Angew：二甘氨酸修饰显著增强抗生素抗菌效果

来源：CBG资讯

感染性疾病仍然是全世界公共卫生面临的主要威胁之一，其中最具挑战的问题就是多药耐药（multidrug-resistant，MDR）细菌（尤其是MDR革兰氏阴性菌）的出现。而现有的药物开发速度远远跟不上细菌耐药出现的速度，同时临床上可供选择的抗生素的数量也很有限。为了应对这些危机，研究人员一方面在加快开发新的抗生素，另一方面就是开发新策略来增强现有抗生素的疗效和安全性。而研究人员在前期工作中已经发现酯酶的活性影响着D-二肽在癌细胞内的富集。基于此，美国布兰迪斯大学的Xu Bing教授和Susan T. Lovett教授决定探索利用细菌酯酶增加抗生素在革兰氏阴性菌内的滞留，从而增强抗生素的疗效。他们发现将二甘氨酸（diglycine，GG）键合在抗生素上可以显著加速抗生素的胞内水解速度，从而显著增强抗生素的杀菌效果（Scheme 1）。相关研究成果近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/ange.201905230）。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

氯霉素（Chloramphenicol，CL）是一种广谱抗生素，可以抑制革兰氏阴性和革兰氏阳性菌的蛋白生成过程，但是由于骨髓抑制等副作用，其临床应用受限；同时由于它很快被排出体外，因此在静脉注射后难以达到有效的浓度。为了解决这些问题，作者将GG键合在CL琥珀酸衍生物（CLsu）上得到了CLsuGG，同时还合成了只接一个G和三个G的CLsuG和CLsuGGG。通过与大肠杆菌一起培养，作者发现这些物质的抗菌活性不同，其中CLsuGG、CLsuGGG的抗菌活性最强，与CL相当，最低抑制浓度MIC为20 μM；而CLsu和CLsuG的抗菌活性较差，MIC超过200 μM（Figure 1）。这表明CLsuGG是杀菌效果最好的（相比于CLsuGGG需要的质量浓度最低）。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下来，作者研究了酯酶是否可以激活这些前药（Figure 2）。作者将商用的哺乳动物羧酸酯酶（CES）加入到各物质的溶液中，然后比较它们的抗菌活性，结果发现CES对这些物质的抗菌活性影响不大，因此可能是细菌胞内酯酶激活了这些前药。作者又将这些物质与大肠杆菌裂解液和表达CES的肝细胞系裂解液一起孵育，发现胞内酯酶可以在2小时内完全水解CLsuGG，而细胞裂解液可以在0.5 小时内水解CLsuGG，其水解速度与CLsuGGG相当，同时远快于其他衍生物的水解速度。作者通过液质联用（LC-MS）确定了CLsuGG的水解产物是CL，这表明CLsuGG可以在细菌内部快速水解成CL，由于CL水溶性较差，因此可以促进其在细菌内的滞留。为了检测不同的菌内酯酶对CLsuGG水解速度的影响，作者通过基因工程获得了一系列单一酯酶突变的大肠杆菌，发现单一酯酶突变对CLsuGG的抗菌活性无显著影响。作者进一步获得了BioH和YjfP双突变的大肠杆菌，结果发现CLsuGG杀伤这种细菌的能力降低了50%。这表明这两种酶在CLsuGG的水解过程中扮演重要角色。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了研究CLsuGG的毒副作用，作者比较了CL、CLsu和CLsuGG对骨髓基质细胞系HS-5的毒副作用，结果发现CL会降低HS-5的活性，但CLsu和CLsuGG对其活性基本无影响。在肝细胞系HepG2和肾细胞系HEK293上进行的实验结果表明，将GG键合在CL上几乎不会改变CL的细胞毒性，这些结果表明将GG键合在抗生素上可能降低抗生素的副作用。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

最后，作者研究了这种策略是否也可以应用在其他抗生素上（Figure 3）。作者选择了环丙沙星进行试验，结果发现将GG通过琥珀酸键合在环丙沙星及其衍生物上都可以显著增强环丙沙星的抗菌活性，同时降低了其对正常细胞系的毒副作用。 

本文研究表明将GG键合在抗生素的琥珀酸衍生物上可能是一种增强抗生素衍生物胞内水解速度的有效策略，从而显著增强其抗菌效果并降低毒副作用。这种策略也表明将肽键合在药物上可能是一种开发新药的有效策略。