港大团队开发双重特洛伊木马金属-铁霉素复合物



香港 - Media OutReach - 2023 年 9 月 22 日 - 抗生素的发展是一场与耐药性演变追逐的永恒竞赛。 科学家不懈地采用各种方法对付这些超级细菌,然而仍然是面对同一的挑战。 可幸的是,超级细菌跟一般细菌都有一个共同的弱点 — 它们必须以吸收铁质维持生命。 铁对于细菌来说就像是它们的食物 — 无论是进行DNA复制、供应基本营养物质或发挥其他重要功能,都须要利用铁质来达成。

港大化学系讲座教授孙红哲(左二)及其研究团队。
港大化学系讲座教授孙红哲(左二)及其研究团队。

有见及此,港大化学系孙红哲教授领导的研究团队开发了一种名为"双重特洛伊木马"的策略,将一种金属类药物与一种结构与铁质相似的抗生素"铁霉素"共同运用,在"乔装"成铁质后通过细菌摄取铁质的途径,将抗生素"偷运"到细菌细胞之中。

此策略已经成功运用在活体小鼠模型中,不仅增强了铁霉素的效力,还延长了其药效,为对抗超级病菌的临牀治疗带来了曙光。 这项研究结果已经在国际著名学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上发表。

孙红哲教授表示:"近年来,我们严重缺乏新型抗生素,而由超级细菌等引起的感染可能会导致另一场疫症的爆发。 有见及此,我们设计了一种'双重特洛伊木马'策略,旨在恢复头孢地尔(Cefiderocol)等铁霉素类型抗生素的活性,希望能够为对抗细菌耐药性提供新的解决方案。"

金属-铁霉素复合物 对付抗生素耐药性的双重策略

抗生素耐药性(Antimicrobial resistance ,AMR)细菌感染已成为威胁全球人类健康的严重问题。 过度使用抗生素助长细菌的耐药性变异,让几乎所有临床使用的抗生素在不同菌株中都表现出耐药性,当中尤其以革兰氏阴性菌(Gram-negative bacterial)感染为最难治疗的感染之一,这是碍于其复杂的结构所导致。 例如,属于革兰氏阴性菌的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)对常规抗生素表现出高度的抗药性,其中一个原因是跟其细菌外膜的有限渗透性有关。 由于其外膜是由脂多醣组成,具有较高的抗生素渗透性限制,这种结构使得许多抗生素难以通过外膜进入细菌细胞,限制了抗生素的杀菌效果。 此外,铜绿假单胞菌还可以通过"外流泵"这种特殊蛋白质的表达来将抗生素快速排出细菌细胞。 这些外流泵能够识别和结合抗生素分子,将其推出细胞,从而降低抗生素在细菌中的浓度,进而减弱了药物的作用。 以上因素均阻碍了细菌接触抗生素的靶点。

革兰氏阴性细菌引发的各种感染通常会影响呼吸系统,引起肺炎或肺部感染,以及造成尿道感染。 此外,它们还可能导致皮肤和软组织感染、败血症,以及伤口或手术部位的感染等等。 在严重的情况下,细菌的抗药性对治疗这些感染造成相当的困难。 因此,实有迫切需要开发新型抗生素,以增强或延长现有临床抗生素的抗菌活性。

铁霉素(Sideromycin)是一种新型抗生素,由于其母体抗生素包含一种结构类似铁的铁载体分子,因而能通过细菌吸收铁的运输途径进入细菌细胞内; 而头孢地尔(Cefiderocol (FetrojaÒ))就是一种在2019年时获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于临床治疗的新型铁霉素类抗生素。

头孢地尔含有一种名为儿茶酚(Catechol)的成份,其抗菌活性在缺铁条件下会得到提升,这是因为儿茶酚可以作为铁载体被铜绿假单胞菌识别并主动摄取,因而促进了头孢地尔的摄取,提高了其抗菌活性。 可是,在仅仅数年间,头孢地尔耐药的细菌菌株就出现了,例如碳青霉烯类大肠杆菌菌株、鲍曼不动杆菌菌株和铜绿假单胞菌菌株。 头孢地尔耐药性与β-内酰胺酶(β-lactamases)的产生、铁载体受体突变、外排泵(Efflux Pump)的表达,以及这些机制的组合有关。

金属化合物多年来一直被用作抗菌剂,其多靶点的作用模式可干扰细菌内多个生物通道,因此,其发生耐药性的频率较低。 其中一种金属化合物铋(Bi3+)化合物柠檬酸铋(Bismuth Citrate)具有抑制金属-β-内酰胺酶(metallo-β-lactamase)能力,而这种酶是一类与抗生素耐药性有关的酵素,因此「 柠檬酸铋」对多重耐药菌株表现出抗菌能力。 此外,镓(Ga3+)会通过破坏铁(Fe3+)的吸收系统和铊离子稳态来提供抗菌活性。

有趣的是,儿茶酚铁载体不仅与铁(Fe3+)表现出极高的亲和力,同时也与Bi3+和Ga3+表现出相对较高的亲和力,表现出与Fe3+相似的化学性质。 此前也有研究指出,这些儿茶酚金属络合物可以通过模仿儿茶酚铁络合物来破坏细胞内Fe3+的摄取,打破细胞内铁稳态,干扰重要的铁功能。 因此,在该研究中研究团队提出双重「特洛伊木马」策略,即通过铁载体受体同时运输铁霉素和金属离子,以此提高铁霉素的抗菌活性。

主要发现

在这项研究中,研究团队证明了一种铋剂药物(胶体柠檬酸铋)可以增强头孢地尔在体外(试管实验)和体内(动物实验)对抗铜绿假单胞菌的效力,增强了头孢地尔对细菌生物膜的抑制作用,降低了细菌对头孢地尔产生高耐药性的机会,并恢复头孢地尔对耐药铜绿假单胞菌(包括临床分离株)的功效。 这种现象可以归因于
Bi3+与Fe3+之间的竞争,导致铁(Fe3+)的吸收减少,抗菌剂Bi3+或Ga3+的吸收增加,以此破坏细菌膜的完整性, 从而同时增加了抗菌素的渗透性。

团队已经透过运用分析技术紫外线-可见分光光谱和质谱确认了铋与头孢地尔之间的相互作用,在试管实验中形成了铋-头孢地尔的1:1配合物。 金属铁霉素不仅可以提高铁霉素的抗菌活性,而且可以延长该类抗菌素的药效。 团队已在动物研究上进一步验证了该策略的有效性。 研究团队已经为这项发现提交了专利申请。

关于研究团队

本研究由港大理学院化学系孙红哲教授和李洪艳博士带领:同属化学系的博士研究生王晨媛及夏玉山博士为本研究的共同第一作者。 其他参与这项研究的成员包括化学系的蔡显辉博士、王润铭博士(现任清华大学深圳研究院助理教授)、博士研究生李净儒、博士研究生陈振龙,以及港大李嘉诚医学院微生物学系高一村教授和港大感染及传染病中心总监何柏良医生。 特此鸣谢香港研究资助局和香港卫生局健康及医学研究基金,以及港大叶志成范港喜基金对本研究的大力支持。

关于孙红哲教授

孙红哲教授是港大叶志成范港喜基金教授(生物无机化学)及化学系讲座教授。 他的研究重点包括金属蛋白质组学、药物化学(抗菌剂的发现)和生物化学。 孙教授在克服对超级细菌的抗菌素耐药性、开发抗冠状病毒药物和金属生物学等领域,已发表多个备受肯定的研究成果。

更多有关孙教授的资料,可参看以下网址:https://www.bioinorg-chem.hku.hk

研究论文可见于:https://www.nature.com/articles/s41467-023-40828-3
图片下载及说明:https://www.scifac.hku.hk/news



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SOURCE:

香港大学

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Education

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PUBLISHED ON:

22 Sep 2023

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