Nature：新研究有望发现穿透铜绿假单胞菌外膜的药物
在一项新的研究中，来自美国伊利诺伊大学和瑞士罗氏公司的研究人员报告说，他们找到了一种让抗菌药物穿透铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）几乎坚不可摧的外膜的方法。通过用数百种化合物轰击铜绿假单胞菌，并利用机器学习确定这些分子在其体内积聚的物理和化学特性，他们发现了如何穿透这种细菌的外膜。他们利用这些信息，将以前对铜绿假单胞菌没有活性的抗菌药物转化成了对它有活性的药物。相关研究结果于2023年11月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Porin-independent accumulation in Pseudomonas enables antibiotic discovery”。
论文通讯作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学教授Paul Hergenrother说，“假单胞菌仍然是最难治疗的革兰氏阴性菌感染，一般来说，对革兰氏阴性菌感染的治疗非常具有挑战性。美国食品药品管理局（FDA）已经有 50 多年没有批准过针对革兰氏阴性菌的新型抗生素药物了。”
革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌的细胞壁成分不同。论文第一作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Emily Geddes说，铜绿假单胞菌有一层紧密的外膜，带负电荷。“这使得其他分子很难通过被动扩散的方式穿过。”
Geddes说，铜绿假单胞菌还具有其他防御功能，包括高度特化的使得它能够将特定的营养物带入同时将其他物质拒之门外的孔蛋白（porin）；以及外排泵（efflux pump），将不需要的化合物排出体外。Geddes 说，假单胞菌有 12 种外排泵。“这确实赋予了它的抗药性机制的多样性，而其他一些细菌物种并不具备这一点。”她说，“我们的目标基本上是测试一系列化合物，看看哪些类型的分子能进入这种细菌细胞并留在细胞内，希望能从中学习到一些设计原则。”
Hergenrother 说，早期对铜绿假单胞菌的研究主要集中在抗生素上，测试哪些抗生素可以杀死或削弱这种细菌。
他说，“我们采取了一种不同的方法--测试一系列非抗生素化合物，并追踪哪些化合物在体内积聚。然后，我们利用机器学习来了解这些积聚物的共同化学特征。”
这种方法发现，除其他特征外，表面带正电荷的化合物和氢键供体表面积更大的化合物更容易在铜绿假单胞菌体内积聚。Geddes 说，这些化合物“可以在这种细菌的外膜上形成一个缺口，破坏它的稳定性，让其他物质通过”。
图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06760-8。
一旦知道化合物必须具备哪些特征才能穿透假单胞菌，这些作者就选择通过改造现有的抗生素药物---夫西地酸（fusidic acid, FA）---来测试这些规则，其中夫西地酸用于治疗革兰氏阳性菌感染，但对革兰氏阴性菌没有活性。他们对这种药物进行了改良，构建出它的一种衍生形式，称为FA前体药物（FA prodrug），该衍生形式包含了机器学习练习中发现的特征。
Geddes说，这一实验成功了。她说，“随着正电荷的增加和氢键供体表面积的增加，我们看到假单胞菌中 FA前体药物的累积量也相应增加。通过这些变化，我们发现活性提高了 64 倍。”
Hergenrother 说，“单独使用FA对假单胞菌没有任何活性。因此，能够构建这种FA前体药物是这些规则的有力展示。”
Geddes 说，这种FA前体药物本身很可能不会作为抗假单胞菌感染的候选药物。不过，这项新研究学到的原理将有助于设计新的化合物来对抗这些危险的耐药感染。
