抗生素開發(fā)倒計時

編譯 陸默

抗生素耐藥性的威脅已成為媒體的頭條新聞，很少有人注意不到。最近幾年報紙上的頭條新聞都在警告潛在的“抗生素災(zāi)難”，抗生素問題是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個難題，或者至少充滿了危機。這不僅僅是媒體的炒作，知曉這個問題的人越多，人們就越擔(dān)心。目前，耐藥性細菌感染每年導(dǎo)致70萬人死亡，其中90%以上都是中低收入國家的患者，據(jù)權(quán)威人士預(yù)測，到2050年，這一數(shù)字可能會上升到1000萬人，多于當(dāng)前死于癌癥的人。

ESKAPE病原體列入了尋找新藥物的優(yōu)先級名單中，圖為屎腸球菌

幾乎從抗生素時代伊始，人們就發(fā)現(xiàn)了抗生素的耐藥性問題。早在1945年初，青霉素的發(fā)明者亞歷山大·弗萊明就認識到，過度使用抗生素可能導(dǎo)致細菌產(chǎn)生耐藥性。他曾對《紐約時報》說過，“那些不經(jīng)慎重考慮就輕易給病人使用青霉素的人，要為一些最終死于感染的人負責(zé)。”

自2010年以來一直任英國首席醫(yī)療官的莎麗·戴維斯（Sally Davies）是呼吁人們重視抗生素抗藥性問題的強力倡導(dǎo)者之一，也是2014年向英國首相戴維·卡梅倫提出對抗生素問題進行大范圍審查的呼吁者之一。兩年后由經(jīng)濟學(xué)家吉姆·奧尼爾（Jim O’Neill）主持制定的審查方案提出了減少抗生素威脅的10個具體步驟。許多國家現(xiàn)在都提出了有雄心的行動計劃，聯(lián)合國在最高級別的會議上也對這個問題進行了討論，但戴維斯對目前的應(yīng)對措施仍然不滿意，“我們需要加大應(yīng)對力度?！彼f。

有好幾個組織已經(jīng)列出了“優(yōu)先級病原體”的名單——耐藥性問題最嚴重、對新藥需求最為急迫的細菌種類。美國傳染病協(xié)會列出的幾種優(yōu)先考慮的細菌為：屎腸球菌、金黃色葡萄球菌、肺炎桿菌（佛里德蘭德氏桿菌）、鮑氏不動桿菌、綠膿桿菌和腸桿菌，按其首字母縮寫被稱為ESKAPE病原體（抗生素失效病原體）。世界衛(wèi)生組織列出的10個抗生素失效病原體名單根據(jù)其構(gòu)成威脅的嚴重程度分為威脅最嚴重的和除了金黃色葡萄球菌外的其他所有ESKAPE病原菌。具有指導(dǎo)意義的是，列表中幾乎所有的病原體都是具有雙層細胞壁的革蘭氏陰性細菌，小分子很難穿透這層細胞壁墻，因此這些細菌也是靶點設(shè)計藥物最難對付的。

資源和資金不足問題

一種成功的抗生素必須能夠殺死細菌，或者至少可以阻止它們繼續(xù)繁殖，同時對人體的傷害要達到最低限度，因此它的攻擊目標(biāo)必須是人體細胞沒有的分子靶標(biāo)或機制。它們或者專門針對細菌的某種獨特性，例如它們的細胞壁，要么針對細菌與哺乳動物完全不同的結(jié)構(gòu)和機制，有選擇性地加以消滅?？股氐淖畲箢?，以其緊湊環(huán)形結(jié)構(gòu)命名的β-內(nèi)酰胺屬于第一類，它們通過抑制細胞壁肽聚糖層的形成，破壞細菌細胞壁合成。與細菌核糖體結(jié)合并以其蛋白質(zhì)合成為靶標(biāo)的藥物屬于第二類。

抗生素耐藥性的歷史遠比人類發(fā)明甚至改進抗生素的歷史更悠久。數(shù)十億年來，細菌一直在進化，以保護自己免受有害物質(zhì)的侵害，這種耐藥性會迅速蔓延開來，主要是通過生物體之間的所謂“橫向”基因轉(zhuǎn)移。最常見的三種機制包括破壞抗生素分子本身，修改靶蛋白導(dǎo)致藥物無法與其結(jié)合以及在藥物生效之前將其從細胞中逐出。

如果有許多新的抗生素連綿不斷地生產(chǎn)出來，那么過去和現(xiàn)在對抗生素的耐藥性都會大大降低。然而現(xiàn)實遠遠不是如此，近幾年由美國食品藥品管理局（FDA）注冊的新的化學(xué)實體（NCEs）中，抗生素只占其中的一小部分，且都是藥物產(chǎn)業(yè)中所稱的“跟風(fēng)藥物”，即創(chuàng)新仿制藥：對現(xiàn)有的化合物進行研究做一些小的調(diào)整修改開發(fā)的所謂新藥，例如，減少副作用，或針對細菌抗藥性提高藥物性能等。具有新靶點的抗生素，甚至綁定同一標(biāo)靶但作用機制不同的藥物將很難被細菌擊敗。但從抗生素開發(fā)歷史看，這樣的例子很少，而最近幾十年來根本看不到了。

ESKAPE病原體：金黃色葡萄球菌

不言而喻，抗生素發(fā)現(xiàn)需要大量的資金投入和大量訓(xùn)練有素的科學(xué)勞動力。然而這些年來，大型制藥公司紛紛退出抗生素市場，轉(zhuǎn)而在慢性疾病藥物的開發(fā)中尋找發(fā)現(xiàn)更大更有把握的利潤空間。普華永道會計師事務(wù)所對抗生素研究和開發(fā)進行的調(diào)查表明，2016年英國從事這一領(lǐng)域研究的工業(yè)科學(xué)家不到150人，Redx制藥公司關(guān)閉了其抗感染藥物分部，阿斯利康公司將其抗生素研究業(yè)務(wù)賣給了輝瑞之后，其中至少有40人失去了工作。相比之下，只有一個慈善機構(gòu)——英國癌癥研究中心有大約4000名研究人員還在支持抗生素研究。其他國家的統(tǒng)計數(shù)字大致相同，臨床實踐中也有類似情況。在美國，傳染病醫(yī)生的報酬比其他任何醫(yī)學(xué)專業(yè)都低，而且越來越難以填補人才空缺。因此，奧尼爾的評論以大幅標(biāo)題提出“提高感染疾病醫(yī)護人員的人數(shù)、收入和認可度”也就不奇怪了。

抗生素開發(fā)中的攜手合作

一些經(jīng)常與學(xué)術(shù)機構(gòu)開展合作的小型生物科技公司，如今正在進軍制藥巨頭空出來的缺口，并最終獲得大量支持創(chuàng)新發(fā)展計劃的資金。例如，2016年的CARB-X計劃是由美國衛(wèi)生署和英國威康信托基金會提供資金資助的，預(yù)計5年內(nèi)投資10億美元，以加速至少20個瞄準(zhǔn)最重要耐藥菌新項目的開發(fā)，包括新抗生素、新診斷技術(shù)和新疫苗?！澳壳爸皇乔捌陔A段，但我們已經(jīng)投資了24個項目，涉及10個新分子靶點。”CARB-X計劃執(zhí)行董事凱文·奧特森（Kevin Outterson）說道，“我出生于最后一種用于治療革蘭氏陰性菌的抗生素類藥物獲得批準(zhǔn)的年代，因此如果我們的項目技術(shù)有一個獲得審批通過，也將是我一生抗生素研究的最大轉(zhuǎn)機?！?/p>

英國的抗菌素耐藥性研發(fā)中心（AMR中心）建立在英國柴郡的阿爾德利園區(qū)，之前是阿斯利康公司所在地。2016建立的AMR中心與CARB-X有著相同的目標(biāo)，但規(guī)模要小一些。AMR中心計劃于第一年投入600萬美元，重點放在世衛(wèi)組織列出的“關(guān)鍵”病原體上?！拔覀兊耐顿Y有可能就一致性的目標(biāo)與CARB-X開展廣泛的合作，但在投資組合方面會有所差異?！盇MR中心執(zhí)行主任彼得·杰克遜（Peter Jackson）說道，“與CARB-X不同的是，AMR中心有自己的實驗室，因此我們?yōu)橐?guī)模較小的公司提供他們可能需要的設(shè)施，例如，藥物代謝和毒性試驗、配方或體內(nèi)研究等，稍后我們還將進一步參與藥物發(fā)現(xiàn)的過程，從方案優(yōu)化到II期臨床試驗?！?/p>

這些以及其他類似的舉措有助于增加參與抗菌藥物研究的科學(xué)家數(shù)量，并有助于實現(xiàn)奧尼爾提出的以研究為基礎(chǔ)的兩個提議，“（建立）早期和非商業(yè)研究的全球創(chuàng)新基金”和“（提供）更好的激勵機制促進新藥投資、改進現(xiàn)有藥物”。令人鼓舞的是，抗生素的開發(fā)渠道終于開始擴大，更多的新分子正在通過早期階段。

CARB-X和AMR中心還為企業(yè)投資網(wǎng)絡(luò)、共享信息和資源提供機會，公司之間的合作正在變得越來越普遍，特別是在一些醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域，如預(yù)期經(jīng)濟回報率很低的傳染病領(lǐng)域。共享數(shù)據(jù)進一步促進了合作，如今抗生素研究可以通過一個新的數(shù)據(jù)共享平臺獲益，即皮尤慈善信托基金的抗生素研究和知識共享平臺（Spark）。這一平臺使用了美國加利福尼亞的一家國際軟件公司“合作藥物發(fā)現(xiàn)公司”的技術(shù)?！拔覀兊钠脚_CDD-Vault為藥物發(fā)現(xiàn)提供了一個完整、安全的信息接口，公司和他們的合作院校可以通過這個平臺，與他們選擇的合作對象和合作方式共享數(shù)據(jù)?！痹摴居鴦蜣k事處的瑪麗安娜 ·瓦切托（Mariana Vaschetto）說道。

牛津抗生素開發(fā)的悠久歷史

ESKAPE病原菌：肺炎克雷白氏桿菌

ESKAPE病原體：鮑氏不動桿菌

很少有學(xué)術(shù)機構(gòu)像英國牛津大學(xué)那樣有著悠久而富有成效的抗生素研究歷史。與弗萊明和恩斯特·錢恩（Ernst Chain）分享1945年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎的霍華德·弗洛里（Howard Florey）在病原體研究領(lǐng)域內(nèi)也有一席之地。在愛德華·來伯拉罕（Edward Abraham），杰克·鮑德溫（Jack Baldwin）以及如今的克里斯·斯科菲爾德（Chris Schofield）的主持下，青霉素化學(xué)的研究在牛津大學(xué)一直延續(xù)至今。還有幾乎被人遺忘了的多蘿西·霍奇金（Dorothy Hodgkin）也是牛津大學(xué)教授，為她贏得1964獲諾貝爾獎的，不是著名的胰島素分子結(jié)構(gòu)研究（胰島素分子結(jié)構(gòu)直到1969年才完全被破譯），而是對維生素B12和青霉素結(jié)構(gòu)的測定。

斯科菲爾德研究小組目前的工作重點是了解許多細菌中β-內(nèi)酰胺酶的結(jié)構(gòu)和機制是如何進化以對抗β-內(nèi)酰胺類抗生素的，它們都是通過破壞抗生素的環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無效，但用的是兩種不同的機制。市場上的β-內(nèi)酰胺酶抑制劑，如克拉維酸（與阿莫西林素結(jié)合形成復(fù)方阿莫西林）與絲氨酸蛋白酶有著抑制β-內(nèi)酰胺酶的相似機制。

現(xiàn)有藥物中還沒有以另一類β-內(nèi)酰胺酶為靶向的，其基本機制與金屬蛋白酶相同，唯一能應(yīng)對“β-內(nèi)酰胺類最后手段”的，是碳青霉烯類抗生素。“我們正在尋找抑制金屬β-內(nèi)酰胺酶被稱為NDM1的化合物，目前已在革蘭氏陰性細菌中發(fā)現(xiàn)，對幾乎每一種現(xiàn)有的抗生素都有抗藥性?！彼箍品茽柕卵芯拷M中的博士后尤爾根·布雷姆（Jurgen Brem）說道?！霸谂c歐盟創(chuàng)新藥物計劃的合作中，我們已經(jīng)開發(fā)出了一些很有潛力的化合物?！毕乱徊綄⑼ㄟ^動物實驗對這些化合物進行測試。

牛津大學(xué)創(chuàng)辦了許多成功的公司，其中一個是牛津藥物設(shè)計，重點是新型抗生素。該公司成立于2001年，這一年inhibox公司將化學(xué)家格拉哈姆·理查茲（Graham Richards）的計算機輔助藥物設(shè)計成果實現(xiàn)了商品化開發(fā)。最初它只是一個計算化學(xué)咨詢公司，后來隨著重心轉(zhuǎn)移到發(fā)現(xiàn)新抗生素后改為了藥物設(shè)計公司?！拔覀円呀?jīng)加強了專門研究細菌滲透性的基本化學(xué)信息學(xué)技術(shù)部門的力量，用以設(shè)計抑制細菌tRNA合成酶的分子，從而抑制其蛋白質(zhì)合成。”公司首席執(zhí)行官保羅·費恩（Paul Finn）說道。

就像細菌核糖體一樣，細菌tRNA合成酶與等效的哺乳動物酶完全不同，從而可以設(shè)計出選擇性抑制劑。它們并不是完全的新目標(biāo)，唯一的一種針對tRNA合成酶的抗生素莫匹羅星（外用抗感染藥）已在市場上有售，這種抗生素代謝迅速，因此只能用于治療皮膚感染。 “我們開發(fā)最好的化合物可以抑制具有低納米效力的靶向合成酶，并殺死ESKAPE病原體。系統(tǒng)性感染動物模型的研究現(xiàn)在已經(jīng)開始了?！辟M恩補充說道。

在舊藥基礎(chǔ)上的創(chuàng)新

為某種目的研制的藥物有時可用于不同的目的。2010至2013年間，澳大利亞悉尼科技大學(xué)的一組科學(xué)家篩選出了一個大型化合物庫，其中包括抗藥金黃色葡萄球菌的許可藥物，并提取出了金諾芬，一種有機化合物，是FDA許可用于治療關(guān)節(jié)炎的藥物。這些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)促成了Auspherix公司的創(chuàng)辦，該公司總部如今設(shè)在英國的斯蒂夫尼奇，并正在對一系列化合物進行優(yōu)化，這些化合物基于一個類似的支架，中間有一個金原子。

這些化合物可以殺死優(yōu)先級名單上的許多耐藥細菌，而且重要的是，它們已被證明可以破壞細菌的生物膜。這些細菌聚集在黏性細胞外基質(zhì)上，通常附著在表面上，它們對大多數(shù)抗生素和人類免疫反應(yīng)都有抵抗力，因此很難根除。“我們已經(jīng)確定了從發(fā)現(xiàn)到臨床應(yīng)用的路徑，并且最初將重點放在治療復(fù)雜尿路感染的化合物上?！盇uspherix首席執(zhí)行官理查德·魯特（Richard Rutter）說道，“我們已經(jīng)為我們開發(fā)的分子設(shè)計了一個臨床開發(fā)途徑，但我們還沒有確定它們殺死細菌的確切機制?！?/p>

到目前為止，CARB-X已與三大洲6個國家的一些企業(yè)建立了合作關(guān)系，在亞洲唯一與其合作的企業(yè)是總部在印度班加羅爾的Bugworks公司，預(yù)計不久CARB-X將宣布投資亞洲其他企業(yè)?！拔覀儧]有特意尋找印度公司，但就優(yōu)秀的科研能力和發(fā)展?jié)摿Χ?，Bugworks符合所有的要求?！眾W特森說道。Bugworks的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了一種新穎的“隱形”策略，用于防止抗生素從細菌細胞中排出?！拔覀兊牟呗允沁x擇一種可針對細菌特定‘外排泵’，以及通過基于結(jié)構(gòu)的方法與其結(jié)合的有效分子，并希望這些分子能在2019年進入I期臨床試驗?！盉ugworks研發(fā)部門負責(zé)人維·巴薩布拉馬尼安（V. Balasubramanian）說道。

ESKAPE病原體：綠膿桿菌

與Bugworks，Auspherix以及牛津藥物一樣，其他許多公司開發(fā)的臨床前候選抗生素似乎也大有希望。開發(fā)的最初階段比較順利，但之后可能還會遇到一些問題。“據(jù)估計，早期開發(fā)的化合物只有70種會得到許可?！眾W特森說。一些公有民營的小公司，通過慈善基金的資助可能會將某種分子投入早期臨床試驗，但隨后的試驗將更昂貴更具挑戰(zhàn)性，而且風(fēng)險也更大。大多數(shù)人認為，那些能夠?qū)⒖股夭块T維持下去的大型制藥公司（如默克）將在這方面發(fā)揮重要作用，但他們?nèi)孕枰栈爻杀尽τ谂R床醫(yī)生來說，他們最需要的是在緊急情況下使用的“作為最終手段的藥物”，但是有哪家公司會為這種銷售量有限藥物的開發(fā)投資數(shù)百萬美元呢？我們可能需要一種全新的籌資機制：也許是一種非?？犊囊淮涡袁F(xiàn)金獎勵，讓開發(fā)商能夠以成本價出售藥物。一個現(xiàn)有的例子是為準(zhǔn)確的、負擔(dān)得起的細菌感染診斷試驗頒發(fā)的經(jīng)度獎。

那么，在抗生素與細菌抗藥性的斗智中，我們能否勝出？引用諾貝爾獎獲得者、美國分子生物學(xué)家喬舒亞·萊德伯格（Joshua Lederberg）的話，“這需要我們用我們的智慧來跟上（細菌）基因的進化?！毕Ｍ辉偃鄙僭丛床粩嗟男驴股胤肿?，但這需要我們所有的想象力和政治意愿，以及資金問題的進一步改變，將其提高到目前癌癥研究的水平，獲得足夠的資金。所有這些都需要很多年的時間。如果我們要在與抗生素耐藥性的賽跑中取勝，我們就必須更加謹慎地使用我們現(xiàn)有的藥物。