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受抗菌药物耐药性蔓延及新型抗真菌药物研发瓶颈影响，真菌感染正逐渐成为棘手的临床难题与全球公共卫生威胁。多烯类是目前临床常用的强效抗真菌药物，代表药物包括两性霉素B（amphotericin B）和制霉菌素A1（nystatin A1），仍是部分致死性真菌感染的首选用药。但由于真菌细胞与人类细胞存在结构共性，很难在杀伤病原体的同时不损伤正常组织，这类药物存在毒性大、溶解度差的缺陷，临床应用受到极大限制。
近日，帝国理工学院与曼彻斯特大学的研究团队报道，其通过基因组挖掘技术结合酶学改造策略优化了多烯类药物的生物活性，所获得的衍生物在临床前实验中展现出更强的抗真菌活性及更低的毒副作用。
这项发表于《酶促糖基化与酰胺化改造可重塑多烯类药物生物活性》的研究，首先对可合成新型多烯类化合物的生物合成通路进行了筛选。研究人员随后对参与该类化合物合成与修饰的酶进行了功能表征，包括可添加糖基的糖基转移酶（glycosyltransferase），以及可修饰与不良药理性质相关的羧酸取代基的酰胺转移酶（amidotransferase），该修饰可在降低药物毒性的同时提升药效。
“目前临床最有效的抗真菌药物是土壤细菌合成的多烯类分子两性霉素B，”该研究第一作者、曼彻斯特大学博士后研究员Saadia Nasr Mirza博士表示，“尽管两性霉素B药效极强，但毒性很高，因此我们尝试探究细菌是否能够合成比两性霉素B更安全的多烯类化合物。我们开发了一套生物信息学分析流程，意外发现大量细菌物种都具备合成新型多烯类化合物的潜力。”
研究团队利用核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance, NMR）解析了新发现多烯类化合物的结构，并构建了衍生物库开展活性筛选。作者在文中指出：“在原有结构上添加第二个糖基，同时对羧酸基团进行修饰，得到的新型多烯衍生物相比目前临床使用的母体多烯药物，抗真菌活性更强、毒性更低、溶解度也更高。”
研究人员筛选得到的领先候选药物为Nys34：在多株人类细胞系中的测试显示，其毒性比两性霉素B低3~8倍；在侵袭性曲霉病小鼠模型中，该化合物可显著降低真菌载量。小鼠可耐受3次重复给药，但第4次给药后出现毒性反应，提示该候选分子仍需进一步优化与测试。
帝国理工学院化学系教授、该研究通讯作者Jason Micklefield博士表示，研究团队对这些衍生物的活性感到振奋：“我们很高兴地发现，多款新型多烯衍生物的药效优于两性霉素B与制霉菌素（另一款临床常用的重要多烯类药物），同时毒性更低。本研究的核心进展在于通过上述方法挖掘得到了可合成带有多个糖基的多烯化合物的生物合成基因簇，糖基数量对药物生物活性有显著影响，而现有绝大多数多烯类药物仅带有1个糖基。”
研究人员还发现，Nys34的作用机制与两性霉素B存在差异，若后续研究可证实该结论，将具有重要意义。Micklefield在接受《基因工程与生物技术新闻》（GEN）采访时表示：“我们尤为惊讶地发现，我们开发的多烯化合物Nys34的作用机制与现有多烯类药物完全不同。多烯类药物的作用靶点通常是细胞膜组分，而非大多数抗菌药物靶向的特定酶，这意味着仅靠单个酶的突变无法产生耐药性，耐药株需要改变细胞膜组成（或通过酶降解药物）才能逃逸药物杀伤。Nys34与两性霉素B作用机制不同的特征，预示其有望规避现有多烯类药物的耐药问题，极具开发前景。”
除了具体的候选化合物外，本研究还为多烯类药物的优化提供了新的技术路径。多烯类化合物结构复杂，通过传统化学方法对其进行修饰通常需要“多步反应、大量使用保护基及有害试剂”，作者在文中指出，此前报道的一款低毒两性霉素B衍生物需要经过12步化学反应合成，总收率仅为0.7%，充分体现了传统合成方法优化该类分子的难度。
“后续我们将进一步探究Nys34的作用机制。此外，本研究开发的方法可广泛应用于各类多烯骨架与底物（如不同种类的糖基）的修饰，我们目前正在尝试更多的修饰组合，以筛选得到更多有潜力的候选药物。”Micklefield补充道。
与传统合成方法不同，本研究开发的新策略可通过发酵或酶促反应合成修饰后的多烯类化合物。研究团队表示，这种方法相比传统多步合成可拓展性更强、成本更低，不过该平台能否走出实验室、支持后续的药物开发与工业化生产，仍需进一步研究验证。
专业注释
- 基因组挖掘：通过基因组序列分析挖掘新型天然产物的技术
- 生物合成基因簇：编码天然产物合成相关酶的相邻基因集合
- 总收率：多步反应最终产物占初始原料的质量比例