普林斯顿大学团队研制出“毒箭”来击败抗药性细菌

毒药本身是致命的-就像箭一样-但它们的结合比它们各部分的总和更大。一种从内部和外部同时攻击的武器甚至可以击倒最强大的对手，从大肠杆菌到耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)。

普林斯顿大学的一组研究人员今天在“细胞”杂志上报告说，他们发现了一种名为SCH-79797的化合物，它可以同时刺穿细菌壁并破坏细胞内的叶酸-同时对抗生素耐药性具有免疫力。

细菌感染有两种口味--革兰氏阳性和革兰氏阴性--以一位发现如何区分它们的科学家的名字命名。关键的区别在于，革兰氏阴性细菌的外层覆盖着一层，可以摆脱大多数抗生素。事实上，近30年来没有新的革兰氏阴性杀伤药上市。

“这是第一种可以针对革兰氏阳性和革兰氏阴性而没有耐药性的抗生素，”普林斯顿大学埃德温·格兰特·康克林(Edwin Grant Conklin)生物学教授、该论文的资深作者泽默·吉泰(Zemer Gitai)说。“从‘为什么有用’的角度来看，这才是症结所在。但作为科学家，我们最兴奋的是我们发现了这种抗生素是如何发挥作用的-通过一个分子内的两种不同机制来攻击-我们希望这是可推广的，从而在未来开发出更好的抗生素和新型抗生素。“。

抗生素最大的弱点是细菌快速进化来抵抗它们，但普林斯顿大学的研究小组发现，即使付出了非凡的努力，它们也无法对这种化合物产生任何抗药性。吉泰说：“这真的很有希望，这就是为什么我们把这种化合物的衍生物称为‘伊尔克斯汀’。”

这是抗生素研究的圣杯：一种对疾病有效，对抗药性免疫，同时对人体安全的抗生素(不像擦拭酒精或漂白剂，它们对人类细胞和细菌细胞都是不可抗拒的致命的)。

2019年博士毕业生詹姆斯·马丁(James Martin)说，对于抗生素研究人员来说，这就像发现了将铅转化为黄金的配方，或者骑上了独角兽-这些东西每个人都想要，但没有人真的相信存在。他的研究生生涯的大部分时间都在研究这种化合物。“我的第一个挑战是说服实验室相信这是真的，”他说。

但是不可抗拒是一把双刃剑。典型的抗生素研究包括找到一种可以杀死细菌的分子，繁殖多代，直到细菌对它产生抗药性，观察这种抗药性到底是如何运作的，并利用这一点首先对分子的工作方式进行反向工程。

“这是一个真正的技术壮举，”吉泰说。“从使用方面来说，没有阻力是一个优势，但从科学方面来说，这是一个挑战。”

研究小组面临着两个巨大的技术挑战：试图证明否定的观点-没有什么能抵抗SCH-79797-然后弄清楚这种化合物是如何发挥作用的。

为了证明它的抗药性，马丁尝试了无数种不同的分析和方法，但没有一种方法显示出对SCH化合物的抗药性。最后，他尝试了蛮力：在25天的时间里，他“连续传代”，这意味着他一次又一次地将细菌暴露在药物中。因为细菌每代需要大约20分钟，所以细菌有数百万次机会进化出抗药性--但他们没有。为了检验他们的方法，研究小组还连续传代了其他抗生素(新霉素、甲氧苄啶、乳酸链球菌素和庆大霉素)，并迅速培养出对它们的抗药性。

从技术上讲，证明结果为阴性是不可能的，所以研究人员使用了“无法检测到的低电阻频率”和“没有检测到的电阻”这样的短语，但结果是SCH-79797是不可抗拒的-因此他们给它的衍生化合物起了名字，伊莱斯汀。

他们还试图用它来对付以抗药性闻名的细菌物种，包括淋球菌，这是疾病控制和预防中心公布的前5名紧急威胁名单上的一员。

Gitai说：“淋病在多重耐药方面构成了一个巨大的问题。”“我们治疗淋病的药物用完了。对于最常见的感染，老式的仿制药仍然有效。两年前，当我得了链球菌性咽喉炎时，我被注射了青霉素-G-1928年发现的青霉素！但是对于淋病奈瑟菌来说，在大学校园里流传的标准菌株是超级抗药性的。曾经是最后一道防线的奈瑟里亚紧急情况下的碎玻璃药物，现在是第一线的护理标准，真的不再有碎玻璃备份了。这就是为什么这是一个我们可以治愈的特别重要和令人兴奋的疾病。“。

研究人员甚至从世界卫生组织(World Health Organization)的金库中获得了最具耐药性的淋球菌样本--这种菌株对所有已知的抗生素都有抗药性--“乔表明，我们的人仍然杀死了这种菌株，”吉泰说，他指的是该论文的第一作者、吉泰实验室(Gitai Lab)实验室经理约瑟夫·希恩(Joseph Sheehan)。“我们对此感到非常兴奋。”

在没有反向工程抵抗力的情况下，研究人员花了数年时间试图确定这种分子是如何杀死细菌的，使用了大量的方法，从发现青霉素以来一直存在的经典技术到尖端技术。

马丁称其为“除了厨房洗涤槽以外的一切”方法，并最终揭示了SCH-79797在一个分子内使用两种不同的机制，就像一支涂有毒药的箭。

分子生物学副研究学者、刘易斯·西格勒整合基因组研究所(Lewis Sigler Institute For Integrative Genology)讲师本杰明·布拉顿(Benjamin Bratton)说，“箭头必须锋利才能将毒药射入体内，但毒药也必须自身致死。”布拉顿是第一作者之一刘易斯·西格勒研究所(Lewis Sigler Institute For Integrative Genology)的讲师。

箭头瞄准的是外膜-甚至可以穿透革兰氏阴性细菌厚厚的盔甲-而毒药则撕碎了叶酸，叶酸是RNA和DNA的基本组成部分。研究人员惊讶地发现，这两种机制是协同工作的，结合在一起的不仅仅是它们的各个部分的总和。

布拉顿说：“如果你只服用这两半-有商业上可用的药物可以攻击这两条途径中的任何一条-你只需把它们倒进同一个罐子里，就不会像我们的分子那样有效地杀死它们，因为我们的分子把它们连接在同一个身体上。”

有一个问题：最初的SCH-79797杀死人类细胞和细菌细胞的水平大致相同，这意味着作为一种药物，它在杀死感染之前就有杀死患者的风险。衍生品IrResitin-16解决了这一问题。它对细菌的杀伤力几乎是人类细胞的1000倍，使其成为一种有前途的抗生素。作为最后的确认，研究人员证明了他们可以使用Irsisitin-16治愈感染淋病奈瑟菌的小鼠。

斯坦福大学(Stanford University)生物工程、微生物学和免疫学教授KC Huang说，这种有毒的箭头范式可能会给抗生素的开发带来革命性的变化。他没有参与这项研究。

“有一件事不能夸大，那就是抗生素研究已经停滞不前了几十年，”黄说。“很少能找到一个研究得如此之好，但又如此需要新能源的科学领域。”

2004年至2008年在普林斯顿大学担任博士后研究员的黄说，有毒的箭头，两种攻击细菌的机制之间的协同作用，“可以恰恰提供这一点”。“这种化合物本身已经很有用了，但人们也可以开始设计受此启发的新化合物。这就是这部作品如此激动人心的原因。“

特别是，这两种机制中的每一种-箭头和毒物-靶向过程都存在于细菌和哺乳动物细胞中。叶酸对哺乳动物至关重要(这就是为什么孕妇被告知要服用叶酸)，当然细菌和哺乳动物细胞都有膜。吉泰说：“这给了我们很大的希望，因为有一整类目标在很大程度上被人们忽视了，因为他们认为，‘哦，我不能瞄准那个，因为那样我就会把人类也杀了。’”

“像这样的研究表明，我们可以回到过去，重新审视我们认为的新抗生素开发的局限性，”黄说。“从社会的角度来看，对未来抱有新的希望是很棒的。”

参与这项研究的其他普林斯顿人包括分子生物学研究生加布里埃尔·摩尔(Gabriel Moore)；分别于2015年和2018年获得博士学位的当时的研究生马克斯韦尔·威尔逊(Maxwell Wilson)和索菲娅·辛格·李(Sophia Hsin-Jung Li)；普林斯顿化学系小分子筛选中心主任哈恩·金(Hahn Kim)；以及化学教授和刘易斯-西格勒整合基因组研究所(Lewis-Sigler Institute for Integrative Genology)的约书亚·拉比诺维茨(Joshua Rabinowitz)。

由詹姆斯·K·马丁、约瑟夫·P·希恩、本杰明·P·布拉顿、加布里埃尔·M·摩尔、安德烈·́·马特斯、索菲亚·辛格·李、哈恩·金、约书亚·D·拉比诺维茨、阿萨纳西奥斯·特帕斯、米哈伊尔·M·萨维茨基、马克斯韦尔·Z·威尔逊和泽默·吉泰所著的“双重机制抗生素杀死革兰氏阴性细菌并避免耐药性”发表在6月25日的“细胞”杂志上。这项研究主要由国立卫生研究院(DP1AI124669至ZG，JPS，BPB，JKM)资助，并得到国家科学基金会(NSF PHY-1734030)的额外资助。流式细胞术在普林斯顿大学流式细胞术资源设施进行，由国家癌症研究所支持(NCI-CCSG P30CA072720-5921)。