微生物学第八章微生物的药学应用

微生物学第八章微生物的药学应用第一页，共四十六页，2022年，8月28日主要内容微生物的药用资源微生物药物寻找微生物药物的基本途径第二页，共四十六页，2022年，8月28日1、微生物药物的概述：来源于微生物的药物统称基于微生物整体或部分的药物疫苗（菌苗）、类毒素、活菌制剂、抗原、抗体（生物制品）真菌（灵芝、冬虫夏草、茯苓）源于微生物初级代谢产物的药物氨基酸、核苷酸、多糖、脂类等源于微生物次级代谢产物及其衍生物的药物抗生素、维生素、特异性酶抑制和免疫抑制剂等一、微生物的药用资源第三页，共四十六页，2022年，8月28日1、微生物药物的概述：源于微生物次级代谢产物及其衍生物的药物

由微生物（包括重组微生物）在其生命活动过程中产生的、在低微浓度下具有生理活性的次级代谢产物及其衍生物。包括：抗生素：抗细菌抗生素、抗真菌抗生素、抗肿瘤抗生素等特异性酶抑制：葡萄糖苷酶抑制剂（拜糖平）、胆固醇合成酶抑制剂（辛伐他丁）免疫调节剂:环孢素A、雷帕霉素营养及相关制剂:维生素一、微生物的药用资源第四页，共四十六页，2022年，8月28日2、微生物药物的重要资源放线菌抗生素、抗肿瘤药物、酶、维生素的生产真菌青霉菌（青霉素）头孢菌素C（头孢菌素）、酵母菌（维生素、辅酶A、氨基酸等）、工程菌（基因工程生物药物）其它细菌细菌（多肽类抗生素）一、微生物的药用资源1）药用微生物资源第五页，共四十六页，2022年，8月28日2、微生物药物的重要资源海洋真菌抗生素（顶头孢霉菌产30多种头孢霉素）内生菌真菌（紫杉醇）一、微生物的药用资源2）特殊环境的微生物资源第六页，共四十六页，2022年，8月28日2、微生物药物的重要资源未知微生物是开发潜力无穷的可再生资源现存真菌可能50多万种、细菌可能超过5万种极端环境微生物（高温、高压、低温、高盐等），重要资源一、微生物的药用资源3）未知微生物资源第七页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物药物

微生物药物：由微生物（包括重组微生物）在其生命活动过程中产生的、在低微浓度下具有生理活性的次级代谢产物及其衍生物。1、抗生素抗细菌抗生素

青霉素类、氨基糖甙类、大环内酯类、四环素类等抗真菌抗生素

两性霉素、制霉素、葡聚糖合成酶抑制剂（卡帕芬净）抗肿瘤抗生素

阿霉素、丝裂霉素、争光霉素、放线霉素、平阳霉素第八页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物药物β-内酰胺类抗生素，如：青霉素、头孢菌素四环类抗生素如金霉素、土霉素和四环素氨基糖苷类抗生素，如链霉素、庆大霉素、妥布霉素大环内酯类抗生素，如红霉素、竹桃霉素、两性霉素B其他抗生素，抗肿瘤抗生素如丝裂霉素C、博来霉素氯霉素、克林霉素、灰黄霉素等第九页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物药物

微生物药物：由微生物（包括重组微生物）在其生命活动过程中产生的、在低微浓度下具有生理活性的次级代谢产物及其衍生物。2、特异性酶抑制：葡萄糖苷酶抑制剂（拜糖平）胆固醇合成酶抑制剂（辛伐他丁）第十页，共四十六页，2022年，8月28日继Fleming和Waksman后，在抗生素研究领域中作出卓越贡献的第三位科学家——梅泽滨夫20世纪50年代，由他领导的科研小组发现了卡那霉素，阐明耐药机制合成得到了阿米卡星，并很快被应用于临床。60年代，他把研究方向确立在寻找抗肿瘤抗生素上，发现了抗肿瘤抗生素博莱霉素(国内曾称争光霉素)，并通过应用定向生物合成原理，筛选获得了更为有效的第二代博莱霉素——培罗霉素(peplomycin)。梅泽滨夫在其一生的研究生涯中，发现了许多新的抗生素，其中不少已被应用于临床，为抗生素事业作出了巨大的贡献。第十一页，共四十六页，2022年，8月28日继Fleming和Waksman后，在抗生素研究领域中作出卓越贡献的第三位科学家——梅泽滨夫梅译滨夫的另一个重要贡献是提出了酶抑制剂的概念(这里所指的酶是动物和人体内产生的参与各种生命活动的有关的酶，而不是指由微生物产生的诸如β-内酰胺酶等)，对开创从微生物代谢产物中寻找其它生理活性物质的新时代具有深远的意义。酶活性的高低可直接影响生物体生命活动，过高可能导致疾病发生和发展，——酶抑制剂第十二页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物药物

2、特异性酶抑制：小分子化合物，可干扰、抑制人或动物体内生命活动过程中的有关酶糖代谢相关抑制剂：葡萄糖苷酶抑制剂（拜糖平、米格列醇）脂代谢相关抑制剂：胆固醇合成酶抑制剂（辛伐他丁、阿托伐他丁）蛋白代谢相关酶抑制剂蛋白激酶相关抑制剂降血糖、降血压、治疗肥胖、高血脂、龋齿、调节免疫功能第十三页，共四十六页，2022年，8月28日微生物药物的最新组成

—已经用于临床的胆固醇合成酶抑制剂开创了治疗高脂血症的新纪元普伐他丁洛伐他丁辛伐他丁（合成）氟伐他丁（合成）阿伐他丁（合成）得伐他丁（合成）日本“生命科学与工业”杂志引述医药界权威的评价，认为这种新型药物对治疗高血脂症是一场革命，其深远影响就如同青霉素治疗感染性疾病一样。第十四页，共四十六页，2022年，8月28日微生物药物的最新组成

—已经用于临床的葡萄糖苷酶抑制剂

开创了治疗糖尿病的新方法阿卡波糖伏格列波糖米格列醇乙格列酯第十五页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物药物

3、免疫调节剂免疫抑制剂：（环孢素A、雷帕霉素）免疫促进剂：（甘露聚糖肽、泛福舒、乌本美司）第十六页，共四十六页，2022年，8月28日微生物药物的最新组成

—已经用于临床的免疫抑制剂环孢菌素A他克莫司（tacrolimus，FK-506）西罗莫司（sirolimus；也称雷帕霉素）免疫增强剂：乌本美司

第十七页，共四十六页，2022年，8月28日二、微生物药物

4、其它营养及相关制剂：（氨基酸）维生素与辅酶类（VitC,VitB,CoA)多糖（茯苓多糖、灵芝多糖、透明质酸）毒素（肉毒毒素A）第十八页，共四十六页，2022年，8月28日微生物药物的重要地位微生物药物对各种疾病的作用范围不断地在扩大并取得显著疗效；另一方面，由于来源于微生物次级代谢的生理活性物质具有独特的化学结构，其作为先导化合物开发成为药物的可能性大大地增加。960万平方公里领域中的微生物资源也是我国特有的资源，从中发现微生物新药的可能性也是极大的。第十九页，共四十六页，2022年，8月28日三、寻找微生物药物的基本途径当前，人们普遍认为微生物是具有潜在治疗效用的新结构化合物的无穷源泉。微生物具有分布广、种类多、易变异的特性；其次级代谢产物具有多样性和新颖性。发现微生物新药的动力和源泉第二十页，共四十六页，2022年，8月28日发现微生物新药的动力和源泉在20世纪40年代，仅发现了20种抗生素；50年代为300～400种；60年代大约800～1000种；至70年代已经发现了2500种抗生素；至那时起，大约每隔10年被发现的化合物数量翻倍；至80年代约发现了5000种；至90年代约发现了10000种；至2000年已经发现了20000种抗生素类化合物；至2002年，在各种文献和专利中发表的具有生理活性的微生物次级代谢产物数量已经超过22000种；目前还以每年发现约500种新化合物的速度增加。第二十一页，共四十六页，2022年，8月28日微生物学·样品的采集·各种各样菌种的分离·发酵培养以增加代谢产物多样性·再次发酵·提高目标物的产量·菌种分离分子生物学、药理学

·作用靶选择

·筛选方法设计/实施

·高产出筛选系统

·活性的鉴定

·有效性研究

·作用机制

化学

·活性化合物的鉴定

·理化属性/排重

·分离/纯化

·结构阐明0微生物代谢产物筛选系统中学科分支的配合第二十二页，共四十六页，2022年，8月28日1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物根据药物的构效关系以及体内代谢的特性，对已知次级代谢产物进行结构改造的目的，主要是筛选相对于母体化合物具有如下特点的微生物新药：扩大抗菌谱或作用范围、克服细菌的耐性或改善药物对作用靶的敏感性、改进对细胞的通透性、改善化学和代谢的稳定性、提高血浆和组织浓度、增强与宿主免疫系统的协调作用、能够制备成合适给药方式的结构状态，以及减少毒副作用等。这是多年来发现微生物新药成绩斐然的重要途径。三、寻找微生物药物的基本途径第二十三页，共四十六页，2022年，8月28日1）扩展抗菌谱的修饰通过向青霉素G侧链导入氨基等的修饰，开发出氨苄西林与阿莫西林等广谱青霉素；向侧链导入羧基等的修饰，研制出对铜绿假单胞菌等难控制的革兰阴性菌也有良好作用的抗菌谱更广的羧苄西林与哌拉西林、美洛西林(mezlocillin)等。1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第二十四页，共四十六页，2022年，8月28日天然头孢菌素C、头霉素与头菌素抗菌谱广，但抗菌活性极低，都不能应用。经过适当的修饰非但提高了抗菌活性，而且扩展了抗菌谱。临床应用的头孢菌素类抗生素已由第一代发展到第四代，成为当前最重要的一类抗感染药物。2）增强抗菌活性的修饰1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第二十五页，共四十六页，2022年，8月28日利用超敏感菌株筛选出的磺酰胺菌素(sulfazecin)等单环β-内酰胺类化合物抗菌活性低微，不能应用。经过大量结构修饰，筛选出的安曲南(azteronam)与卡鲁莫南(carumonam)具有很强抗革兰阴性细菌，包括铜绿假单胞菌活性，已临床应用。2）增强抗菌活性的修饰1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第二十六页，共四十六页，2022年，8月28日去掉土霉素的6位氧，制得多西环素(doxycycline)，抗菌谱同四环素，但抗菌活性比四环素强2～8倍。将四环素4位的二甲氨基再导入7位，合成出米诺环素(minocycline)，抗菌活性比四环素强8～12倍。2）增强抗菌活性的修饰

1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第二十七页，共四十六页，2022年，8月28日向青霉素分子中受β-内酰胺酶攻击部位附近导入障碍性基团，使酶难与之结合，从而保护青霉素免遭分解。如甲氧西林、萘夫西林、苯唑西林、氯唑西林、二氯西林、氟氯西林等都在β-内酰胺基附近有甲氧基、乙氧基、苯基等空间位阻较大的基团，对青霉素酶稳定，用于治疗产青霉素酶的金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染。3）克服耐药性的修饰（降低底物对酶的结构适应性）

1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第二十八页，共四十六页，2022年，8月28日第二十九页，共四十六页，2022年，8月28日向β-内酰胺环上引入甲氧基或甲酰氨基，增强酶稳定性。如头孢西丁(cefoxitin)、头孢美唑(cefmetazole)、头孢替坦(cefotetan)、头孢拉腙(cefbuperazone)与头孢米诺(cefminox)等头霉素对超广谱β-内酰胺酶稳定。3）克服耐药性的修饰（降低底物对酶的结构适应性）

1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第三十页，共四十六页，2022年，8月28日适当地结构修饰可改善抗生素的药物动力学性质，如增强稳定性，改善吸收，提高血药浓度，延缓消除半衰期和提高生物利用度等。4）改善药物动力学性能的修饰1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物四环素遇酸，6位羟基与5a位氢脱水形成去水四环素失去抗菌活性。经修饰除去6位羟基的6-甲烯基土霉素(美他环素

，6-去氧土霉素(多西环素)，米诺环素等对酸稳定并兼具优异的药物动力学性能。第三十一页，共四十六页，2022年，8月28日头孢菌素3-位乙酰氧基在体内被酯酶或非酶水解，降解成羟基化合物，使抗菌活性大幅度降低。将R改变成烷基、烯基、烷氧基、卤素等可阻断此种降解，而保持抗菌活性。以适当的含氮杂环基团取代，非但可阻断水解，而且可增强抗菌活性。以适当的带有季氮的杂环取代，与4-位羧基形成内盐，除阻断代谢降解，增强抗菌活性之外，还可以增大水溶性，提高胞膜穿透力。第四代头孢菌素都是这样的化合物。

4）改善药物动力学性能的修饰（消除头孢菌素分子中不稳定部分1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第三十二页，共四十六页，2022年，8月28日有些抗生素口服吸收差，制成适当的前药，可增加口服吸收率，提高血药浓度。口服氨苄西林250mg，Tmax2.0h，Cmax仅为1.7μg/ml，制成前药叔丁酰氧基甲酯(ampicillinpivoxil)，口服同样剂量，Tmax1.5h，Cmax为5.5μg/ml。头孢帕肟口服吸收率为9.4%，Cmax为0.62μg/ml，其前药头孢帕肟乙酰氧基乙酯(cefpodoximeproxetil)口服吸收率提高到58.1%，Cmax可达8.4μg/ml。4）改善药物动力学性能的修饰（改善吸收提高血药浓度）1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第三十三页，共四十六页，2022年，8月28日合成头孢菌素酯型前药改善口服吸收第三十四页，共四十六页，2022年，8月28日向苯唑西林的苯环上导入氯或氟，可提高血药浓度，如邻氯西林(cloxacillin)、二氯西林(dicloxacillin)、氟氯西林(flucloxacillin)等异恶唑类青霉素对青霉素酶稳定，血药浓度明显高于苯唑西林，用于治疗产生青霉素酶的金黄色葡萄球菌感染。林可霉素口服吸收差，且易受进食影响。将其7(R)-羟基转变成7(S)-氯的克林霉素，口服与肌肉注射后形成的血药浓度都有明显提高。4）改善药物动力学性能的修饰（引入适当基团提高血药浓度）1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第三十五页，共四十六页，2022年，8月28日引入适当基团提高血药浓度

药物RR’

剂量(mg)血药浓度(μg/ml)

苯唑西林HH5004.9

邻氯西林HCl5009.2

二氯西林ClCl2509.3

氟氯西林FCl2508.8第三十六页，共四十六页，2022年，8月28日林可霉素口服吸收差，且易受进食影响。将其7(R)-羟基转变成7(S)-氯的克林霉素，口服与肌肉注射后形成的血药浓度都有明显提高。给药途径口服肌肉注射抗生素剂量TmaxCmax剂量TmaxCmaxt1/2林可霉素500mg2h2.6μg/ml600mg0.5h1.0μg/ml4~6h克林霉素300mg0.75~2h4μg/ml300mg26μg/ml3.5h第三十七页，共四十六页，2022年，8月28日为改善氨苄西林口服吸收，曾将其羧基酯化制成前药，有些已临床应用。但有的品种在消化道内水解可产生醛(甲醛或其他醛)而引起消化系统症状。临床评价指出：水解不产生醛的前药如棱氨西林（lenampicillin）等消化系统副作用轻微。4）降低毒副反应的修饰1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第三十八页，共四十六页，2022年，8月28日第三十九页，共四十六页，2022年，8月28日早期的碳青霉烯有一定中枢神经毒性，可引起痉挛。构效关系研究表明：中枢神经毒性与2位含氮取代基有关。直接向鼠脑中注入亚胺培南(imipenem)引起间歇性与强直性痉挛的ED50分别为11与17μg/小鼠，注入培尼培南(penipenem)引起间歇性与强直性痉挛的ED50分别为29与41μg/小鼠，经过修饰获得的比阿培南(biapenem)直接注入鼠脑>300μg/小鼠亦不引起间歇性与强直性痉挛，临床应用中从未出现中枢神经毒性反应。4）降低毒副反应的修饰1、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物第四十页，共四十六页，2022年，8月28日直接向鼠脑中注入碳青霉烯引起痉挛的ED50

碳青霉烯间歇性痉挛强直性痉挛亚胺培南(Imipenem)11μg/鼠

17μg/鼠培尼培南(Penipenem)2941

比阿培南(Biapenem)>300>300第四十一页，共四十六页，2022年，8月28日抗生素的结构修饰的重要性抗生素结构的适当修饰，可扩展天然抗生素的抗菌谱、增强抗菌活性、克服耐药性、改善药物动力学性能与降低毒副反应，但不是所有抗生素经过修饰都能如愿地得到良好的修饰物。有些天然抗生素仅经过微小的修饰，即全然丧失抗菌活性，而在众多的修饰物中性能都不如原天然物的实例亦不罕见。在筛选新抗生素困难重重的今天，对获得的天然物进行适当的修饰是必要的。第四十二页，共四十六页，2022年，8月28日类别药物开发程度开发单位头孢菌素(3种)BAL5788II期临床试验BasileaRWJ-54428I期临床试验Johnson&JohnsonPPI-0903I期临床试验Peninsula碳青霉烯(4种)DoripenemIII期临床试验PeninsulaCS-023(R-115685)I期临床试验三共/RocheME1036(CP5609)