抗菌藥物研發(fā)：機遇和挑戰(zhàn)同在

挑戰(zhàn)篇

高科技并非完美無缺

艱難的高通量篩選之路

大概有10%的靶標因為產(chǎn)生活性蛋白或底物，在化驗中的信噪比差等問題，或者因為這種化驗不能小型化到實用而不能達到高通量藥物篩選（HTS）階段。但是，靶標進入到HTS階段后并非從此一帆風順。

在1995年~2001年之間，針對收集的化合物（包括26~53萬種化合物），史密斯克萊-必康公司對抗菌藥物靶標進行了67次HTS。這是對單一治療領(lǐng)域篩選資源的空前集中，結(jié)果只有16次HTS獲得了采樣數(shù)，只有5次產(chǎn)生了引導。對于其余的采樣數(shù)，化學修飾未能產(chǎn)生符合引導標準的分子。研究人員根據(jù)這次結(jié)果得出結(jié)論認為，雖然HTS和采樣數(shù)的化學修飾確實產(chǎn)生出新型具有強力抗菌活性的化合物，但是它們的細菌譜十分有限，也就是說，成功的可能性與大量的研究努力相比，是非常低的。以葛蘭素史克（GSK）公司為例，在1995年~2001年之間，他們進行的70次HTS，只得到5個先導化合物，也就是說，平均要進行14次HTS才能發(fā)現(xiàn)一個先導化合物。根據(jù)GSK公司的篩選方法，抗菌HTS的成功率要比當時其他治療領(lǐng)域的靶標低4~5倍。當然，這在經(jīng)費上是無法支持的。

從HTS很難發(fā)現(xiàn)抗菌化合物，GSK公司并不是開展這類研究的惟一一家公司。1999~2004年之間的資料表明，有34家不同的公司共對60種不同的抗菌靶標進行了125次以上的抗菌篩選。但是在抗菌藥物產(chǎn)業(yè)鏈中，沒有出現(xiàn)新的藥物，由此可以明白這些篩選沒有產(chǎn)生出一個可靠的開發(fā)備選物?，F(xiàn)在知道的僅有靶向新抗菌酶（PDF）的兩種化合物已進展到I期臨床試驗。

據(jù)分析，抗菌HTS成功率差的潛在原因是復雜的。首先，一種最終能成為抗菌藥物的化合物必須能抑制許多不同革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌的生長，所有的細菌都有不同的分子靶標，不同的膜滲透性和不同的代謝途徑。制造這樣的化合物是一項重大的化學挑戰(zhàn)——革蘭氏陽性肺炎鏈球菌和革蘭氏陰性嗜血流感桿菌在遺傳學上的共性也許比人類和草履蟲的共性還少。此外，還要保證，有效抑菌血藥濃度達到最高時，其副作用能被機體容忍。最后，這種化合物必須具備一個具有競爭性和方便的定量投藥的藥理學特性。

基因組學有盲點

除了獲得引導物困難以外，基因組學分析的盲點也會導致在研發(fā)過程出現(xiàn)其他的意外。經(jīng)基因組學確定的靶標僅僅在進行了順序比較和產(chǎn)生了假定靶標而進行基因敲除的那些特殊菌株中得到了確認，這會導致在臨床應用中的不“實用”。例如，MetRS被選擇為肺炎鏈球菌，金葡菌和大腸埃希菌部菌株之間高度順序相同的靶標。但是，在臨床上，同類的靶標存在相當大的變異。雖然MetRS抑制劑針對金葡菌和各種腸球菌的菌株作用強，但是MetRS抑制劑對一組肺炎鏈球菌株的最小抑菌濃度(MICs)顯示雙峰分布。某些肺炎鏈球菌含有兩種不同的基因，其基因產(chǎn)物催化相同的tRNA氨基?；磻?，只有一種可被有效的MetRS抑制劑系列抑制。

如此以來，有成雙基因的情形則成了抗菌藥物研發(fā)致命的弱點。例如，作為抗菌藥物磷霉素的靶標，UDP-N-乙酰葡萄糖胺-烯醇丙酮酰轉(zhuǎn)移酶（MurA）在藥理上得到確認，值得進一步探索。但是，研究表明，一些革蘭氏陽性細菌基因組實際上具有兩個murA基因，這兩個基因都是必需的。為了殺死這種細菌，一種化合物必須能抑制兩種Mur酶，這一特征使得藥物更難設(shè)計或更難從篩選中發(fā)現(xiàn)。

全細胞抗菌篩選成功率低

缺乏有效的引導，加上將缺乏全細胞活性的化合物轉(zhuǎn)換成具有這種活性的困難，使得研究人員也是進行“憑經(jīng)驗”（不是根據(jù)靶標）的全細胞抗菌藥物篩選。

像各個抗菌靶標的生物化學篩選一樣，全細胞抗菌篩選的成功率是令人失望的。通過大量的令人厭煩的化合物的資料來定義抗菌活性是否非特異性機制還是特異性靶標的結(jié)果，是人們難以承受的。

機遇篇

基因組學時代帶來新希望

在20世紀90年代中期以前，人們對于開發(fā)效果高于β內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類或喹諾酮類的抗菌藥物并不是很熱心。但是，到了1995年，流感嗜血桿菌細菌基因組完全DNA順序的確定改變了一切——期望探尋數(shù)以百計的新基因作為可能的靶標激起了人們對抗菌藥物研發(fā)的新興趣。

一些大的制藥公司又返回到了抗菌藥物時代，利用源于基因組的，基于靶標的途徑來搜尋作用模式不同的新型藥物。例如，利用基因組學途徑，葛蘭素史克（GSK）公司花了7年時間評價了300多個基因作為新型抗菌藥物靶標的潛力，顯示160多個基因是重要的；對各個靶標共進行了70次的高通量篩選（HTS）。而這些方法與目前的合成化學物方式截然不同——目前臨床試驗中化合物主要由已經(jīng)發(fā)生耐藥機制的化學類的衍生物組成。新的衍生物可以暫時提高療效，但是因為基本的耐藥機制，不管是基于靶標，流出系統(tǒng)或酶調(diào)節(jié)，仍然存在，這些藥物幾乎沒有能力來對抗按小時進化的細菌。

大多數(shù)抗菌藥物抑制的細胞靶標都不多。例如，喹諾酮類藥物阻滯DNA旋轉(zhuǎn)酶（和拓撲異構(gòu)酶IV）；大環(huán)內(nèi)酯類，四環(huán)素和氨基糖苷類抗菌藥物則抑制核糖體功能；β內(nèi)酰胺類則阻斷細胞壁的生物合成。這些抗菌藥物是通過其化學結(jié)構(gòu)進行分類的，與它們抑制的靶標相對。雖然通過結(jié)構(gòu)改變，是增加藥物種類的首選方法，但是不能從根本上改變它們與靶標相互作用。

基因組學信息則為繼續(xù)探索已知的但開發(fā)不足的靶標提供了條件。例如，種屬不同而相關(guān)的革蘭氏陰性（流感嗜血桿菌和卡他莫拉菌）和革蘭氏陽性（肺炎鏈球菌，金葡菌和糞腸球菌）致病菌基因組DNA順序的比較，顯示基因是高度保存的。它們的這種特性提示，細菌的存活需要規(guī)范的功能，而不僅僅是因為種類特殊的作用，而基因組學為揭示這個規(guī)范提供了可能。所以有人認為，基因組學時代的來臨使抗菌藥物研發(fā)進入了一個充滿希望的新時代。

策略篇

改變研究途徑

由于HTS的結(jié)果常常令人失望，無論是科學上，還是經(jīng)濟上，要簡單地保持篩選更多的靶標是不太可能的。先導化合物最優(yōu)化階段的經(jīng)驗表明，從單一計劃到產(chǎn)生高質(zhì)量的廣譜抗菌藥物研發(fā)備選物需要付出巨大而長期的努力。因此，抗菌藥物的研發(fā)策略需要變化。

研究重點后移

早在幾年前，GSK公司就著手改變其抗菌藥物的研究策略，以應對這些關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)。他們把工作的重點轉(zhuǎn)移到了精選出來的后期先導物研究計劃，決定繼續(xù)從事僅限于靶標選擇的廣譜抗菌藥物。為了使后期計劃能夠達到生物學和化學資源的最優(yōu)化，所有處于“HTS到先導物”階段的早期計劃都被終止，針對抗菌藥物治療領(lǐng)域的HTS則暫時停止。

他們首先重新考慮了已知的抗菌分子，以研究是否可以改進其抗菌和可發(fā)展的特性。按照此思路，研究人員已經(jīng)以不同的方式改變了截短側(cè)耳素的核心結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的3種衍生物目前已經(jīng)進入臨床試驗。研究還使用了引導物分子的老式方法：對小型的不連續(xù)的化合物庫進行抗菌活性的篩選。研究發(fā)現(xiàn)了一類能抑制細菌DNA復制的新型化合物，其中一些也已經(jīng)進入開發(fā)階段。

迄今為止，GSK公司采用這種策略已經(jīng)產(chǎn)生了6個備選物，現(xiàn)在正處于進一步研究中?，F(xiàn)在雖然還不能斷言成功，但是以研發(fā)備選藥物的數(shù)量來衡量，在過去4年的研發(fā)能力要比過去20年還要大。

與此同時，他們的研究并沒有完全放棄抗菌藥物研發(fā)的早期部分。化合物的收集已經(jīng)充分得到擴展，并且在質(zhì)量上得到提高，因為已經(jīng)完成了基于基因組的篩選工作，而且，研究人員正試圖創(chuàng)建更適合抗菌藥物靶標的分子庫。

關(guān)注簡單而優(yōu)秀的靶標

許多經(jīng)驗都證明，針對孤立細菌靶標的化合物合成庫的篩選，不足以產(chǎn)生新的抗菌藥物先導化合物。

除非有大量的合成化學研究，能將良好的酶抑制劑轉(zhuǎn)換成可滲透的抗菌藥物，否則篩選細胞內(nèi)蛋白質(zhì)靶標——尤其是獨立的酶——則注定是要令人失望。一般來說，細胞外的靶標總是引人注目的，尤其是對于生化篩選，因為不需要穿過細胞壁。

設(shè)計HTS化驗來用于現(xiàn)代大規(guī)模自動化篩選往往包括折衷的方法，例如采用非自然的底物或人工反應環(huán)境。此外，通過HTS獲取這種酶的本質(zhì)功能的充分試驗可能缺乏。這些問題對于一個新靶標也許更是一個問題。

某些靶標易控制，也容易出成果，例如核糖體和促旋酶具有多種類型已發(fā)表的先導化合物和上市藥物，而另一些基本的基因產(chǎn)品現(xiàn)在還沒有找到抑制劑。針對易控制的靶標，例如DNA復制，核糖體和細胞壁生物合成過程的研發(fā)新策略是更合理的策略。專家認為，關(guān)注這些簡單而優(yōu)秀的靶標要比關(guān)注一個新的靶標更好。

加強自然產(chǎn)物的篩選

在搜索一種新靶標時，可供篩選化學物的差異性是一個極其重要的因素。大多數(shù)大型制藥公司的收集化學品是為進行篩選抗菌藥物之用。但是，抗菌藥物之樹上低垂的果實可能已經(jīng)被摘走。由于采用相似的化學合成方法和從相同的供應商獲得化合物。不同公司的合成篩選收集可能有很多重疊，因此，需要有化合物的新來源。

幸運的是，奇異的生物體正在不斷地從各種各樣極端的生物環(huán)境中分離出來，同時攜帶著它們自身的化學防御機制。這些自然發(fā)生的生物體，與采用組合遺傳學和可供應用的新異代謝途徑產(chǎn)生的重組生物體一起，也許能釋放大量的新化合物。所以，應大力提倡自然產(chǎn)物的篩選，以搜索新的抗菌化合物。