战斗似乎已经取胜
20世纪80年代,人类面临的最严重威胁之一似乎已经被击败:无论是肺结核还是白喉,泌尿系统疾病还是脑膜炎、霍乱、梅毒或伤寒,细菌感染性疾病患者都可借助抗生素得以治愈。自Alexander Fleming于1928年从霉菌中提取出杀菌成分青霉素以来,特别是由于其成功治愈了第二次世界大战中士兵的伤口感染后,抗生素便逐渐流行开来。
20世纪下半叶,研究人员首先从土壤细菌和真菌中,后来又通过化学合成的方法研发出上百种物质,可使细菌无害化,而且这些物质对于人类具有很好的耐受性。医生能够对其予以单独或组合使用,如果治疗无效,紧急情况下还可使用第二和第三道防线中的备用药物。此类抗生素研究工作似乎已经完全收尾,而且有越来越多的制药公司逐渐退出了成本密集型抗生素的开发领域,并将这项工作移交给仿制药公司。这些仿制药公司占据了活性成分生产的大部分市场份额,主要集中在印度和中国。每年,有超过900亿盒用于治疗感染的药物投入使用。 [1]
您知道吗?
-
50万
全球每年死于抗生素耐药性细菌的人数[1]
-
9
根据世卫组织调查展现出危险耐药性的细菌族群[2]
-
仅2种
2000年以来投放市场的具有新作用机理的抗生素种类
抗生素耐药性猛增
但是许多专家发出警告,不要被胜利冲昏头脑。尤其是细菌对抗生素的耐药性正在以惊人的速度提升——部分细菌甚至产生了多重耐药性,即对多种活性物质毫无反应。一项研究显示,2007年,欧盟有25,000人死于抗药性病原体感染;2015年,感染率已接近70万,死亡人数达33,000,其中德国约2,400人[3]。美国疾病预防控制中心(CDC)估计,美国有280万例病患和35,000例死亡[4],而据药物可及性基金会(Access to Medicine Foundation)称,全球约有50万例死亡,其中包括20万名儿童[1]。
其主要原因在于生产和使用过程中对抗生素的滥用。例如在2018年,科学家对印度工厂周围水域中的抗生素浓度进行了检测,部分样品浓度是极限值的一百倍,这为抗药性细菌的生长提供了理想繁殖地[5]。在印度,许多细菌对抗生素的耐药性已经超过70%[1]。如果在工厂化养殖中使用抗生素,则具有类似危险,因为抗性病原体会继续存活并传播给人类。在美国,对家禽、猪、牛和其他动物使用的抗生素和对人类相比不相上下[6]。
此外,在许多国家和地区,医生经常开具抗生素处方,而不检查其是否有必要。例如,意大利和希腊的抗生素消费量是德国的两到三倍[3]。如果患者在过量服用的情况下停药过快,体内较低的活性物质浓度将无法杀死所有细菌,那些由于有利突变而产生抗药性的细菌便会伺机繁殖。其后果便是:按人口比例统计,意大利和希腊的抗生素耐药性死亡人数是德国的五到六倍[3],而德国仍然是荷兰的两倍。在荷兰,患者在接受手术前通常需经过微生物学实验室测试,以确定其是否会将多重耐药菌带入医院。如果是,那么患者将首先接受相应治疗。
新活性物质的开发停滞不前
对抗细菌耐药性方面的另一大难题在于,几乎没有任何新的抗生素类别获得开发。世卫组织在2017年的一份报告中,将9个细菌族群归类为严重甚至极端威胁。这些显示出危险的耐药性,并且迫切需要新的抗生素。但实际上,目前正在接受测试的所有活性物质只是对已知药物的逐步改进[2]。
慕尼黑工业大学有机化学教授Stephan Sieber说:“自2000年以来,只有两种具有新作用机理的抗生素投放市场。”实际上,所有常规抗生素都会攻击细菌中的三个靶标之一:或者干扰细胞壁结构(例如青霉素或万古霉素),或者干扰蛋白质生物合成(例如四环素),或者抑制诸如喹诺酮类的酶,这些酶对于构造细菌遗传物质必不可少。要产生抗药性,细菌通常仅需要一次自发突变,例如,它可能会改变受攻击的蛋白质,从而使抗生素不再能够与此结合,或者只是大量产生这种蛋白质。Sieber说:“另一种可能性是,细菌只需找到从细胞中排出活性成分的途径,或故意破坏它。”
确定新标靶
因此,十多年来,Stephan Sieber与其研究小组一直致力于识别细菌中的全新靶标:例如,他们发现所谓的β-内酯可以减少毒力因子的释放,即解除细菌的武装,而不会杀死它们[7]。其最新发现同样极具前瞻性,这一称为PK150的全新活性成分,可同时使用两种新的攻击策略[8]。它会攻击最令人生畏的细菌之一——多抗性金黄色葡萄球菌(MRSA)。这是一种球形细菌,经常附着在皮肤或鼻粘膜上,已在全球范围内造成数千例死亡,可通过例如手术伤口侵入人体。
Stephan Sieber凭借其全新抗生素治疗方法,于2020年7月13日获得了未来洞察奖(Future Insight Award)。默克公司自2019年以来每年颁发该奖项,奖金数额比诺贝尔奖还高出一百万欧元。“该奖项旨在奖励那些雄心勃勃、打造前所未有的梦想产品的未来愿景。”默克创新竞赛以及未来洞察奖发起人Ulrich Betz解释说,“今年‘多重耐药性突破技术’类别的获奖者聚焦能够在不引起耐药性的情况下对抗感染的有效抗菌成分。”
Sieber团队在对抗MRSA方面实现了上述目标。这些细菌具有数千种蛋白质,其中大约300至400种蛋白质对于其生存至关重要。“对于如此庞大的数量,要找到与迄今已知的标靶明显不同的新标靶完全有可能。”Sieber说,“我们从研究已知能够针对重要激酶蛋白类型起效的物质开始——索拉非尼是一种抗癌药物,具有显著的抗菌作用。”
“抗菌耐药性是对全人类的巨大威胁,而且会阻碍全球研发人员取得医学研究进步。因此,我们十分自豪能够支持Stephan Sieber这位杰出的研究人员对这一高度复杂的主题进行钻研。默克多年来一直致力于与抗菌耐药性展开斗争。就在上周,我们便与多家公司共同发起了一项新的发展基金”。[9]
(默克执行董事会主席兼首席执行官欧思明, 2016-2021) Stefan Oschmann
立刻预先注册参加未来洞察会议
Curious 2024
《Curious 2024》不仅将邀请到令人印象深刻的顶级演讲者——其中包括11位诺贝尔奖获得者,此次会议还将颁发2022年未来洞察奖。抓住机会并预先注册。
在此预先注册药效提高十倍,且毫无抗药性
接下来就是化学家施展身手的时刻了:他们系统性地改变该分子的原子团,合成了70种新化合物,并研究各自对MRSA的效果。当他们将吡啶环换成缩醛时,研究终于取得了突破。全新活性成分PK150具有比索拉非尼高十倍的抗生素功效,而且至少与如今十分强大的万古霉素一样有效。不仅如此:即使在会增加突变的物质的影响下,经过数周的测试中也没有产生抗药性。而且与万古霉素不同,这一全新物质甚至可以对抗持留菌和生物膜,即不会分裂,但“躲避”在糖层后面而受到保护的细菌。这些会一直潜伏,直到再次爆发,并造成危险。
PK150的秘密在于何处?Sieber强调说:“我们不仅要开发新的活性成分,而且还要找出其在细菌中的攻击部位。”为此,他团队中的研究人员在抗生素上附加了小型标记,以便其可以在质谱仪中确定活性成分与哪种细菌蛋白结合。令人惊喜的是:他们一共发现了两种细菌蛋白,而且这些与激酶无关。一方面,PK150通过破坏甲萘醌的生成,有效阻碍细菌的能量代谢。另一方面,PK150可增强信号肽酶的活性。“这非常令人惊讶,因为这一活性成分并不旨在抑制酶,恰恰相反,它会促进酶的活性。”Sieber说,“最终,细胞排出过多蛋白质。细菌爆裂并由此被破坏。”
对细菌的双重打击
在与不伦瑞克(Braunschweig)亥姆霍兹感染研究中心(Helmholtz-Zentrum)的合作中,可以明确观察到以下结果:研究人员在电子显微镜图像中发现,当添加PK150时,球形MRSA细菌几乎全部溶解。Sieber认为,PK150的两个完全不同的攻击标靶同样可能是未观察到抗药性的原因:“对于细菌来说,要利用突变阻止同时靶向两个弱点的攻击者,要比仅对抗攻击一种蛋白质的常规抗生素要困难得多。”
接下来会如何发展?Sieber坚信:“奖金将为我们带来许多新的机会。”PK150的优化便是目标之一。在此方面,他的团队已经在aBACTER项目中合成了300种其他变体:例如增加体内的活性水平,或确保其不会与任何人类必需的蛋白质结合。可以肯定的是,该药物能够以片剂形式给药,第一次的实验已经显示了其有效性,下一阶段则是临床开发。科学家们还发现,该活性成分同样具有抗结核作用。“我们现在希望对其进行修改,以便可以将其用于具有双细胞膜的革兰氏阴性细菌。”Sieber解释说。他的想法不仅止步于此:Sieber不仅期待与多家公司展开合作,还计划雇用一位掌握机器学习方法的员工。首批尝试已见成效:例如,美国的一个研究人员小组最近借助计算机测试了数百万个分子结构的抗菌效果,并找到了某些意料之外的物质。简而言之:抗生素开发的复兴显然已经揭开序幕。
我们的承诺
2012年,联合国制定了17项可持续发展目标(SDG),以应对全球面临的紧迫的环境、政治和经济挑战。三年后,这些规则被所有成员国采纳。我们努力使自身工作有助于实现这些宏伟目标。我们支持和促进下一代抗生素的研究,这符合“目标17——为实现目标缔结伙伴关系:鼓励和促进有效的公共、公共-私营和民间社会伙伴关系,运用伙伴关系的经验和资源战略。”这就是为什么我们将“未来洞察奖”授予那些正在开发全新策略,以帮助解决细菌对多种药物耐药问题的科学家。
深入了解Additional sources
- Future Insight Prize (Merck): http://futureinsightprize.merckgroup.com
- https://www.professoren.tum.de/en/sieber-stephan Professor Stephan A. Sieber, TU Munich
- https://www.department.ch.tum.de/oc2/home/ Sieber Research Group
- https://www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/details/35823/ From cancer medication to antibiotic, TU Munich (12/16/2019)
References
[1] https://accesstomedicinefoundation.org/amr-benchmark/the-fragile-antibiotic-market-has-reached-a-tipping-point 或2020抗菌素耐药性基准报告 https://accesstomedicinefoundation.org/publications/2020-antimicrobial-resistance-benchmark
[2] https://www.who.int/news-room/detail/27-02-2017-who-publishes-list-of-bacteria-for-which-new-antibiotics-are-urgently-needed
[3] https://www.tagesschau.de/inland/antibiotika-keime-resistent-101.html 与《柳叶刀》2019年原始研究:https://www.thelancet.com/journals/laninf/article/PIIS1473-3099(18)30605-4/fulltext
[4] https://www.cdc.gov/drugresistance/biggest-threats.html
[5] https://www.tagesschau.de/ausland/antibiotika-113.html(2019年10月22日)与
https://www.tagesschau.de/ausland/antibiotika-indien-107.html(2020年3月2日)
[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Antibiotikum
[7] https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cbic.200800743
[8] https://www.nature.com/articles/s41557-019-0378-7 , Nat. Chem. 12, 145–158 (2020)