潜在造成的心血管毒性而受到限制，一定程度上阻碍了 LpxC 抑制剂在临床治疗中的开发。
LPC-233 的关键就在于验证其安全性和有效性。为了满足合成分子 LPC-233 对人体的安全性和有效性，研究团队已经花费了超 20 年时间优化和修饰该化合物分子。据 Pei Zhou 介绍，他已故的同事、前杜克大学生物化学系主任 Christian Raetz 早在几十年前就开始了这项研究，他的整个职业生涯都在持续这项工作。Christian Raetz 在 20 世纪 80 年代提出了这一途径的概念性蓝图，花了 20 多年的时间才确定了细菌细胞壁外膜合成途径中的所有“参与者”。
Christian Raetz 于 1993 年加入杜克大学担任生物化学系主任，此前他在默沙东对于这一途径的研究未能开发出大获成功的临床候选药物。默沙东公司开发出的抗生素有一定的效果，但是只能杀伤大肠杆菌，商业化有限，于是放弃了这种抗生素。
不过 Christian Raetz 并未放弃此项研究工作。2001年，Christian Raetz 将 Pei Zhou 招募到杜克大学研究 LpxC，最初只是从结构生物学角度出发解析 LpxC 的结构，并揭示了一些潜在 LpxC 抑制剂在分子层面的细节。后续，他们与杜克大学化学教授 Eric Toone 合作开始优化化合物，改善化合物的特性，以期开发出更安全、有效的 LpxC 抑制剂。
在这一过程中，LpxC 抑制剂曾遭遇了较大的挫折，首次人体试验由于心血管毒性失败。此后，研究团队的工作重点是探索避免对心血管影响且同时保持疗效的化合物。他们研究了200多款 LpxC 抑制剂，寻求兼具安全性和有效性的分子，最终筛选出了 233 号化合物——LPC-233。
图 | LPC-233 靶向抑制 LpxC（来源：上述论文）
新闻稿中指出，LPC-233 能够脱颖而出的一个巧妙之处在于研究团队在 LpxC 酶上安装一个结合点能够特异性调节 LpxC 酶发挥作用，并以适当的方式选择性抑制脂质合成。该化合物通过两步过程增加该化合物的半衰期，延长在体内发挥作用的时间。具体来说，该化合物与 LpxC 结合后，酶-抑制剂复合物的形状一定程度会发生改变，形成一个更加稳定的复合物。
“在这种更稳定的复合物中的 LpxC 抑制剂在体内的时间会比细菌的寿命长，我们认为这有助于提高效力，因为化合物对酶具有半永久性的影响，由于抑制剂解离过程极其缓慢，酶仍然受到抑制，从而阻止细菌外膜合成，杀伤细菌。”
该研究的合作者对285 种细菌菌株进行了测试，包括一些对已经商业化抗生素具有高度耐药性的菌株。试验结果显示，LPC-233 起效快，可快速杀伤这些菌株，即该分子在 4 小时内将细菌活力降低 100,000 倍。研究团队还发现，该化合物使细菌出现耐药突变的发生率也极低。
值得一提的是，在动物试验中通过口服、静脉注射或腹部注射等给药方式均可发挥疗效。通过口服之后，该化合物可以一直存活到尿路，有望成为对抗顽固性尿路感染（UTI）的重要治疗方式。
该化合物在体内外试验中也均表现出了良好的安全性，在每公斤 100 毫克剂量下，狗体内没有检测到心血管毒性。
02
已成立公司，计划推进临床试验
经过数十年的研发工作，在取得进展之后，Pei Zhou 和 Eric Toone 基于这些研究成果申请了多项专利并已成立了一家初创公司 Valanbio Therapeutics Inc.，计划通过公司将研究工作转化为真正可用于革兰氏阴性菌的治疗方法。
Valanbio Therapeutics 成立于 2015 年，位于北卡罗来纳州，是一家早期抗感染药物公司，正在开发针对革兰氏阴性菌的新型抗生素。2020 年，该公司通过美国小企业创新研究 ( SBIR ) 和小企业技术转让 ( STTR ) 计划获得了1,591,745 美元的种子基金，当时申请计划的项目为“强效 LpxC 抑制剂 LPC-233 作为抗革兰氏阴性病原体的新型抗生素 IND 研究”。该计划主要是为跨技术领域和市场的初创公司和小型企业的多元化投资组合提供资金。
该公司的首席执行官 Clayton Duncan 于 2018 年加入，他是一位经验丰富的金融和生物技术高管，过去 30 年一直担任生物技术行业的首席执行官。他曾是 CRX Medical Inc. 的创始董事长，该公司开发了 Closure Medical（纳斯达克股票代码：CLSR，被强生公司收购）生产的第一款伤口闭合产品。2009 年，Clayton Duncan 领导了一个药物发现团队，专注于治疗革兰氏阴性菌感染的新型强效抗生素的筛选、药物化学和动物研究。从 2009 年底开始，他曾担任 Otologic Pharmaceutics Inc. 的首席执行官，并负责指导 IND 的开展，以实现听力损失领域的安全性研究和 I 期临床试验。
图 | Clayton Duncan （来源：Clayton Duncan 领英动态）
根据新闻稿中的描述，LPC-233 的大规模合成首先由 David Gooden 在杜克大学小分子合成中心完成。杜克大学医学院的 Vance Fowler 和 Joshua Thaden、生物化学 Ziqiang Guan 和 杜克大学 PK/PD 中心 Ivan Spasojevic 帮助进行了体内研究、质谱分析和药代动力学分析。
现阶段，该公司正在寻找合作伙伴将 LPC-233 推进一期临床试验，以评估该化合物在人体中的安全性和有效性。“所有这些研究都是在动物身上进行的，最终我们需要在人体上测试心血管安全性。”
参考资料：
1.https://today.duke.edu/2023/08/synthetic-antibiotic-could-be-effective-against-drug-resistant-superbugs
2.https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adf5668
