信息菌素一種新型蛋白類抗生素教學(xué)課件醫(yī)學(xué)

1、信 息 菌 素 一種新型蛋白類抗生素現(xiàn)用抗生素問世 70 余年來，拯救了無數(shù)生命，有效的延長了人類的平均壽命。然而，由于現(xiàn)用抗生素多是真菌和放線菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物，殺菌方式多系抑制或阻斷細(xì)菌的某種生化代謝途徑中的一步，細(xì)菌很容易經(jīng)過基因突變的方式來改變被抗生素阻斷的步驟，從而使抗生素失效，甚至干脆用酶將抗生素失活。經(jīng)過 70 余年的應(yīng)用，現(xiàn)用抗生素已經(jīng)“殺滅”了大部分“易感”菌株，而存活下來的都是“耐藥”菌株，因此現(xiàn)用抗生素將很快對(duì)細(xì)菌失去作用。我們迫在眉睫的任務(wù)，是趕快尋找抗菌機(jī)制和作用與現(xiàn)用抗生素完全不同的新型抗生物質(zhì)。自然界存在著很多種抗菌體系，其中研究的較為透徹的抗菌體系，是細(xì)菌素。已知

2、大約 90% 的細(xì)菌分泌細(xì)菌素。細(xì)菌素是一類蛋白質(zhì)，它們的生物活性是殺滅同種異株的細(xì)菌，從而讓分泌細(xì)菌素的菌株繁衍下去。細(xì)菌素的典型代表，是大腸桿菌分泌的大腸菌素 (Colicin)?，F(xiàn)在已知的大腸菌素有 20 余種。其中 E1 族大腸菌素的作用機(jī)制, 是在靶細(xì)菌膜上形成一個(gè)致死性離子通道，讓細(xì)菌內(nèi)容物在數(shù)分鐘內(nèi)泄露，造成細(xì)菌衰竭、死亡。這是一種與現(xiàn)用抗生素工作機(jī)制完全不同的物理工作機(jī)制。（物理互動(dòng)過程）這個(gè)殺菌機(jī)制已經(jīng)成功的工作了十?dāng)?shù)億年。 大腸菌素（colicin）是大腸桿菌（Escherichia. coli）分泌的一類細(xì)菌素（bacteriocin），對(duì)于其他不能分泌特異性大腸桿菌素免

3、疫蛋白（Immunity protein）的近緣細(xì)菌具有殺滅作用，在一般認(rèn)為有調(diào)節(jié)菌群數(shù)量的作用。 大部分大腸桿菌素是大小在50-90 kD的蛋白質(zhì)，它由三個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域（T、R、C）組成。它們是由質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，其中最著名的莫過于pColE1。Weiner et al, Nature, 385, 461-464 (2019)Colicin Ia（626aa） Typical model of bacteriocin is colicin Colicins are one of the modulation dynamics for maintaining the biodiversity

4、and evolution of enteric microbiota. N-terminalC-terminalTranslocation domainReceptor domainChannel-forming domain 根據(jù)大腸菌素的作用機(jī)制，大腸菌素可被分為離子通道型（ionophoric） 和酶活性（enzymatic） 兩種。 根據(jù)其通過細(xì)菌內(nèi)膜方式，大腸菌素可被分為Tol系統(tǒng)依賴型和Ton系統(tǒng)依賴型。Tol系統(tǒng)依賴型的大腸桿菌素的活性不依賴膜電勢(shì)（最常見的是pmf， proton motive force 氫離子動(dòng)力勢(shì)）；而Ton系統(tǒng)依賴型大腸桿菌素的活性則依賴膜電勢(shì)，用CC

5、CP(carbonyl cyanure-m-chlorophenyl hydrazone) 一類去H+離子梯度劑處理過的細(xì)胞，細(xì)胞表現(xiàn)出對(duì)Ton系統(tǒng)依賴型大腸菌素的抗性。 大腸菌素特異性識(shí)別細(xì)菌表面的特異蛋白，然后它的N端結(jié)構(gòu)域和內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)結(jié)合，C端結(jié)構(gòu)域進(jìn)入細(xì)菌。離子通道型大腸桿菌素將在內(nèi)膜形成離子通道（直徑9-11A），導(dǎo)致內(nèi)膜去極化，細(xì)菌因此死亡。酶活性大腸菌素進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)催化DNA或RNA水解而殺死細(xì)菌。唯一的例外是大腸菌素ColM，ColM是最小的大腸菌素，作用機(jī)制與其他的不同，ColM會(huì)完全進(jìn)入內(nèi)外膜間質(zhì)水解肽聚糖前體從而破壞細(xì)菌細(xì)胞壁。早在得到諾貝爾獎(jiǎng)的第二年（1946），青

6、霉素的發(fā)明人 Florey 和 Heatley就發(fā)現(xiàn)大腸菌素的殺菌效力較青霉素強(qiáng)大數(shù)千倍，可在體內(nèi)工作，安全，對(duì)腸道菌群無毒性。但是，他們發(fā)現(xiàn)大腸菌素的抗菌譜太過狹窄，只能識(shí)別和攻擊大腸桿菌。因此，他們悲觀的結(jié)論，大腸菌素不具備開發(fā)成為抗生素的潛質(zhì)。我們的微生物學(xué)教科書上，也是這么定義的。這么一來，70 余年過去了。那么，大腸菌素能否開發(fā)成為一種新型抗生素呢？關(guān)鍵，在于設(shè)法拓展大腸菌素的抗菌譜。也就是說，給野生型大腸菌素連接一個(gè)新的配體，讓它帶著大腸菌素去識(shí)別病原菌。藥物的一個(gè)重要功能，是具有靶向性自然界已經(jīng)有了一個(gè)現(xiàn)成的靶向識(shí)別成品庫 抗體抗體都很類似，因?yàn)槎际且粯拥幕窘Y(jié)構(gòu)抗體又各不一樣，

7、因?yàn)榭勺儏^(qū)不一樣，而恰好是可變區(qū)的不一樣，使每個(gè)抗體的靶向性不一樣我只打算利用抗體多變的靶向性，其它功能可以不要我不需要天然抗體的六個(gè)抗原結(jié)合區(qū)，我只應(yīng)用兩個(gè)抗原結(jié)合區(qū)來構(gòu)建我的抗體模擬物無論從空間構(gòu)型、還是從一級(jí)結(jié)構(gòu)角度來解析，這是一個(gè)源于自然，卻又高于自然的創(chuàng)新發(fā)明 抗體結(jié)構(gòu)：2條輕鏈（L，分為或型），2條重鏈（H，分別用希臘字母、和 來命名）輕鏈大約為 214 個(gè)氨基酸，包括一個(gè)恒定區(qū)（C）和一個(gè)可變區(qū)（V）重鏈長度大約450個(gè)氨基酸（和為550）， 包括三個(gè)恒定區(qū)和一個(gè)可變區(qū)， 每個(gè)區(qū)大約為110個(gè)氨基酸組成可變區(qū)有一個(gè)65-75個(gè)氨基酸殘基 的肽環(huán)，分為高變區(qū)（hyper- vari

8、able region，HVR）和骨架 區(qū)（framework region，F(xiàn)R）高變區(qū)結(jié)構(gòu)：VL的三個(gè)高變區(qū)（HVR1-3）：位于24-34、50-56、89-97位aaVH的三個(gè)高變區(qū)（HVR1-3）：位于31-35、50-56、95-102位aa其余為框架區(qū)（FR）2條鏈的高變區(qū)形成3個(gè)互補(bǔ) 決定區(qū)（CDR1-3）；由此而產(chǎn)生4個(gè)框架區(qū)（FR1-4）這是一種前無古人的設(shè)想Nature Biotechnology的主編 Dr. Marshall 告訴我： Qiu, you will blow immunology out!利用了抗體特有的靶向特性，對(duì)任一種抗原，總能產(chǎn)生一種相應(yīng)的抗體 （

9、特有的抗原結(jié)合區(qū)）從而可以形成無窮的，識(shí)別各類抗原的抗體模擬物 （每一種新的抗體模擬物都可以形成一個(gè)新的發(fā)明專利）3. 抗體模擬物 結(jié)構(gòu)公式是我的創(chuàng)造，所以握有了專利優(yōu)先權(quán)COOHVH1VHFR2VL33 kDa28肽-抗體模擬物 （5+14+9）H2N 2019年，Springer 出版社（全世界最大的醫(yī)學(xué)書刊出版社）出版了第二卷Antibody Engineering（抗體工程手冊(cè)），主編邀請(qǐng)我書寫了一個(gè)章節(jié)，向全世界介紹我的抗體模擬物設(shè)計(jì)。2019 年 3 月出版 把抗體模擬物和大腸菌素結(jié)合起來由抗體模擬物去識(shí)別不同的病原菌再讓大腸桿菌去殺傷被抗體模擬物識(shí)別的病原菌。要對(duì)付新的病原菌，很

10、簡單，更換一個(gè)可以識(shí)別新病原菌表面抗原的抗體模擬物就可以了。COOHVH1VHFR2VL33 kDaColicin IaH2N69 kDa攻 擊 部 分靶向識(shí)別部分結(jié)合產(chǎn)生的藥物被命名為 信息菌素拉丁命名為 Pheromonicin, 字頭 pheromoni 信息識(shí)別的意思， 字尾 cin 殺菌素的意思，學(xué)術(shù)界和專利界已經(jīng)采納了這個(gè)中國人創(chuàng)造的拉丁學(xué)名。信息菌素的特點(diǎn)：具有靈活的靶向性，只要更換抗體模擬物，就能組合出一種識(shí)別新病原體的 信息菌素具有比現(xiàn)用抗生素強(qiáng)大數(shù)百倍，乃至數(shù)萬倍的殺菌效力，可有效殺傷耐藥菌安全、無毒可避免傷害益生菌可用生物技術(shù)和大腸桿菌進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品廉價(jià)，所以可在醫(yī)

11、學(xué)、農(nóng)業(yè) （畜牧和農(nóng)作物）和環(huán)境治理等領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。已有 49 項(xiàng)相關(guān)發(fā)明專利獲中國 (14)、美國 (14) 以及其他國家專利局授權(quán)，另有 140 余項(xiàng)發(fā)明專利正在全球 80 余個(gè)國家進(jìn)行實(shí)質(zhì)性審查。兩篇核心論文發(fā)表在 Nature Biotechnology雜志上。2019 年底和 2019 年初， Nature Biotechnology 和 Nature Reviews Drug Discovery兩種雜志向全世界介紹了我發(fā)明的，由 28-肽抗體模擬物和大腸菌素 Ia 組成的信息菌素，Pheromonicin雜志稱信息菌素為 “取自自然工具箱的下一代工程化抗生素”。取自自然工具箱

12、的下一代工程化抗生素自然雜志對(duì)信息菌素的定義是：該兩份雜志的影響因子各為 32 與 33自然生物技術(shù)December 2019, 自然評(píng)論：藥物發(fā)現(xiàn)January 2019對(duì)革蘭氏陽性和陰性致病菌，尤其是對(duì)現(xiàn)用抗生素耐藥的致病菌，有超過現(xiàn)用抗生素?cái)?shù)千倍，乃至數(shù)萬倍的殺菌效力。合作團(tuán)隊(duì)國家藥監(jiān)局天壇中檢所抗生素室 馬越 胡昌勤四川大學(xué)華西第二醫(yī)院遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室 王和四川大學(xué)基礎(chǔ)及法醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)系 李明遠(yuǎn)四川大學(xué)華西醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)系 王蘭蘭國家疾控中心傳染病所 徐建國院士 崔步云 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院 沈建中 吳聰明 國家農(nóng)業(yè)部獸藥中檢所細(xì)菌室 毛開榮美國麻薩諸塞州立大學(xué)生物學(xué)系 (Amherst

13、) Margaret Riley 美國紐約愛因斯坦醫(yī)學(xué)院生理及生物物理學(xué)系 Alan Finkelstein 信息菌素 Ph-NM 對(duì)致病菌的 MIC50 (uM) 中國食品藥品檢定研究院抗生素室 Sept, 2019Ph-NM 萬古霉素 替加環(huán)素 苯唑西林 氨芐西林 青霉素 慶大霉素 左氧氟沙星 金黃色葡萄球菌 0.0018 1.2 0.427 79.8 158 179 535 20.2 凝固酶陰性葡萄球菌 0.0018 1.2 0.427 4.99 39.7 44.9 66.9 10.1腸球菌 0.057 1.2 0.15 39.9 2.48 5.6 535 5肺炎鏈球菌 0.00046

14、1.2 0.109 1.25 0.16 0.35 33.5 1.26 Ph-NM 替加環(huán)素 亞胺培南 氨芐西林 頭孢他啶 慶大霉素 左氧氟沙星 多粘菌素B大腸埃希氏菌 0.014 3.4 6.3 635 34 2.1 40.3 0.09肺炎克雷伯氏菌 0.029 6.8 6.3 635 34 2.1 5 0.18陰溝腸桿菌 0.0018 6.8 6.3 635 273 2.1 5 0.18產(chǎn)氣腸桿菌 0.0071 3.4 1.58 635 273 4.18 10.1 0.36氟勞地枸櫞酸桿菌 0.0018 6.8 6.3 635 68.23 134 5 0.09志賀氏菌 0.0036 0.42

15、 0.79 9.93 17.06 4.18 0.63 0.72沙門氏菌 0.0036 0.43 0.39 9.93 17.06 4.18 2.52 0.18Ph-NM 替加環(huán)素 亞胺培南 頭孢他啶 頭孢吡虧 左氧氟沙星 多粘菌素B銅綠假單胞菌 0.0036 3.4 3.15 136.5 8.3 10.1 0.18 鮑曼氏不動(dòng)桿菌 0.0036 0.21 0.39 68.23 4.17 0.31 0.36 嗜麥芽窄食單胞菌 0.057 1.7 807.6 136.5 66.7 20.1 1.44 各菌株數(shù) = 40Ph-NM 萬古霉素替加環(huán)素替考拉寧利奈唑胺 苯唑/頭他環(huán)丙沙星 紅/克林/慶大耐

16、萬古屎腸球菌(Van A, WHO-3)0.911770.85682.9640/46810.987.2/150/134耐萬古糞腸球菌(Van B, WHO-14)0.2388.40.434.245.9340/4685.4587.2/150/4192糞腸球菌，萬古中介(Van B, ATCC51299 )0.46441.714.242.9640/46821.887.2/150/4192屎腸球菌(Van A, 天-01)0.91440.856823.740/468174.487.2/150/4192鶉雞腸球菌 WHO-27萬古霉素天然低耐0.91110.218.52.9640/4685.4587.

17、2/150/4192金葡菌NTCT10442(ATCC 標(biāo)準(zhǔn)株, Mec A)0.230.341.710.272.9620/4681.360.34/150/4.2金葡菌Mu3，萬古中介0.0075.50.214.245.9340/4681.3687.2/150/ 2096金葡菌Mu50，萬古中介0.0145.50.858.52.9640/468174.487.2/150/268金葡菌N315(MRSA標(biāo)準(zhǔn)株, Mec A)0.0070.690.850.272.9640/4685.4587.2/150/134 金葡菌 P1-1 (豬鼻咽拭子 MRSA)0.460.340.850.132.9640

18、/46843.687.2/150/537金葡菌 Mec A, PBP2a (WHO-31)0.462.80.214.24 5.9320/468174.487.2/150/2096金葡菌 erm A 調(diào)節(jié)對(duì)MLSB 耐藥，WHO-35 0.911.380.210.535.9320/4681.3687.2/150/2096信息菌素 Ph-NM 對(duì)革蘭陽性多重耐藥菌的最低抑菌濃度 （uM） 中國食品藥品檢定研究院抗生素室 March, 2019Ph-NM替加環(huán)素亞胺/美羅培南多粘菌素B頭他/頭吡環(huán)丙/阿米派拉派拉/他唑大腸桿菌 豬ESBL, CTX-M 9 群 0.00361.713.15/2.29

19、0.72468/1421.8/6.844753.71-12.3大腸桿菌 豬ESBL, CTX-M 1 群 0.00360.431.58/1.14 0.1858.6/3.543.6/3.427.421.86-12.4大腸桿菌 WHO-21, 染色體AmpC酶 0.0140.430.79/0.290.18468/142.72/3.42475237.5-12.4大腸桿菌 WHO-30, CTX-M, B-內(nèi)酰 0.910.430.79/0.57 11.55468/4485.45/21919007.42-12.4銅綠 Pae 68, 亞胺培南低耐 0.116.8425.2/4.585.7858.6/1

20、.7510.9/1.7147514.8-12.4銅綠 Pae 71, 亞胺培南低耐 0.466.8325.2/18.311.44468/28174/8751900475-12.4鮑曼不動(dòng) Aba 10, 碳青霉烯低耐0.916.8425.2/9.15 1.44468/44887.2/87519001900-12.4鮑曼不動(dòng) Aba 167, 碳青霉烯低耐 0.911.7150.5/36.60.72468/11243.6/437.61900950-12.4鮑曼不動(dòng) Aba 217, 可能 NDM-1 0.460.85201.9/146.51.44468/112174/87519001900-12

21、.4嗜麥芽窄食單胞 07, 天然耐亞胺 0.461.71201.9/146.5 1.44468/112 21.8/87519001900-12.4肺炎克雷伯 WHO-24, SHV-18 ESBL 0.00360.431.58/0.290.36468/285.45/1.71475118.7-12.4產(chǎn)酸克雷伯 WHO-26, ESBL 0.110.431.58/1.1411.55468/71.36/438475118.7-12.4陰溝腸桿菌 WHO-5,去阻遏高產(chǎn)AmpC0.0143.413.15/1.145.78468/1.752.72/1.7119001900-12.4鼠傷寒沙門菌 CTX

22、-M-5 0.0570.850.79/0.29 5.78468/2241.36/3.42190014.8-12.4粘質(zhì)沙雷菌 WHO-10, B 類酶 0.0573.41201.9/146.52.8958.6/561.36/3.42 475237.5-12.4信息菌素 Ph-NM 對(duì)革蘭陰性多重耐藥菌的最低抑菌濃度 （uM） 中國食品藥品檢定研究院抗生素室 March, 2019小鼠急性感染模型 感染菌：華西醫(yī)院分離自患者的多重耐藥綠膿桿菌 對(duì)照藥物：派拉霉素，左氧氟沙星，頭孢他啶，阿咪卡星，其使用劑量 比信息菌素大數(shù)百倍，至數(shù)千倍（按分子量標(biāo)化） 感染細(xì)菌后，對(duì)照藥物和信息菌素都只給藥一次，

23、然后觀察存活率Pheromonicin 43 nM (3 mg/kg)Levolfloxacin 12,000 nM 5 mg/kgCeftazidime 91,500 nM (50 mg/kg)Amikacin 25,600 nM (15 mg/kg)Piperacillin 92,700 nM (50 mg/kg)ControlTime post challenge (day)Cumulative survival of mice after P. aeruginosa (clinical isolate 13280, MDR, West China Hospital) inoculati

24、on.治療奶牛乳房炎 （III期臨床實(shí)驗(yàn)，由農(nóng)業(yè)部獸藥安評(píng)中心完成）自發(fā)乳房炎奶牛 100 例，50 例 行信息菌素治療，50例 行對(duì)照藥物治療（美國輝瑞公司， 復(fù)方羥氨芐青霉素）。信息菌素治療三日，每日兩次，用藥總量 120 mg/每頭復(fù)方羥氨芐青霉素治療三日，每日一次，用藥總量 9000 mg/每頭臨床治愈率 信息菌素治愈率 91% 復(fù)方羥氨芐青霉素治愈率 38%50100Clinical cure rate (%)101102103104105Dosage (nM)4.2950,0009138 In the case of spontaneous infectious mastitis of dairy cows, intramammary inoculationof Ph-NM 0.02 gm per mammary district twice a day for three days treatment ( 0.12 gm, n=