从抗生素到微生物药物
2008-02-17 12:51:47   来源：本站原创   评论：0 点击：

    微生物产生的次级代谢产物具有各种不同的生物活性，抗生素是人们熟悉的具有抗感染、抗肿瘤作用的微生物次级代谢产物。自从20世纪40年代初青霉素用于临床以来，抗生素为人类作出了卓越的贡献。随着这一领域的迅速发展，在发展传统抗生素同时，国外很多大制药公司的研究机构和有关的科研院所将更多的精力投入到其他具有生理活性作用的微生物次级代谢产物的研究，并取得了丰硕的成果。
     从微生物次级代谢产物中寻找药物的依据是：自然界中微生物的多样性及其代谢产物的多样性，已经作为药物给予了人类巨大的贡献。特别是这些小分子次级代谢产物往往用化学的方法是难以合成的，或即使能够在实验室得以合成但往往难以实现产业化，以及这些小分子物质往往可以作为先导化合物，再通过化学修饰的方法或是以此为先导直接通过化学的方法，得到具有应用价值的药物。这在目前临床应用的各种疾病治疗领域，几乎都能够发现这些药物。能够从微生物代谢产物中有效地寻找到具有各种生理活性作用的药物的技术支撑是：随着生命学科的发展，很多与体内疾病发生有关的病因学机理得以阐明、药物的作用靶点可以在体外建立模型并得以进行大规模的筛选，以及其他相关技术的应用，如计算机技术、分离纯化技术和菌种培养技术等。本文就从抗生素到微生物药物的发展概况作一简要的介绍。
    一、从抗生素到微生物药物的发展概况
    1、抗生素的一般定义
    抗生素是微生物在新陈代谢过程中所产生，具有抑制他种微生物生长及活动，甚至杀灭他种微生物的性能的化学物质。与之有关的常见名词包括有：抗生素（antibiotics）、抗感染药物（anti-infective agents）、抗微生物药物（anti-microbial agents）以及抗菌药物（antibacterial agents）等。
    2、微生物药物的一般定义
    微生物药物是指由微生物在其生命活动过程中产生的、具有生理活性（或药理活性）的次级代谢产物及其衍生物。这些次级代谢产物包括：具有抗微生物感染、抗肿瘤、特异性酶抑制、受体拮抗、免疫调节和抗氧化等作用的化学物质。
     1990年，美国学者Monaghan把这样的物质称之为Biopharmaceutins(注意与 Biopharmacetics的区别)。1992年，中国抗生素专业委员会把其称之为Microbial Medicine。
    3、微生物药物学的研究内容
     微生物药物学是药学的一个分支，它的研究内容包括：微生物药物的生物合成、代谢调控、作用机制和耐药性机制的研究、产生菌的菌种选育以及寻找新药的基本方法和途径等。
    利用微生物进行药物制备过程中的一步或几步转化反应，即生物转化，也涉及到微生物药物学研究的内容。
     在国内，还没有见到微生物药物学的英文名。作者认为：根据微生物药物学所涉及的内容，似乎称之为Pharmaceutical Microbial Chemistry比较合适。
    4、寻找微生物药物的基本途径和方法
     实施一个成功的筛选新微生物药物的计划，理论上应该是将几门主要学科融于一体的科学分支。它们主要包括微生物学、分子生物学和药理学以及天然产物化学等。
     从早期随机筛选抗生素的计划来说，微生物生态学、微生物学和化学代表了该计划的推动力。即在当时，一个新的微生物的发现，往往能够从其代谢产物中找到具有新化学结构的活性物质。而随着发现新微生物菌种的几率愈来愈少，以及随着分离纯化技术的发展和结构解析技术的发展，人们更多关注的是如何获得具有新颖化学结构的物质。20世纪70年代以来，随着生命科学的发展，机体内很多疾病的病因学原理被阐明并发现了其药物的作用靶点，与此同时，生物技术的发展使体内的药物作用靶点可以在体外建立并应用于药物的筛选。因此，最近20多年推动药物发现的主要动力来自于分子生物学和药理学的发展。
    5、从抗生素到微生物药物的发展概况
    重要阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 第四阶段 第五阶段
    大致年代 1929年 40年代 60年代 70年代 80年代
    特征 抗生素化疗时代的开创 抗生素发展黄金时期的出现 半合成抗生素的发展 寻找微生物来源的其他生理活性物质时代的开创 构建产生新抗生素和具有新特性的基因工程菌
    代表品种 青霉素 链霉素 6-APA 酶抑制剂免疫调节剂 美达紫红素双氢瘤紫红素
    代表人物 FlemingChainFlorey Waksman Beecham和 Glanxo公司 梅泽滨夫 Hoopwood
    意义 认识了微生物代谢产物的拮抗作用 开始系统地从土壤微生物中筛选抗菌、抗病毒、抗肿瘤等抗生素 大大地丰富了抗生素的品种，得到了临床效果更好的抗生素 开拓了微生物代谢产物的应用范围 开拓了微生物代谢产物的应用范围
    二、抗生素发展概况
    1、直接来源于发酵的抗生素的发展
     Fleming发现青霉素，对人们认识微生物代谢产物的拮抗作用和及其应用具有划时代的意义，而Waksman等发现链霉素标志着从微生物代谢产物中寻找抗生素的黄金时代的到来。在以后的30年间，发现了大量的直接来自于微生物代谢产物的抗生素，其中很多品种一直在临床和农牧上应用。这些品种从化学结构类别包括：
    β—内酰胺类：青霉素G、青霉素V；
    氨基糖苷类： 链霉素、卡那霉素、庆大霉素、双氢链霉素、福提霉素、核糖霉素、西梭米星、
    小诺霉素、春日霉素、巴龙霉素、青紫霉素；
    大环内酯类： 红霉素、螺旋霉素、柱晶白霉素、麦迪霉素、交沙霉素、泰乐菌素、维及尼
    亚霉素、阿弗米丁；
    四环类： 四环素、金霉素、土霉素；
    环肽类： 杆菌肽、环丝氨酸；
    糖肽类： 万古霉素、博莱霉素；
    多肽类： 多粘菌素、放线菌素D；
    多烯大环类： 两性霉素B、制霉菌素、杀假丝菌素；
    聚醚类： 盐霉素、莫能霉素；
    蒽环类： 柔红霉素、阿克拉霉素；
    醌类： 丝裂霉素C；
    甾体类： 羧链孢酸；
    核苷类： 阿糖腺苷、嘌呤霉素、多氧菌素、日光霉素；
    安莎类： 利福霉素；
    其他： 灰黄霉素、新生霉素、林可霉素、磷霉素、氯霉素、赤霉素、有效霉素（井岗霉素）；
     以上这些直接来源于微生物发酵获得的抗生素从其应用而言，所涉及到的治疗领域包括抗细菌、抗真菌、抗肿瘤、抗虫、抗植物病原菌以及植物生长促进剂等。从其化学结构而言，主要包括了氨基糖苷类、大环内酯类、蒽环类、四环类、糖肽类、聚醚类、环肽类和甾体类等。从微生物的来源而言，其可以是细菌、放线菌，也可以是真菌，但绝大多数是放线菌中的链霉菌。它们在临床和农牧的防病治病上起着重要的作用。其中氯霉素和磷霉素已经被化学合成法代替。
    2、半合成抗生素的发展
     随着青霉素的大量使用和其他抗生素的使用，临床上出现了耐药菌并愈趋严重，其他一些副反应也不断出现。同时，直接从微生物代谢产物中寻找新抗生素的几率愈来愈少。这就促使药物化学家试图寻找临床上能够对付耐药菌和提高疗效的新型药物。对原有天然抗生素的进行结构改造寻找更好临床效果的衍生物就是研究的一个主要方向。因此，抗生素发展到20世纪60年代，蓬勃掀起了半合成抗生素的研究。
     半合成青霉素的发展：1959年，英国的Chain利用大肠杆菌酰胺酶裂解青霉素G获得了6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic, 6-APA）。同年，英国Beecham公司从6-APA合成了苯乙青霉素，以后又合成了一系列具有抗耐药菌作用的半合成青霉素。
     半合成头孢菌素的发展：受半合成青霉素研究成功的启发，英国Glanxo公司的研究人员，从低活性的头孢菌素C经化学裂解得到了7-氨基头孢烷酸（7-aminocephalosporin acid, 7-ACA），从此，半合成头孢菌素的工作开始活跃起来，并大大地推动了整个天然抗生素结构改造工作的开展。目前临床使用的抗感染抗生素中，发达国家ß-内酰胺类占60%以上，我国约占20~30%左右。
    其他半合成抗生素的发展：在改造青霉素和头孢菌素化学结构的同时，对其他类别的抗生素结构改造工作也在活跃地进行，并取得了有效的成果。如大环内酯类：乙酰螺旋霉素、丙酰螺旋霉素、乙酰麦迪霉素、乙酰交沙霉素、阿齐霉素、罗红霉素、氟红霉素、地红霉素、克拉红霉素等。氨基糖苷类：奈替西梭米星、异帕米星、阿米卡星、阿贝卡星、地贝卡星、依替米星等。四环类：强力霉素（脱氧土霉素）、二甲胺四环素、去甲金霉素、甲烯土霉素等。抗肿瘤类：阿霉素、表阿霉素、4-氢吡咯阿霉素、4-脱氧柔红霉素、培罗霉素等。农牧类：依弗米丁、乙酰泰乐菌素等。
    3、抗耐药菌抗生素的发展
     利用超敏感菌筛选模型获得的ß-内酰胺酶抑制剂棒酸的发现，以及随后化学合成得到的舒巴坦和他佐巴坦等与ß-内酰胺抗生素的合并使用，有效地控制了产ß-内酰胺酶耐药菌引起的感染。新型ß-内酰胺类抗生素碳青霉烯抗生素硫霉素的发现和随后化学合成的一系列药物，抗菌谱广，对革兰氏阳性菌和阴性菌、需氧菌和厌氧菌都有很强的抗菌活性，且对ß-内酰胺酶稳定。糖肽类抗生素万古霉素作为抗MRSA感染的主要药物，在临床上起到了重要的作用，以及随后发现的肽古霉素、达托霉素和雷莫拉宁等对不同的耐药菌都具有很强的抗菌活性。链阳性菌素A和B的半合成衍生物喹努普丁和达福普丁的混合物共杀霉素（synercid），由于其具有协同作用而具有更强的抗菌活性。对四环素结构改造得到的13-[（3-氯丙基）硫]-5-羟基-α-6-脱氧四环素，是一个很好的外泵抑制剂，它与四环素合并使用对许多四环素耐药菌具有协同作用；[（二甲胺）甘氨酰氨基]6-去甲-6-脱氧四环素对二甲胺四环素耐药的MRSA有效。另外，正在进行临床前研究的MC-207,110具有外泵抑制剂的作用，其本身无抗菌活性，但可与β—内酰胺类、大环内酯类和氟喹诺酮类合用提高抗菌活性，如与左旋氧氟沙星合用对耐药的绿脓杆菌MIC下降4—64倍；与红霉素合用对耐药大肠杆菌MIC下降64—128倍。由此可见，寻找对耐药菌更为有效的新的抗生素仍然是一个比较活跃的研究领域。
    3、微生物来源的其他生理活性物质----微生物药物的最新组成部分
     除传统的抗菌抗生素和抗肿瘤抗生素外，作为微生物药物最新组成部分，酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等。这些在体外建立的筛选模型中，酶抑制剂模型为最多，如：
    具有降血脂作用的酶抑制剂模型：
     HMG-CoA还原酶和合成酶抑制剂、鲨烯合成酶抑制剂、ACAT抑制剂、胰脂酶抑制剂、淀粉酶抑制剂、糖苷酶抑制剂、胰胆固醇酯酶抑制剂、甘油-3-磷酸酯脱氢酶抑制剂、二酰基甘油酰基转移酶抑制剂和胆固醇酯转移蛋白抑制剂。
    具有降血压作用的酶抑制剂模型：
     酪氨酸羟化酶抑制剂、多巴胺-ß-羟化酶抑制剂、儿茶酚-O-甲基转移酶抑制剂、ACE抑制剂、肾素抑制剂、内皮素转换酶抑制剂和磷酸二酯酶抑制剂等。
    具有抗血栓作用的酶抑制剂模型：
     凝血酶抑制剂、血小板凝集抑制剂、XIIIa因子抑制剂和血小板活化因子酰基转移酶抑制剂等。
    具有抗肿瘤作用的酶抑制剂模型：
     蛋白激酶C抑制剂、蛋白酪氨酸激酶抑制剂、拓扑异构酶抑制剂、法尼基转移酶抑制剂、血管生成抑制剂、芳香酶抑制剂、谷胱苷肽转移酶抑制剂、二酰基甘油醇激酶抑制剂、IV型胶原酶抑制剂、肝素酶抑制剂、硫氧还蛋白抑制剂、DNA回旋酶抑制剂、变构反转录酶抑制剂、HIV蛋白酶抑制和HIV逆转录酶抑制剂等。
    具有抗炎症作用的酶抑制剂模型：
     5-脂氧酶抑制剂、磷酸脂酶A2抑制剂、白细胞弹性硬蛋白酶抑制剂和溶磷脂酶抑制剂等。
    其他一些酶抑制剂模型：
     门冬氨酸激酶抑制剂、肌浆球蛋白轻链激酶抑制剂、内肽酶抑制剂、外肽酶抑制剂人鼻病毒3C-蛋白酶抑制剂、乙酰胆碱酯酶抑制剂、白细胞介素-1ß转换酶抑制剂、醛糖还原酶抑制剂和5-α-还原酶抑制剂等。
    近年来，很多微生物来源的免疫调节剂和酶抑制剂被开发成为极其重要的临床用药如：
     已用于临床的免疫抑制剂：环孢菌素A、雷帕霉素（rapamycin,sirolimus）、FK-506(tacrolimus) 、霉酚酸(mycophenolate)、15-脱氧精胍菌素(gusperimus )和咪唑立宾(mizoribine)等。
    已用于临床的免疫增强剂：乌本美司（bestatin，ubenimex）。
    已用于临床的降血脂药物：普伐他汀、洛伐他汀。
    已用于临床的抗II型糖尿病药物（α-葡萄糖苷酶抑制剂）：阿卡波糖、米格列醇和伏格列波糖等。已用于临床的减肥药（胰脂酶抑制剂）：奥利司他
    已用于临床的抗帕金森氏药：溴隐亭
    4、通过微生物转化制备的有关药物
     在过去的30多年中，微生物转化或酶转化技术在有机化学合成领域中的尝试使不仅在理论研究的同时，在实际应用方面都取得了长足的进步。许多化学合成工艺相当复杂的药物、食品添加剂、维生素、化妆品和其它一些精细化工产品合成过程中的某些重要反应，目前已经能够用微生物或酶转化技术得以替代。在许多国外文献中经常能够看到的描述这种技术的名词有：microbial transformation、microbial conversion、biotransformation、biotransconversion和enzymation等。
     微生物转化的本质是某种微生物将一种物质（底物）转化成为另一种物质（产物）的过程，这一过程是由某种微生物产生的一种或几种特殊的胞外或胞内酶作为生物催化剂进行的一种或几种化学反应，简言之，即为一种利用微生物酶或微生物本身的合成技术。这些具有生物催化剂作用的酶大多数对其微生物的生命过程也是必需的，但在微生物转化过程中，这些酶仅作为生物催化剂用于化学反应。由于微生物产生的这些能够被用于化学反应的大多数生物催化剂不仅能够利用自身的底物及其类似物，且有时对外源添加的底物也能催化非天然的反应（unnatural reactions），因而微生物转化可以认为是有机化学反应中的一个特殊的分支。
     将微生物转化技术应用于药物制备，主要解决采用化学的方法难以解决或无法实现工业化的复杂反应，如手性中间体的制备和对映体的拆分等。在已经上市和正在开发的许多药物中是结合采用微生物转化技术实现的，如甾体药物、抗高血压药物（S）-卡托普利、解痉药物（R）-巴氯芬、降糖药物格列吡嗪、钙通道拮抗剂地尔硫卓、非甾体消炎药物萘普生、布洛芬和酮洛芬、ß-内酰胺类抗生素氨苄青霉素和头孢氨苄、抗病毒药物利巴韦林和扎那米韦、抗帕金森氏症药物L-多巴以及抗哮喘并药物L-麻黄碱和D-假麻黄碱等。其他一些如L-肉碱、R-（+）硫辛酸、D-泛酸和多不饱和脂肪酸等。关键中间体如6APA、7ACA和7ADCA、D-苯苷氨酸和D-对羟基苯苷氨酸等。