信息菌素一种新型蛋白类抗生素教学课件医学

1、信 息 菌 素 一种新型蛋白类抗生素现用抗生素问世 70 余年来，拯救了无数生命，有效的延长了人类的平均寿命。然而，由于现用抗生素多是真菌和放线菌的次级代谢产物，杀菌方式多系抑制或阻断细菌的某种生化代谢途径中的一步，细菌很容易经过基因突变的方式来改变被抗生素阻断的步骤，从而使抗生素失效，甚至干脆用酶将抗生素失活。经过 70 余年的应用，现用抗生素已经“杀灭”了大部分“易感”菌株，而存活下来的都是“耐药”菌株，因此现用抗生素将很快对细菌失去作用。我们迫在眉睫的任务，是赶快寻找抗菌机制和作用与现用抗生素完全不同的新型抗生物质。自然界存在着很多种抗菌体系，其中研究的较为透彻的抗菌体系，是细菌素。已知

2、大约 90% 的细菌分泌细菌素。细菌素是一类蛋白质，它们的生物活性是杀灭同种异株的细菌，从而让分泌细菌素的菌株繁衍下去。细菌素的典型代表，是大肠杆菌分泌的大肠菌素 (Colicin)。现在已知的大肠菌素有 20 余种。其中 E1 族大肠菌素的作用机制, 是在靶细菌膜上形成一个致死性离子通道，让细菌内容物在数分钟内泄露，造成细菌衰竭、死亡。这是一种与现用抗生素工作机制完全不同的物理工作机制。（物理互动过程）这个杀菌机制已经成功的工作了十数亿年。 大肠菌素（colicin）是大肠杆菌（Escherichia. coli）分泌的一类细菌素（bacteriocin），对于其他不能分泌特异性大肠杆菌素免

3、疫蛋白（Immunity protein）的近缘细菌具有杀灭作用，在一般认为有调节菌群数量的作用。 大部分大肠杆菌素是大小在50-90 kD的蛋白质，它由三个不同的结构域（T、R、C）组成。它们是由质粒编码的蛋白质，其中最著名的莫过于pColE1。Weiner et al, Nature, 385, 461-464 (2019)Colicin Ia（626aa） Typical model of bacteriocin is colicin Colicins are one of the modulation dynamics for maintaining the biodiversity

4、and evolution of enteric microbiota. N-terminalC-terminalTranslocation domainReceptor domainChannel-forming domain 根据大肠菌素的作用机制，大肠菌素可被分为离子通道型（ionophoric） 和酶活性（enzymatic） 两种。 根据其通过细菌内膜方式，大肠菌素可被分为Tol系统依赖型和Ton系统依赖型。Tol系统依赖型的大肠杆菌素的活性不依赖膜电势（最常见的是pmf， proton motive force 氢离子动力势）；而Ton系统依赖型大肠杆菌素的活性则依赖膜电势，用CC

5、CP(carbonyl cyanure-m-chlorophenyl hydrazone) 一类去H+离子梯度剂处理过的细胞，细胞表现出对Ton系统依赖型大肠菌素的抗性。 大肠菌素特异性识别细菌表面的特异蛋白，然后它的N端结构域和内膜转运蛋白系统结合，C端结构域进入细菌。离子通道型大肠杆菌素将在内膜形成离子通道（直径9-11A），导致内膜去极化，细菌因此死亡。酶活性大肠菌素进入细胞质催化DNA或RNA水解而杀死细菌。唯一的例外是大肠菌素ColM，ColM是最小的大肠菌素，作用机制与其他的不同，ColM会完全进入内外膜间质水解肽聚糖前体从而破坏细菌细胞壁。早在得到诺贝尔奖的第二年（1946），青

6、霉素的发明人 Florey 和 Heatley就发现大肠菌素的杀菌效力较青霉素强大数千倍，可在体内工作，安全，对肠道菌群无毒性。但是，他们发现大肠菌素的抗菌谱太过狭窄，只能识别和攻击大肠杆菌。因此，他们悲观的结论，大肠菌素不具备开发成为抗生素的潜质。我们的微生物学教科书上，也是这么定义的。这么一来，70 余年过去了。那么，大肠菌素能否开发成为一种新型抗生素呢？关键，在于设法拓展大肠菌素的抗菌谱。也就是说，给野生型大肠菌素连接一个新的配体，让它带着大肠菌素去识别病原菌。药物的一个重要功能，是具有靶向性自然界已经有了一个现成的靶向识别成品库 抗体抗体都很类似，因为都是一样的基本结构抗体又各不一样，

7、因为可变区不一样，而恰好是可变区的不一样，使每个抗体的靶向性不一样我只打算利用抗体多变的靶向性，其它功能可以不要我不需要天然抗体的六个抗原结合区，我只应用两个抗原结合区来构建我的抗体模拟物无论从空间构型、还是从一级结构角度来解析，这是一个源于自然，却又高于自然的创新发明 抗体结构：2条轻链（L，分为或型），2条重链（H，分别用希腊字母、和 来命名）轻链大约为 214 个氨基酸，包括一个恒定区（C）和一个可变区（V）重链长度大约450个氨基酸（和为550）， 包括三个恒定区和一个可变区， 每个区大约为110个氨基酸组成可变区有一个65-75个氨基酸残基 的肽环，分为高变区（hyper- vari

8、able region，HVR）和骨架 区（framework region，FR）高变区结构：VL的三个高变区（HVR1-3）：位于24-34、50-56、89-97位aaVH的三个高变区（HVR1-3）：位于31-35、50-56、95-102位aa其余为框架区（FR）2条链的高变区形成3个互补 决定区（CDR1-3）；由此而产生4个框架区（FR1-4）这是一种前无古人的设想Nature Biotechnology的主编 Dr. Marshall 告诉我： Qiu, you will blow immunology out!利用了抗体特有的靶向特性，对任一种抗原，总能产生一种相应的抗体 （

9、特有的抗原结合区）从而可以形成无穷的，识别各类抗原的抗体模拟物 （每一种新的抗体模拟物都可以形成一个新的发明专利）3. 抗体模拟物 结构公式是我的创造，所以握有了专利优先权COOHVH1VHFR2VL33 kDa28肽-抗体模拟物 （5+14+9）H2N 2019年，Springer 出版社（全世界最大的医学书刊出版社）出版了第二卷Antibody Engineering（抗体工程手册），主编邀请我书写了一个章节，向全世界介绍我的抗体模拟物设计。2019 年 3 月出版 把抗体模拟物和大肠菌素结合起来由抗体模拟物去识别不同的病原菌再让大肠杆菌去杀伤被抗体模拟物识别的病原菌。要对付新的病原菌，很

10、简单，更换一个可以识别新病原菌表面抗原的抗体模拟物就可以了。COOHVH1VHFR2VL33 kDaColicin IaH2N69 kDa攻 击 部 分靶向识别部分结合产生的药物被命名为 信息菌素拉丁命名为 Pheromonicin, 字头 pheromoni 信息识别的意思， 字尾 cin 杀菌素的意思，学术界和专利界已经采纳了这个中国人创造的拉丁学名。信息菌素的特点：具有灵活的靶向性，只要更换抗体模拟物，就能组合出一种识别新病原体的 信息菌素具有比现用抗生素强大数百倍，乃至数万倍的杀菌效力，可有效杀伤耐药菌安全、无毒可避免伤害益生菌可用生物技术和大肠杆菌进行大规模生产，产品廉价，所以可在医

11、学、农业 （畜牧和农作物）和环境治理等领域大规模推广应用。已有 49 项相关发明专利获中国 (14)、美国 (14) 以及其他国家专利局授权，另有 140 余项发明专利正在全球 80 余个国家进行实质性审查。两篇核心论文发表在 Nature Biotechnology杂志上。2019 年底和 2019 年初， Nature Biotechnology 和 Nature Reviews Drug Discovery两种杂志向全世界介绍了我发明的，由 28-肽抗体模拟物和大肠菌素 Ia 组成的信息菌素，Pheromonicin杂志称信息菌素为 “取自自然工具箱的下一代工程化抗生素”。取自自然工具箱

12、的下一代工程化抗生素自然杂志对信息菌素的定义是：该两份杂志的影响因子各为 32 与 33自然生物技术December 2019, 自然评论：药物发现January 2019对革兰氏阳性和阴性致病菌，尤其是对现用抗生素耐药的致病菌，有超过现用抗生素数千倍，乃至数万倍的杀菌效力。合作团队国家药监局天坛中检所抗生素室 马越 胡昌勤四川大学华西第二医院遗传学实验室 王和四川大学基础及法医学院微生物学系 李明远四川大学华西医院检验医学系 王兰兰国家疾控中心传染病所 徐建国院士 崔步云 中国农业大学动物医学院 沈建中 吴聪明 国家农业部兽药中检所细菌室 毛开荣美国麻萨诸塞州立大学生物学系 (Amherst

13、) Margaret Riley 美国纽约爱因斯坦医学院生理及生物物理学系 Alan Finkelstein 信息菌素 Ph-NM 对致病菌的 MIC50 (uM) 中国食品药品检定研究院抗生素室 Sept, 2019Ph-NM 万古霉素 替加环素 苯唑西林 氨苄西林 青霉素 庆大霉素 左氧氟沙星 金黄色葡萄球菌 0.0018 1.2 0.427 79.8 158 179 535 20.2 凝固酶阴性葡萄球菌 0.0018 1.2 0.427 4.99 39.7 44.9 66.9 10.1肠球菌 0.057 1.2 0.15 39.9 2.48 5.6 535 5肺炎链球菌 0.00046

14、1.2 0.109 1.25 0.16 0.35 33.5 1.26 Ph-NM 替加环素 亚胺培南 氨苄西林 头孢他啶 庆大霉素 左氧氟沙星 多粘菌素B大肠埃希氏菌 0.014 3.4 6.3 635 34 2.1 40.3 0.09肺炎克雷伯氏菌 0.029 6.8 6.3 635 34 2.1 5 0.18阴沟肠杆菌 0.0018 6.8 6.3 635 273 2.1 5 0.18产气肠杆菌 0.0071 3.4 1.58 635 273 4.18 10.1 0.36氟劳地枸橼酸杆菌 0.0018 6.8 6.3 635 68.23 134 5 0.09志贺氏菌 0.0036 0.42

15、 0.79 9.93 17.06 4.18 0.63 0.72沙门氏菌 0.0036 0.43 0.39 9.93 17.06 4.18 2.52 0.18Ph-NM 替加环素 亚胺培南 头孢他啶 头孢吡亏 左氧氟沙星 多粘菌素B铜绿假单胞菌 0.0036 3.4 3.15 136.5 8.3 10.1 0.18 鲍曼氏不动杆菌 0.0036 0.21 0.39 68.23 4.17 0.31 0.36 嗜麦芽窄食单胞菌 0.057 1.7 807.6 136.5 66.7 20.1 1.44 各菌株数 = 40Ph-NM 万古霉素替加环素替考拉宁利奈唑胺 苯唑/头他环丙沙星 红/克林/庆大耐

16、万古屎肠球菌(Van A, WHO-3)0.911770.85682.9640/46810.987.2/150/134耐万古粪肠球菌(Van B, WHO-14)0.2388.40.434.245.9340/4685.4587.2/150/4192粪肠球菌，万古中介(Van B, ATCC51299 )0.46441.714.242.9640/46821.887.2/150/4192屎肠球菌(Van A, 天-01)0.91440.856823.740/468174.487.2/150/4192鹑鸡肠球菌 WHO-27万古霉素天然低耐0.91110.218.52.9640/4685.4587.

17、2/150/4192金葡菌NTCT10442(ATCC 标准株, Mec A)0.230.341.710.272.9620/4681.360.34/150/4.2金葡菌Mu3，万古中介0.0075.50.214.245.9340/4681.3687.2/150/ 2096金葡菌Mu50，万古中介0.0145.50.858.52.9640/468174.487.2/150/268金葡菌N315(MRSA标准株, Mec A)0.0070.690.850.272.9640/4685.4587.2/150/134 金葡菌 P1-1 (猪鼻咽拭子 MRSA)0.460.340.850.132.9640

18、/46843.687.2/150/537金葡菌 Mec A, PBP2a (WHO-31)0.462.80.214.24 5.9320/468174.487.2/150/2096金葡菌 erm A 调节对MLSB 耐药，WHO-35 0.911.380.210.535.9320/4681.3687.2/150/2096信息菌素 Ph-NM 对革兰阳性多重耐药菌的最低抑菌浓度 （uM） 中国食品药品检定研究院抗生素室 March, 2019Ph-NM替加环素亚胺/美罗培南多粘菌素B头他/头吡环丙/阿米派拉派拉/他唑大肠杆菌 猪ESBL, CTX-M 9 群 0.00361.713.15/2.29

19、0.72468/1421.8/6.844753.71-12.3大肠杆菌 猪ESBL, CTX-M 1 群 0.00360.431.58/1.14 0.1858.6/3.543.6/3.427.421.86-12.4大肠杆菌 WHO-21, 染色体AmpC酶 0.0140.430.79/0.290.18468/142.72/3.42475237.5-12.4大肠杆菌 WHO-30, CTX-M, B-内酰 0.910.430.79/0.57 11.55468/4485.45/21919007.42-12.4铜绿 Pae 68, 亚胺培南低耐 0.116.8425.2/4.585.7858.6/1

20、.7510.9/1.7147514.8-12.4铜绿 Pae 71, 亚胺培南低耐 0.466.8325.2/18.311.44468/28174/8751900475-12.4鲍曼不动 Aba 10, 碳青霉烯低耐0.916.8425.2/9.15 1.44468/44887.2/87519001900-12.4鲍曼不动 Aba 167, 碳青霉烯低耐 0.911.7150.5/36.60.72468/11243.6/437.61900950-12.4鲍曼不动 Aba 217, 可能 NDM-1 0.460.85201.9/146.51.44468/112174/87519001900-12

21、.4嗜麦芽窄食单胞 07, 天然耐亚胺 0.461.71201.9/146.5 1.44468/112 21.8/87519001900-12.4肺炎克雷伯 WHO-24, SHV-18 ESBL 0.00360.431.58/0.290.36468/285.45/1.71475118.7-12.4产酸克雷伯 WHO-26, ESBL 0.110.431.58/1.1411.55468/71.36/438475118.7-12.4阴沟肠杆菌 WHO-5,去阻遏高产AmpC0.0143.413.15/1.145.78468/1.752.72/1.7119001900-12.4鼠伤寒沙门菌 CTX

22、-M-5 0.0570.850.79/0.29 5.78468/2241.36/3.42190014.8-12.4粘质沙雷菌 WHO-10, B 类酶 0.0573.41201.9/146.52.8958.6/561.36/3.42 475237.5-12.4信息菌素 Ph-NM 对革兰阴性多重耐药菌的最低抑菌浓度 （uM） 中国食品药品检定研究院抗生素室 March, 2019小鼠急性感染模型 感染菌：华西医院分离自患者的多重耐药绿脓杆菌 对照药物：派拉霉素，左氧氟沙星，头孢他啶，阿咪卡星，其使用剂量 比信息菌素大数百倍，至数千倍（按分子量标化） 感染细菌后，对照药物和信息菌素都只给药一次，

23、然后观察存活率Pheromonicin 43 nM (3 mg/kg)Levolfloxacin 12,000 nM 5 mg/kgCeftazidime 91,500 nM (50 mg/kg)Amikacin 25,600 nM (15 mg/kg)Piperacillin 92,700 nM (50 mg/kg)ControlTime post challenge (day)Cumulative survival of mice after P. aeruginosa (clinical isolate 13280, MDR, West China Hospital) inoculati

24、on.治疗奶牛乳房炎 （III期临床实验，由农业部兽药安评中心完成）自发乳房炎奶牛 100 例，50 例 行信息菌素治疗，50例 行对照药物治疗（美国辉瑞公司， 复方羟氨苄青霉素）。信息菌素治疗三日，每日两次，用药总量 120 mg/每头复方羟氨苄青霉素治疗三日，每日一次，用药总量 9000 mg/每头临床治愈率 信息菌素治愈率 91% 复方羟氨苄青霉素治愈率 38%50100Clinical cure rate (%)101102103104105Dosage (nM)4.2950,0009138 In the case of spontaneous infectious mastitis of dairy cows, intramammary inoculationof Ph-NM 0.02 gm per mammary district twice a day for three days treatment ( 0.12 gm, n=