Nature：新研究有望發現穿透銅綠假單胞菌外膜的藥物

　　在一項新的研究中，來自美國伊利諾伊大學和瑞士羅氏公司的研究人員報告說，他們找到了一種讓抗菌藥物穿透銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）幾乎堅不可摧的外膜的方法。通過用數百種化合物轟擊銅綠假單胞菌，并利用機器學習確定這些分子在其體內積聚的物理和化學特性，他們發現了如何穿透這種細菌的外膜。他們利用這些信息，將以前對銅綠假單胞菌沒有活性的抗菌藥物轉化成了對它有活性的藥物。相關研究結果于2023年11月22日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Porin-independent accumulation in Pseudomonas enables antibiotic discovery”。

　　論文通訊作者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校化學教授Paul Hergenrother說，“假單胞菌仍然是最難治療的革蘭氏陰性菌感染，一般來說，對革蘭氏陰性菌感染的治療非常具有挑戰性。美國食品藥品管理局（FDA）已經有 50 多年沒有批準過針對革蘭氏陰性菌的新型抗生素藥物了。”

　　革蘭氏陰性菌與革蘭氏陽性菌的細胞壁成分不同。論文第一作者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Emily Geddes說，銅綠假單胞菌有一層緊密的外膜，帶負電荷。“這使得其他分子很難通過被動擴散的方式穿過。”

　　Geddes說，銅綠假單胞菌還具有其他防御功能，包括高度特化的使得它能夠將特定的營養物帶入同時將其他物質拒之門外的孔蛋白（porin）；以及外排泵（efflux pump），將不需要的化合物排出體外。Geddes 說，假單胞菌有 12 種外排泵。“這確實賦予了它的抗藥性機制的多樣性，而其他一些細菌物種并不具備這一點。”她說，“我們的目標基本上是測試一系列化合物，看看哪些類型的分子能進入這種細菌細胞并留在細胞內，希望能從中學習到一些設計原則。”

　　Hergenrother 說，早期對銅綠假單胞菌的研究主要集中在抗生素上，測試哪些抗生素可以殺死或削弱這種細菌。

　　他說，“我們采取了一種不同的方法--測試一系列非抗生素化合物，并追蹤哪些化合物在體內積聚。然后，我們利用機器學習來了解這些積聚物的共同化學特征。”

　　這種方法發現，除其他特征外，表面帶正電荷的化合物和氫鍵供體表面積更大的化合物更容易在銅綠假單胞菌體內積聚。Geddes 說，這些化合物“可以在這種細菌的外膜上形成一個缺口，破壞它的穩定性，讓其他物質通過”。

　　圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06760-8。

　　一旦知道化合物必須具備哪些特征才能穿透假單胞菌，這些作者就選擇通過改造現有的抗生素藥物---夫西地酸（fusidic acid, FA）---來測試這些規則，其中夫西地酸用于治療革蘭氏陽性菌感染，但對革蘭氏陰性菌沒有活性。他們對這種藥物進行了改良，構建出它的一種衍生形式，稱為FA前體藥物（FA prodrug），該衍生形式包含了機器學習練習中發現的特征。

　　Geddes說，這一實驗成功了。她說，“隨著正電荷的增加和氫鍵供體表面積的增加，我們看到假單胞菌中 FA前體藥物的累積量也相應增加。通過這些變化，我們發現活性提高了 64 倍。”

　　Hergenrother 說，“單獨使用FA對假單胞菌沒有任何活性。因此，能夠構建這種FA前體藥物是這些規則的有力展示。”

　　Geddes 說，這種FA前體藥物本身很可能不會作為抗假單胞菌感染的候選藥物。不過，這項新研究學到的原理將有助于設計新的化合物來對抗這些危險的耐藥感染。