抗生素发展的过去，现在与将来

抗生素在传染病的治疗中发挥着重要作用，从癌症化疗到器官移植，再到复杂的外科手术，抗生素对感染的控制是现代医学取得许多显著进步的基础。目前，抗生素的使用在21世纪的背景下面领着两大挑战：首先，随着时间的推移，这些药物靶向的微生物对它们产生了耐药性。第二，由于抗生素的发现和开发效益大不如前，致力于提供新抗生素的公司和实验室越来越少，导致市场供应不足，威胁到我们对感染性疾病的控制。因此，在抗生素的开发领域急需进行创新，这需要政策上的重大改变，重新估量其社会价值。此外还需要对传统抗生素替代品进行投资，其中包括窄谱抗生素、噬菌体、单克隆抗体和疫苗，以及高效的诊断方法。那么，如何解决目前面临的抗生素“危机”呢？本期内容为大家介绍抗生素疗法的过去、现在和未来。

在前抗生素时代，人类一半以上的死亡可归因于感染。随着抗生素和其他感染控制手段的引入，感染造成的死亡比例显著下降。因此，在不到一个世纪的时间里，全球人类的寿命延长了10-20年。在过去的60年里，抗生素耐药性的出现推动了对发掘新的抗生素的需求，也促使人们更加谨慎地管控抗生素的使用。不幸的是，由于巨大的科学和经济挑战，新抗生素进入市场并交付给卫生保健工作者和患者的速度处于80年来的最低点。许多人担心，由于抗生素药物发现和开发管道缺乏创新，我们可能正在接近一个“后抗生素时代”，在这个时代， 20世纪发现的感染治疗药物在21世纪可能不再有效，比如泛耐药的鲍曼不动杆菌和结核分枝杆菌。

01

抗生素耐药性产生的生物机制和社会因素

临床对有效抗生素的需求日益增长是全球多药耐药(MDR)生物兴起的结果。20世纪中期是抗生素时代的黎明，大多数引起感染的微生物通常对抗生素敏感。由于自然选择的进化，微生物对抗生素的耐药现象越来越普遍。细菌耐药性的产生主要由两个原因导致:（1）DNA复制出错导致细菌中出现对药物不敏感的突变体，这些突变体在细菌种群中垂直传播，并通过细菌之间的水平转移获得耐药基因。（2）DNA聚合酶错误率在大量细菌环境中（如感染部位）的积累。导致耐药菌株的出现，这些突变体可以改变药物对分子靶点的亲和力，或促使细胞中的抗生素外排异常，导致耐药性和治疗失败。

细菌捕获质粒和转座子等遗传元件上的抗药性基因是大多数药物面临的最大挑战。通常，这些可移动的遗传元件上含有许多抵抗多种抗生素的抗性基因。在医疗机构和环境中混合生物，例如在废水处理厂、饲养场、水生系统和施肥土壤中，为微生物之间交换基因提供了机会。结果是越来越多的致病细菌分离株获得了一个或多个耐药基因，产生多药（MDR）、极端耐药（XDR）和泛耐药表型。此外，曾经主要存在于大量使用抗生素的卫生保健或农业环境中的耐药微生物（例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌），现在越来越多地在社区中传播。这威胁着我们过去几十年在医学上取得的进展。

图1 抗生素耐药性的社会因素

02抗生素药物的发现和开发情况

在1928年发现青霉素之后，寻找新抗生素的黄金时代真正开始于1940年代，当时微生物学家Selman Waksman通过系统地测试土壤微生物（主要是链霉菌）利用细菌生产抗生素的能力，在1943年发现了链霉素，成为用于治疗结核病的第一种抗生素。Waksman使用的方法被制药行业广泛采用，并在接下来的20年中陆续发现了其他类别的抗生素。

图2 抗生素发现的时间线

尽管Waksman的这一策略被证明是药物发现领域的范式转变，但它在现阶段开发新型抗生素的应用方面不太成功，此外由于将药物推向市场的成本不断膨胀，以及与其他类别的药物相比，抗生素的投资回报率较低，促使许多大型制药公司放弃了这一领域。曾经有一些小公司填补了这一空白：Achaogen（AKAO）公司生产了一种氨基糖苷类抗生素，对许多耐药生物都有活性;Tetraphase（TTPH）制药公司开发了活性提高的合成四环素抗生素。遗憾的是，尽管这些发现获得了FDA批准，但最终公司还是破产或以贱卖的价格重新分配资产。基于这些原因，目前无法吸引新的抗生素研发投资。

2019年，全球120万人死亡与抗生素耐药性有关。据估计，如果目前的情况保持不变，那么到2050年，每年将有1000万人死于以前很容易用抗生素治疗的感染。为了更好地加强各地区、国家和全球的抗菌药物管理，遏制或降低细菌耐药性发展，世界卫生组织WHO制定并公布了抗菌药物AWaRe分级目录，并建立了相应的在线数据库（https：// adoptaware.org/）。AWaRe是access（可用）、watch（慎用）和reserve（备用）3个英文单词的缩写。尽管这些政策指导方针可能延长抗生素的使用寿命，但也会进一步降低抗生素开发的经济前景。

值得庆幸的是，传染病界已经认识到激励药物研发的重要性。目前， CARB-X、GARDP、REPAIR等相关抗生素研发项目得到了一定的基金支持。但这些项目与药物销售量脱钩，阻碍了将抗生素推向市场的公司和投资者收回投资。为了解决这一问题，卫生经济学家和政策制定者开始试验性的“拉动”供资策略，为投资者提供合理的投资回报。例如，英国已经开始了一项开发订阅模式的试点工作，在该模式下将积极投资满足特定临床需求的抗生素，不论药物销量如何都对生产这些抗生素的公司进行补偿。这样的模式保证抗生素药物开发人员有可预测的投资回报，从而激励其开发项目。抗生素研发的监管环境也在进一步改善，例如允许公司放弃成本高昂的大型随机双盲临床试验，转向针对罕见和严重疾病(如多药耐药的感染)的适应性许可策略，在这种策略中，通过对风险效益的不断评估，给予限制性批准。

03抗生素开发路上的阻碍

为了使抗生素有效，抗生素的浓度必须足以尽可能快速有效地抑制传染性微生物的生长。因此，抗生素药物的毒理学和药理阈值要明显高于其他医学领域的候选药物。此外，由于细菌产生耐药性的机制过于复杂多变，为预测有效候选药物的物理特性而制定的标准，如筛选类药分子的五条基本法则，简称Rule of 5(Ro5)，也并不适用于抗生素的开发。

图3 抗生素耐药性的生物学机制

此外，鉴于革兰氏阴性、革兰氏阳性和分枝杆菌之间的生理、基因组和生化差异，抗生素本身的特性没有可靠的通用指南。微生物的生理和结构属性与抗生素独特的理化性质相结合，使得广谱药物的发现非常具有挑战性。为了应对这一挑战，开发具有更窄抗菌范围的抗生素药物值得考虑。此外，窄谱抗生素药物不太可能严重扰乱患者的微生物群，而这是广谱抗生素药物常见的副作用，可导致艰难梭状芽孢杆菌等难以治疗的细菌过度生长。

开发抗生素类药物的另一个障碍是传染病病原体的可靠鉴定。目前，导致感染的细菌病原体的鉴定需要几个小时到几天的时间。因此，快速、低成本、高可靠性的即时诊断技术的发展可以显著促进抗生素的发现和开发。“STEDI”原则被提出作为开发抗生素的指南，该原则的评估方法与传统的评估有显著区别，基于STEDI原则可以估计抗生素的全部价值，使其可用于医疗体系。

04现有抗生素开发管线

Pew Trust对处于临床开发不同阶段的抗生素进行了调查。他们报告说：2020年12月，有43种抗生素处于1、2或3期临床试验或等待批准。正在开发的抗生素中，有四分之三来自现有药物，其余类型主要是针对新的靶点或者新的化学支架。CARB-X和GARDP等非营利实体正在帮助减小新型抗生素发现与开发之间的差距，但抗生素发现方面的早期创新仍然存在资源不足的危险。鉴于将发现带入开发并最终进入临床实践的失败率很高，必须优先考虑激励创新和发现的努力，以确保未来有一个健康的开发管道。尽管存在这些挑战，但仍有一些有前途的药物即将问世，比如重氮双环辛烷，头孢吡醇等，其中一些最近已进入临床应用。

图4 2014年-2020年革兰氏阳性和革兰氏阴性抗生素开发管线

针对特定病原体的窄谱药物正在开发中，但到目前为止还未取得显著的成功。多药耐药的淋病奈瑟菌是一个日益严重的全球公共卫生威胁，现有两种候选药物Gepotidacin和Zoliflodacin正在进行3期临床试验，提供了两种不同的新型抗生素化学支架，可抑制细菌II型拓扑异构酶。尽管这些化合物被开发为在淋病奈瑟菌特异性疗法中，这两种化合物对一系列病原体都具有活性，并不是真正的窄谱药物。舒巴坦和二氮双环辛烷杜罗巴坦(Durlobactam)的组合正处于多药耐药的鲍曼不动杆菌引起感染的3期试验种。

一项令人鼓舞的创新是合成杂化抗生素-铁载体缀合物。铁载体是细菌产生的分子，用于捕获环境中的铁并将其送回细胞，在细胞中许多代谢过程都需要铁。通过制造偶联抗生素-铁载体，即铁霉素，该抗生素可以利用铁载体转运体进入细胞。第一个临床批准的铁霉素是头孢他啶醇，这一种由头孢他啶类头孢菌素模块和邻苯二酚铁载体组成的杂化物，该抗生素对鲍曼假单胞菌和铜绿假单胞菌等革兰氏阴性菌表现出良好的活性。

05抗生素的未来

从根本上说，抗菌素耐药性问题是一个动力学问题:耐药菌株迅速出现，而抗菌素开发缓慢。已经制定了许多策略试图改变这一现状，但目前收获还不够。下面，我们概述了在未来抗菌素领域有希望的一些创新。

1.小分子抗生素

我们目前的小分子抗生素主要来源于微生物天然产物，但时从这个资源中很难识别新的化合物。放线菌一直是抗生素的主要来源，现阶段可以通过探索其他种属的细菌发现新型抗生素。例如，Lewis已经确定了两种具有新型作用模式的抗生素，一种是Teixobactin，来自于利用隔离芯片(iCHIP)从土壤样本中分离出来的β-变形杆菌 “Eleftheria terrae sp.”，另一种是Darobactin，是2019年从嗜线虫发光杆菌的代谢产物中发现的一种新型核糖体肽(RiPP)。

环境中的许多细菌，如放线菌，拥有产生20到40种天然产物的遗传程序，而真菌可以包含更多。利用现代基因组学、基因组挖掘、合成生物学和分析化学可以帮助我们发掘这些天然产物中的新型抗生素。这种方法的一个例子是分析放线菌基因组数据的糖肽抗生素生产特征。通过将已知的耐药机制与生物合成相关联，确定了可能产生易受现有耐药性影响的糖肽抗生素的候选基因组。在编码与糖肽生产相关基因但缺乏已知耐药基因的生产者中，可以识别出几种与万古霉素活性谱相似但不具有耐药性的新抗生素。这些抗生素有一种新的作用模式:通过阻断子细胞分离所必需的自溶素的活性来抑制细胞分裂。新型抗生素的另一个来源是合成分子。也许是受到詹姆斯·布莱克爵士的格言“从旧药开始寻找新药”的启发，迈尔斯实验室建立了高度创新的模块化合成途径，用于生成新型四环素、大环内酯和林可沙胺抗生素，极大地扩展了这些化合物类的多样性，超出了自然生物合成的限制。

2. 肽链型抗生素

随着AMR的增加，人们对探索抗菌肽(AMPs)重新产生了兴趣。尽管有一些被批准的肽类抗生素(杆菌肽、革兰霉素、多粘菌素和达托霉素)，但大多数抗生素具有溶血性或肾毒性，限制了它们的应用。再加上高昂的合成成本和蛋白酶失活的敏感性，很少有基于肽的疗法完成了临床试验。这个问题一直困扰着治疗耐药革兰氏阴性感染的最后一线疗法——多粘菌素。为了避免安全问题，研究人员设计出兼具有效性和安全性的多粘菌素类似物MRX-8。目前MRX-8正在中国和美国开展I期临床试验。

3. 联合疗法

佐剂或抗生素组合可以帮助克服耐药性。例如，贝达喹啉、普瑞玛尼和利奈唑胺的组合最近被批准用于治疗广泛耐药的结核分枝杆菌。抗生素与非抗生素药物联合使用也能产生意想不到的的协同作用。简单地说，由于对两种药物产生耐药性的可能性小于对一种药物产生耐药性的可能性，因此联合使用抗生素可能有望降低抗生素耐药性。在细菌中将合成的遗传、转录组和代谢组策略相结合，以确定可以协同靶向的途径。这些方法与计算方法相结合，可能有助于以有效系统的方式指导未来抗生素组合的选择。

4.噬菌体

噬菌体治疗高度耐药感染越来越有吸引力。这些细菌病毒在20世纪初被发现，并迅速用于控制感染。然而，由于缺乏对噬菌体宿主范围、制造和储存方法的了解，早期的努力受到了阻碍。近年来，噬菌体的有效性和窄谱性越来越被认为是一种“潜力股”。自2006年首次推出商业噬菌体产品以来，物种特异性噬菌体已广泛应用于农业和食品工业，以控制危险的食源性病原体，如单核增生李斯特菌、沙门氏菌和志贺氏菌。在乳制品工业中，需要精确地去除病原体，并保留乳酸菌的活力，因此噬菌体的窄谱性在乳制品工业中特别有价值。

噬菌体疗法和噬菌体纳米颗粒疫苗接种可能是解决多药耐药这一危机的两种有前途的策略。“圣地亚哥患者”的成功治疗和几个正在进行的噬菌体治疗临床试验证明了开发噬菌体抗生素的潜力。噬菌体VLP疫苗在动物模型中显示出很高的疗效，有些已经进入临床试验。然而，天然存在的噬菌体存在局限性，但幸运的是，噬菌体基因组工程的最新进展有望克服这些限制，例如扩大噬菌体宿主范围以促进噬菌体治疗，破坏噬菌体衣壳的免疫显性表位以消除针对噬菌体的免疫反应，从而产生针对传染病的精确变体。

图5 噬菌体的来源

5.单克隆抗体

单克隆抗体是制药领域增长最快的部分，市场上现有超过100种FDA批准的单克隆抗体，另有数百种单克隆抗体处于临床开发阶段。自1979年从小鼠杂交瘤中鉴定出首个单克隆抗体以来，技术的进步简化了单克隆抗体的发现过程，包括使用转基因小鼠直接生产全人源化单克隆抗体。据报道，单克隆抗体从1期临床试验到批准的成功率约为22%，几乎是小分子药物的两倍。

但是，单抗疗法也面临与抗生素开发中相似的挑战。例如，抗癌单克隆抗体会产生耐药性。为了对抗耐药性，治疗策略已经从单一疗法转向联合疗法。在此外，还开发了具有双重功能的抗体疗法，如抗体-药物偶联物(ADC)和双特异性抗体 (bsAbs)。ADC是通过一个化学链将具有生物活性的小分子药物连接到单抗上，单抗作为载体将小分子药物靶向运输到靶细胞中，在靶细胞内触发细胞死亡。细胞裂解后，还可在局部肿瘤微环境中触发附近的细胞死亡。ADC的这种局部活性或“旁观者效应”既是ADC抗肿瘤效力的驱动因素之一，但也增加了其固有毒性，使其使用受限。目前FDA批准了11种ADC，还有数十种正在审批中。bsAbs由具有双重特异性的单克隆抗体组成。如Catumaxomab和Blinatumomab等bsAbs已被用于招募T细胞到肿瘤细胞中，促进他们的杀伤作用。最近批准使用的Amivantamab，可以靶向癌细胞上的两种抗原，以增加其特异性和亲和性。

与癌症化疗不同，杀灭细菌的药物具有高度特异性和无毒，是ADC的理想载体。然而，目前只有三种被批准的抗微生物单抗，其中两种靶向炭疽杆菌 (瑞希巴库和Obiltoxaximab)，另一种靶向艰难梭菌（Bezlotoxumab)，且其中只有Bezlotoxumab通过了严格的临床试验。这与单抗疗法本身费用高昂（将单克隆抗体疗法推向市场的平均成本超过10亿美元），留给单抗的市场较小，且微生物存在抗原变异等原因有关。

6.益生菌策略

使用广谱抗生素会破坏肠道微生物群，使得艰难梭菌等病原体可以在此生存。为了恢复健康的肠道微生物群，人们试图替换、补充或编辑肠道微生物。对肠道最显著的改变是自健康供体的粪便微生物群移植，这一策略虽然成功地减少了艰难梭菌，但不慎感染复杂粪便微生物组样本中病原体也容易导致死亡。为了降低这种风险，研究人员致力于使用更多明确的益生菌来补充肠道微生物群，这些益生菌的作用效果如何还有待观察。未来的策略可能使用工程菌株对肠道微生物组进行精确编辑，特别是消除或防止病原体的定植。

7.疫苗

尽管以上治疗方法最终可能会在未来的抗菌治疗中占据一席之地，但我们从COVID-19大流行中重新认识到，感染预防是感染控制中更有效的策略。因此，开发治疗常见细菌感染的疫苗是一个值得关注的来解决抗生素耐药性危机的领域。与抗生素不同，疫苗不容易发生耐药性，它们可以通过预防感染从而抑制抗生素耐药性的传播。比如，与抗生素耐药性相关的婴儿和老年人肺炎球菌感染率随着针对13种血清型的多糖结合疫苗的使用而下降。有数十种针对致病菌的候选疫苗正处于临床试验的各个阶段。最先进的是预防艰难梭菌感染的疫苗和针对20种血清型的肺炎球菌疫苗，其他针对志贺氏菌、大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌的疫苗也正在研制中。

小结

抗生素耐药性的蔓延现在已被世界卫生组织、20国集团、七国集团和欧盟等主要国际机构视为全球危机。如果能够在全球范围内进行协调，那么我们就有理乐观地认为，在这一领域投资的财务障碍是可以克服的。与此同时，科技的进步，为解决抗微生物药物耐药性危机提供了一系列新方法。加上诊断工具的不断进步，使用窄谱抗生素越来越可行。噬菌体疗法、单克隆抗体和疫苗，可以扩大抗感染治疗的领域。相信在不久的将来，临床医生会有更多种有效的工具来治疗和预防细菌感染。

参考文献：

1. 1.       Hutchings MI, Truman AW, Wilkinson B. Antibiotics: past, present and future. Curr Opin Microbiol. 2019;51:72-80. doi:10.1016/j.mib.2019.10.008
2. 2.       Lewis K. Antibiotics: Recover the lost art of drug discovery. Nature. 2012;485(7399):439-440. Published 2012 May 23. doi:10.1038/485439a
3. 3.       Sharland M, Pulcini C, Harbarth S, et al. Classifying antibiotics in the WHO Essential Medicines List for optimal use-be AWaRe. Lancet Infect Dis. 2018;18(1):18-20. doi:10.1016/S1473-3099(17)30724-7
4. 4.       Outterson K, Rex JH. Evaluating for-profit public benefit corporations as an additional structure for antibiotic development and commercialization. Transl Res. 2020;220:182-190. doi:10.1016/j.trsl.2020.02.006
5. 5.       Miller MJ, Liu R. Design and Syntheses of New Antibiotics Inspired by Nature's Quest for Iron in an Oxidative Climate. Acc Chem Res. 2021;54(7):1646-1661. doi:10.1021/acs.accounts.1c00004
6. 6.       Chen Y, Batra H, Dong J, Chen C, Rao VB, Tao P. Genetic Engineering of Bacteriophages Against Infectious Diseases. Front Microbiol. 2019;10:954. Published 2019 May 3. doi:10.3389/fmicb.2019.00954

封面图来源：http://mt.sohu.com/20170726/n504103676.shtml

作者：一颗草莓

编辑人：💧Transparent

 

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