多药耐药（multidrug-resistant, MDR）革兰氏阴性细菌是抗生素耐药感染引起的死亡人数不断增加的原因之一，对公众健康构成严重且日益增长的威胁。目前使用的许多关键的革兰氏阴性活性抗生素要么是细菌代谢物，要么是受细菌代谢物启发。事实上，细菌的天然产物粘菌素被用作抵御多种耐多药革兰氏阴性病原体(尤其是碳青霉烯耐药菌)引起的严重感染的最后一道防线。粘菌素与脂多糖 (LPS) 的一部分结合，破坏细菌膜的完整性并最终导致细胞死亡。不幸的是，粘菌素在动物生产中的广泛使用，以及它在人类药物治疗中越来越多的使用，导致耐药性临床分离株的增加令人不安。尤其值得关注的是最近出现的质粒携带的动员粘菌素抗性(mcr-1)基因及其相关基因在全球的迅速传播。基因mcr-1编码磷酸乙醇胺(PEtN)转移酶，该转移酶将PEtN附加到脂质A上的磷酸盐，从而减少粘菌素和LPS之间的静电相互作用，使细菌对粘菌素产生抗性。自2015年首次被发现以来，mcr-1已在世界各地的众多革兰氏阴性病原体的临床分离株中被检测到。细菌衍生的抗生素通常在自然界中作为由进化相关的生物合成基因簇编码的相似结构的集合出现。这种结构的多样性，至少在一定程度上，被认为是对自然耐药性发展的一种反应，自然耐药性通常会机械地模仿临床耐药性。

近日，美国洛克菲勒大学Sean F. Brady课题组创造性地提出了一种方案——mcr-1介导的耐药性可能是在自然发生的粘菌素同类中进化而来的。测序细菌基因组的生物信息学分析鉴定了一个生物合成基因簇，该簇被预测为编码一个结构上不同的粘菌素同源物。该结构的化学合成产生macolacin，它对表达mcr-1的革兰氏阴性病原菌和具有染色体编码磷酸乙醇胺转移酶基因的固有耐药病原菌具有活性。这些革兰氏阴性细菌包括广泛耐药的鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）和本质上耐粘菌素的淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae），由于缺乏有效的治疗选择，淋病奈瑟菌被认为是最高水平的威胁病原体。在小鼠嗜中性粒细胞感染模型中，macolacin的联苯类似物被证明对具有粘菌素耐药性的广泛耐药鲍曼不动杆菌有效，从而为克服粘菌素耐药性病原体提供了受自然启发且易于生产的治疗先导物。相关工作以“A naturally inspired antibiotic to target multidrug-resistant pathogens”发表在最新一期的《Nature》。

图1. Macolacin的发现：a 抗生素的广泛使用导致了临床环境中耐抗生素病原体的增加；b 粘菌素结构；c mac基因簇；d 预测的macolacin十肽与特征多粘菌素结构中发现的十肽的比较

Macolacin的发现

正如许多天然抗生素产品所发现的那样，粘菌素是一组结构上相关的代谢物的一部分，这些代谢物由进化上相关但不同的生物合成基因簇(BGCs)编码。最近，基因组和宏基因组序列数据的指数增长为研究细菌BGCs提供了一扇窗口，而迄今为止，在寻找新抗生素的过程中，BGCs的功能仍然无法实现。为了系统地识别自然存在的多粘菌素家族成员，科研人员搜索了10858个细菌基因组来寻找多粘菌素/粘菌素样BGCs。每个BGC包含的基因内容和基因组织与之前发现的多粘菌素家族BGC相同，并预测每个BGC编码一个N-酰基化十肽。根据他们的 A 域特异性分析，类似地预测大多数测序的多粘菌素家族 BGC 会产生与先前表征的天然产物相同或几乎相同的 NRP 十肽。然而，在称为 mac BGC 的一种情况下，预测的十肽与共有序列相差四个氨基酸，这比在任何先前报道的同源物中发现的差异更大。像粘菌素一样，它在第 6 位包含一个 Leu，而不是更常见的 Phe。为了获得mac BGC的预测产物，研究人员使用固相合成来生成其生物信息学预测的线性十肽(图1e)。然后N端与(S)-6-甲基辛酸酰化，这是该类抗生素中最常见的脂类。

抗菌活性

研究者初步检测了macolacin对ESKAPE病原菌的作用，ESKAPE病原菌通常与医院耐药感染有关(表1)。Macolacin与粘菌素和多粘菌素B一致，显示出强效的窄谱革兰氏阴性活性。Macolacin和粘菌素对肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）的作用基本相等，而鲍曼不动杆菌和Macolacin对绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）和阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）的作用略低于粘菌素。

图2. macolacin的抑菌活性

为了明确检测macolacin对赋予粘菌素耐药性的PEtN转移酶的活性，我们使用了用含有mcr-1质粒(pMQ124-mcr-1或pMQ124xlab1-mcr-1)分别转化产生的肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌的粘菌素敏感株和耐药株。在粘菌素和多粘菌素B的情况下，mcr-1的表达导致最小抑制浓度(MIC)增加了32倍或更多。然而，macolacin显示对于MIC只有两到四倍增加,即使在粘菌素抵抗的最高水平(表1和图2 a、b)。尽管macolacin的活动很大程度上模仿粘菌素和多粘菌素B对colistin-sensitive病原体，它提供了相当大的活性以对抗抵抗粘菌素的病原体。

图3. 联苯macolacin的体内外活性研究

改善抵抗能力

在耐抗生素革兰氏阴性病原体中，耐碳青霉烯鲍曼不动杆菌(CRAB)被美国疾病控制和预防中心列为最高威胁级别。粘菌素已成为治疗这些病原体的关键治疗选择。然而不幸的是，含有mcr-1或相关mcr基因的菌株在世界各地的临床分离株中越来越多地被发现。因此，研究者选择集中开发一种macolacin类似物，它将有效地治疗高度耐粘菌素的CRAB感染。对A. baumannii粘菌素抵抗≤32 µg ml–1, macolacin保留有效的抗菌活性(MIC = 2 µg ml–1)。对于极高colistin-resistant A. baumannii (MIC >128 µg ml–1),macolacin的MIC略微增加到8 µg ml–1 (图3和表1)。尽管macolacin比粘菌素明显更强,其MIC超过了许多全球卫生机构为临床使用设定的阈值。本质耐药的淋病奈瑟菌也观察到非常相似的活性

小结：粘菌素在牲畜和人类医疗保健中的广泛使用导致mcr-1从环境转移到临床环境中，从而威胁到其作为抗生素的最后手段来对抗许多耐多药革兰氏阴性病原体。由于mcr-1 PEtN转移酶基因在土壤微生物中很常见，研究者推断自然选择可能导致粘菌素同源基因能够绕过这种的抗性机制。通过将基因组挖掘方法与同步- bnp方法相结合，在已测序的细菌基因组中鉴定出多粘菌素类BGCs，从而鉴定出macolacin是一种粘菌素类抗生素，对耐粘菌素的革兰氏阴性病原菌有效，耐药是由mcr-1或固有PEtN转移酶基因(eptA)介导的。通过对macolacin中的脂质取代基进行优化，得到联苯macolacin，它对因mcr-1的获得而对粘菌素产生耐药性的革兰氏阴性菌以及对固有的粘菌素耐药病原菌(如淋病奈瑟菌)表现出强大的活性。在未来，更多的动物模型研究将有助于确定在药物开发过程中移动联苯-macolacin必须解决的问题。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04264-x

来源：高分子科学前沿

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