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付新苗课题组在《mBio》发表庆大霉素增效减毒的重要研究成果

时间:2020-02-12浏览:34

近日,我校生科院付新苗研究员领导的细菌耐药课题组,在国际顶级生物学期刊《mBio》上在线发表了以庆大霉素为代表的氨基糖苷类抗生素“增效减毒”的研究成果。

 

细菌耐药是全球面临的重大公共卫生问题。开发新型抗生素固然是应对细菌耐药的重要策略,但其难度和风险巨大;另一方面,诸多传统抗生素仍然具有巨大的价值,但受制于耐药性和毒副作用而不能发挥应有的效果。因此,针对传统抗生素的“增效减毒”(即增强杀菌效果、减少毒副作用)研究具有重要的意义。

福建师范大学王岳教授于1966年发现的庆大霉素,是新中国建国以来少数几个标志性的医药成果之一,曾经在临床抗感染治疗和养殖防治方面发挥了重要作用;与之同属于氨基糖苷类抗生素的链霉素,是第一个能杀灭结核杆菌的抗生素(注:链霉素的发现者Waksman于1952年获诺贝尔生理医学奖;而王岳教授是其学生)。付新苗领导的细菌耐药研究团队,以氨基糖糖苷类抗生素为重点,发展了多种增效减毒的方法。

此次报道的快速冰冻方法(液氮,10秒),能将多种氨基糖苷类抗生素的杀菌效率提高百倍到百万倍不等,同时,其药物暴露时间可以降低到一分钟,从而实现了真正的“增效减毒”。进一步,作者利用小鼠模型证明了该方法能有效杀灭铜绿假单胞菌,显示其有一定的临床应用前景。如下图所示。

 

1冰冻增强氨基糖类抗生素杀灭铜绿假单胞菌。A:体外检测四种氨基糖苷类抗生素(TobramycinGentamicinKanamycinStreptomycin)在冰冻(液氮,196oC)条件下杀灭铜绿假单胞菌的效果。B and B:分别用小鼠鼠尾和急性皮肤伤口模型,证明冰冻可以在活体上促进Tobramycin杀灭铜绿假单胞菌。

 

最后,作者综合利用生化、遗传、电镜、流式、同位素示踪等分析手段,揭示了该方法的工作机理。研究表明,快速冰冻可以对细菌的细胞膜产生一定的扰动,造成局部张力改变,从而激活一类进化上高度保守的机械敏感离子通道(Mechanosensitive Ion Channel),其中的成员MscL尤其敏感。冰冻激活的MscL通道蛋白可以在短时间内(10秒)运输大量氨基糖苷类抗生素分子进入细菌,后者结合其作用靶点核糖体,最终杀死细菌,如下图所示。

 

2冰冻增强氨基糖类抗生素摄取的分子机理携带正电荷的氨基糖苷类抗生素不能自由跨过细胞膜,其跨膜依赖通道蛋白,但这些通道蛋白在常规条件下处于关闭状态,因此抗生素难以进入细菌胞质,这也是细菌耐受氨基糖苷类抗生素的重要机制之一。冰冻条件下,细菌的细胞膜会扰动,使得局部张力改变机械敏感离子通道能感应这种变化,快速激活,高效运输氨基糖苷类抗生素进入细菌胞质。另一种较小可能的机制是,冰冻破坏细胞膜,产生膜孔隙,氨基糖苷类抗生素可以直接通过孔隙进入细菌胞质

该分子机制暗示,针对MscL的激动剂有可能达到冰冻处理的类似效果,即激活MscL通道强氨基糖苷类抗生素的摄取,因此具有潜在的医学应用价值。

付新苗课题组的研究生赵艳娜(已毕业)、吕波燕(博士生)、孙凤琪和北京大学刘佳峰博士为论文的共同第一作者,北京大学生科院昌增益教授为共同通讯作者。福建师范大学的王妍博士、高媛媛博士和祁峰副教授为共同作者。研究得到了国家国家自然科学基金委和福建师范大学高层次人才建设经费的支持。

全文链接:https://mbio.asm.org/content/11/1/e03239-19.