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第一种抗生素撒尔佛散（salvarsan）在1910年开始使用。在短短100多年的时间里，抗生素已经彻底改变了现代医学，并将人类的平均寿命延长了23 年。1928年青霉素的发现，开启了天然产物抗生素发现的黄金时代，50年代中期达到顶峰，此后，抗生素的发现与开发逐渐式微，许多人类病原菌的耐药性演变，导致了目前的抗菌药物耐药性危机。在这里，我们概述了抗生素发现的历史，抗生素的主要种类及其来源。我们认为，随着基因组敲除和编辑等新技术的应用，发现具有多种生物活性的新天然产物，抗生素发现的前景看来是光明的。我们还报告了抗生素发展的现状，目前有45种药物正在进行临床试验，其中包括几类新的具有新作用方式的药物，这些药物正在进行第三阶段临床试验。总的来说，抗生素的发现有一些令人鼓舞的迹象，但要将科学进步转化为临床认可的抗生素，就必须改变一些模式。 抗生素的发展 将抗生素引入临床应用可以说是20世纪最大的医学突破（图1）。除了治疗传染病，抗生素使许多现代医疗程序成为可能，包括癌症治疗、器官移植和心脏直视手术。然而，滥用有价值的化合物导致抗菌药物耐药性（AMR）迅速上升，一些感染现在实际上无法治疗。后抗生素时代的危险促使政策制定者认识到这一对人类健康的威胁，并承诺提供额外的补助资金，这正逐渐推动对抗生素发现和开发。英国政府委托奥尼尔撰写的报告预测，如果不采取紧急行动，到2050年，每年将有1000万人死于耐药性感染。其中一个关键建议是促进早期药物发现。鉴于在将有效的合成抗生素应用于临床方面相对缺乏，开发新一代抗感染药物的最大希望是发现新的微生物天然产物（NPs），因为这些化合物在化学多样性和有效性方面与抗生素无异。丝状放线菌占已知NP类抗生素的64%，其余由其他细菌和真菌为载体开发（图2和表1）。在这里，我们对NP抗生素的历史和我们发现、开发和保护新一代抗生素的前景作了简要的概述。 使用产生抗生素的微生物来预防疾病的历史可以追溯到几千年前，在塞尔维亚、中国、希腊和埃及，传统的发霉面包为底物开发的膏药被用于治疗开放性伤口。公元前1550年的埃伯莎草是保存最早的医学文献，其中包括发霉的面包和药用土壤。1000年前的盎格鲁撒克逊配方最近也被证明可以杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。然而，Paul Ehrlich提出的抗感染药物的基本概念被广泛认可，他在大约100年前开发了合成的含砷前药salvarsan（撒尔佛散）和neo salvarsan（neo-撒尔佛散），用于治疗梅毒的病原体梅毒螺旋体（图1）。这是第一个使用合成化合物库进行药物发现之一，它的灵感来自于埃利希对特定染色细菌细胞的染料的研究。Salvarsan被磺胺前药Prontosil取代，安氮磺胺（Prontosil）是拜耳的细菌学家Gerhard Domagk发现的，他用这种药物来挽救女儿的手臂免于截肢。Paul和Paul的同事们受到了细菌染色剂的启发。磺胺类药物是临床上第一种真正有效的广谱抗菌药，至今仍在使用，但它们被亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）于1928年在受污染的培养皿上观察到的青霉素的发现所取代。后来，诺曼·希特利、霍华德·弗洛里、恩斯特·查因和牛津大学的同事们纯化了青霉素，他们在青霉素作为药物的开发过程中发挥了重要作用（图1）。多萝西霍奇金在1945年解决了青霉素的β-内酰胺结构。解决了罗伯特·罗宾逊和其他几位著名化学家（包括Chain、Abrahams和Woodward）之间的著名争论，后者支持噻唑烷恶唑酮结构。这是一个重要的突破，因为它使半合成衍生物的开发能够绕过青霉素的耐药性。 在发现青霉素之前，微生物之间的抗菌作用就已经被描述过了，包括路易斯·巴斯德（Louis Pasteur），他提出微生物可以分泌物质杀死其他细菌。报告了细菌产生可扩散和热稳定的化合物,20世纪之交，该化合物的应用已经探讨了如何防治传染病。可以说，抗生素的第一次临床应用是在19世纪90年代报道的，当时埃默里奇和罗欧使用了一种绿脓杆菌（当时称为绿脓杆菌）的提取物来治疗数百名患者，这种提取物被称为绿脓杆菌酶，一直使用到1910年代。绿脓杆菌酶对多种病原体具有活性，被错误地认为是一种酶。相反，绿脓杆菌酶的活性成分可能是绿脓杆菌素、群体感应吩嗪和2-烷基-4-羟基喹诺酮类化合物的混合物。 青霉素、酪氨酸的发现和微生物产生抗菌化合物的大量报道，20世纪30年代末，塞尔曼·瓦克斯曼（Selman Waksman）开始了对微生物作为抗菌化合物产生者的系统研究。他将抗生素定义为“由微生物制造的一种能破坏其他微生物的化合物”，并有助于确定土壤中的丝状放线菌（“放线菌”）是抗菌剂的高产生产者化合物。瓦克斯曼发现了许多由固体的放线菌制造的抗生素，包括新霉素和链霉素，这是第一种抗结核的药物。瓦克斯曼的开创性工作将链霉菌属鉴定为（天然产物）NPs或次级代谢产物的生产者，这些物质是实验室中生物体正常生长、发育或繁殖所不需要的化合物。许多链霉菌NP对细菌、真菌、病毒、线虫和昆虫具有活性，它们也被开发成抗癌和免疫抑制剂。 沃克斯曼的工作开创了抗生素发现的黄金时代，从1940年代到60年代，这些抗生素大多仍在临床使用，但其有效性已被AMR的上升所侵蚀（图1）。事实上，在相对较短的时间内迅速而相对容易地发现多种NP类抗生素（及其变体），导致了这些药物的过度使用。这一点，再加上从20世纪70年代开始，抗生素研发渠道的步履蹒跚，导致目前临床试验中几乎没有新的抗生素。因此，目前临床试验中的大多数抗生素都是已知类别的NP或合成抗生素的衍生物，而不是新类别的抗生素（表S1）。值得注意的是，抗生素发现的间断与新NP家族发现的减少以及在使用微生物（主要是放线菌）发酵提取物的筛选活动中不断重新发现已知化合物相一致。这在一定程度上导致了一种信念，即所有的“低挂果实”都已收获，并导致大多数主要的制药和农药公司关闭了它们的NP探索部门。 在放弃NP研究的同时，投资了许多旨在发现新合成抗生素的高通量筛选（HTS）项目，但这些项目被证明是不成功的。例如，葛兰素史克公司（葛兰素史克公司）在7年时间里使用大约50万种化合物进行了70次HTS活动，但这产生的线索非常少，而且没有候选开发。同样，阿斯利康的65项HTS活动提供了一些线索，但没有一项对多重耐药革兰氏阴性菌有效。然而，近年来，在未充分开发的环境中发现新的抗生素生产菌株，并结合基因组挖掘的新工具，重新活跃了NP发现领域。 微生物为什么会产生抗生素？ 在1945年至1978年间发现的所有抗生素中，55%来自链霉菌属（图1）。一些理论已经被提出来解释为什么土壤微生物产生如此多的生物活性NPS。最有可能的解释是它们有多种功能，作为化学武器杀死土壤中的竞争对手，或者作为保护（防御）或捕食（攻击性），作为向近亲发出信号的分子，或是介导与真核生物宿主（如昆虫和植物）的相互作用。一百万年前链霉菌和其他丝状放线菌，大约同时与植物在陆地上繁殖。这些细菌的丝状生长为植物根系的定殖提供了有利条件，我们推测，它们的NPS可能已经进化或被选择来调节他它们之间的相互作用。 从微生物基因组测序中得到的一个更令人惊讶的发现是，许多细菌和真菌编码的NP途径比它们在实验室中实际编码的还要多。一般来说，它们至少有四分之三的潜在NP能力在体外没有被激活，这一发现引发了新的开发工具和技术的创新，以激活它们的潜在的“隐性”生物合成基因簇（BGC），希望能发现具有有用生物活性的新型化学支架。许多研究表明，当激活或异源表达时，沉默的BGCs编码功能NP生物合成途径。这表明，这些化合物的产生是由环境线索或宿主生物体触发的。许多无脊椎动物，包括昆虫和海绵，与产生抗生素的细菌形成了防御和互利的共生体（防御互惠关系），似乎大多数陆地植物都以这样模式运作。利用先进的技术，如稳定同位素探测（SIP）和成像质量，在宿主环境中研究这些细菌光谱法（IMS）可能是识别由BGC编码的数千种新化合物以及识别对其宿主最重要的NPS的一种新方法。 天然产物抗生素的开发前景 在抗生素发现的黄金时代，几乎每年都会通过从土壤样本中分离出可能产生抗生素的微生物。然而，来自易于培养的细菌的数量有限，意味着NP类化合物的重新发现很快就成了一个问题（图1）。最近，在未开发环境中发现新的抗生素生产菌株，结合基因组敲除和异源途径表达的新工具，NP发现领域重新焕发了活力。 很明显，地球上只有很小一部分的土壤被取样用于抗生素生产。更广泛的采样可能会产生大量的新菌株和BGC，即使是在这种传统的采样环境中。此外，在黄金时代无法接近或未知的勘探环境下取样，会产生新的化学结构。其中包括海洋环境，海洋放线菌属盐孢菌已被证明是多种结构新颖的NPS，例如具有抗癌活性的盐藻胺a（Marizomib），目前正处于治疗胶质母细胞瘤的III期临床试验中。 共生共进化细菌也可能是新NPS的一个很好的来源，研究这些生态位有助于揭示的潜在生物学，并有机会了解这些分子在自然界中的实际作用。海绵等海洋无脊椎动物的细菌共生体是新NPS的丰富来源。例如，内凹假丝酵母是海洋海绵Theonella swinhoei的未培育共生体，并且被证明能够产生几乎所有从化学类型swinhoei分离的生物活性聚酮和修饰肽。 人类微生物组的测序也揭示了放线杆菌和其他细菌门中的许多NP-BGCs，抗生素乳酸杆菌素是从人类阴道分离物中鉴定出来的。另一种抗菌化合物路邓素（lugdunin）是路邓葡萄球菌（Staphylococcus lugdunensis，S.lugdunensis）分泌出的一种多肽抗生素，科学家首次在鼻腔中发现了这种细菌和它分泌的化合物，并发现这种化合物能够有效遏制MRSA的繁殖和感染。 难以培养细菌 基因组数据表明梭状芽孢杆菌中存在新的BGCs，这促使Hertweck和同事们研究该属细菌的抗生素生产潜力，因为梭菌中没有NP的特征。在标准实验室条件下生长的纤维素分解梭菌没有产生NPs，因此添加土壤水提取物重复发酵，因为细菌是从腐烂的草堆肥中分离出来的。这引发了氯噻酰胺（closthioamide，一种新的聚硫酰胺类抗生素）的生产。在另一个例子中，抗生素腐植霉素是通过合成一种假定的肽NP而发现的，该肽是从放线菌Rhodococcus equi（一种机会主义的人类病原体）的基因组中被生物信息学预测出来的。 其他新的方法包括使用扩散室从土壤中分离难以培养的细菌，这种扩散室允许纯细菌在复杂的自然环境中生长。这是一个微型分离芯片（iChip）和用于培养10000个土壤分离，否则难以在实验室发酵。然后，对这些提取物进行抗菌活性筛选，其中一个结果是鉴定出了由地榆属植物产生的抗菌肽teixobatin。这些发现和最近的宏基因组学研究强调了传统土壤环境对抗生素发现的持续相关性。 针对未开发环境和难以培养细菌的改进采样方法的开发，结合新的基因工具和技术激活有趣的BGC，很可能在未来20年内发现数千种新的生物活性化合物。这些药物中的一部分极有可能成为临床医学中新的抗感染药物的基础，尽管这需要改进财务及技术模型来激励新抗生素的开发。 临床发展前景 截至2018年12月，美国市场的临床试验中有45种新的候选抗生素（表S1）。其中28个属于已知NP类，17个是合成类，包括12个类，其中7个是新类。NP类包括13种基于β-内酰胺类的抗生素，这是1928年发现的第一类NP抗生素（图1）。其中5种是变异β-内酰胺类，2种是混合型（糖肽和铁载体），7种是β-内酰胺酶抑制剂的组合（表S1）。有五种新的四环素类，一类是1945年首次被描述出来的，1948年被引入临床，一种是氨基糖苷类（1943年），一种是司他霉素（1962年），一种是福西丹（1945年），一种是大环内酯类（1952年），一种是胸膜肌素（1950年）和两种多粘菌素（1947年）。梭链孢烷抗生素（fusidane-type antibiotices）是一类真菌来源的C29原萜烷型三萜抗生素，其代表性的化合物有三个，分别为夫西地酸（fusidic acid）、烟曲霉酸（helvolic acid）和头孢菌素P1（cephalosporin P1）。该类抗生素对革兰氏阳性菌，特别是金黄色葡萄球菌有突出的抑菌活性。其中，夫西地酸自1962年起就作为临床药物用于治疗金黄色葡萄球菌引起的局部和全身感染。而且，梭链孢烷抗生素是目前已知的抗生素中唯一一类通过靶向延长因子EF-G来抑制细菌蛋白合成的抗生素。由于其特殊的抗菌机制，使其与临床常用的抗菌素无交叉耐药性。在抗菌素耐药性问题日益严重的当下，该类化合物引起了人们的广泛关注。自夫西地酸发现以来，研究人员利用化学衍生化或者生物转化方法对夫西地酸的结构进行了大量改造，但至今未能发现比夫西地酸抗菌活性更好的衍生物。组合生物合成已成为丰富天然产物结构多样性的有力手段，但其成功运用的前提需要揭示目标化合物的生物合成途径以及生物合成酶的底物宽泛性。在美国处于第三阶段试验中，但它已经在世界其他地方被用于临床。在III期临床试验中，有两种新的合成类药物：瑞替硝唑，它通过一种尚未被揭示的机制，特别阻断艰难梭菌的细胞分裂；和穆雷帕丁，它有一种新的作用机制，抑制LptD阻止脂多糖向外膜的转运。墨累哌啶对耐药铜绿假单胞菌有效，铜绿假单胞菌是最难治疗的病原体之一，尤其是囊性纤维化患者。同样令人鼓舞的是，第二阶段临床试验中的9种化合物中有4种代表了新的类别，但是对于治疗领域来说，这仍然是一个适度的数字，并且不足以对抗多重耐药的革兰氏阴性病原体，因为从临床试验到临床应用的化合物的损耗率一直很高。抗生素CDB是一个开放式数据库，记录候选抗生素，包括临床前开发的抗生素、临床试验中的抗生素和停用药物。 遗憾的是，大多数大型制药公司已经离开了NP发现领域，这项工作现在主要由学术实验室和中小型公司承担。目前正在开发的45种药物中，只有两种属于大型制药公司：合成的吉泊他丁通过一种不同于喹诺酮类药物的机制抑制拓扑异构酶II，葛兰素史克公司正在开发治疗淋病的药物（第2阶段），而默克公司在第三阶段临床试验中有一种β-内酰胺酶/内酰胺酶的组合。近年来最显著的NP抗生素的成功是2003年Cubist将卡必信（daptomycin）引入市场，现在这种药物的年销售额超过10亿美元。克必信是1987年从玫瑰红链霉菌中发现的一种治疗万古霉素耐药金黄色葡萄球菌（VRSA）的药物。克必信（注射用达托霉素），适应症为金黄色葡萄球菌(包括甲氧西林敏感和甲氧西林耐药)导致的伴发右侧感染性心内膜炎的血流感染（菌血症）。如果确定或怀疑的病原体包括革兰阴性菌或厌氧菌，则临床上可采用联合抗菌治疗。在患有由金黄色葡萄球菌引起的左侧感染性心内膜炎的患者中，尚未证实克必信的有效性。在金黄色葡萄球菌血流感染的患者中进行的克必信临床试验，包含来自左侧感染性心内膜炎患者的资料；在这些患者中，疗效不佳。在人工瓣膜心内膜炎或脑膜炎患者中，尚未对克必信进行评价。若患者患有持续性或复发性金黄色葡萄球菌感染，或临床疗效欠佳，应该重复进行血培养。如果金黄色葡萄球菌的血培养为阳性，则应采用标准操作规程进行该菌株的MIC药敏试验，并且应进行诊断性评估，以排除罕见的感染病灶存在。科必信不适用于治疗肺炎。 2014年，赛诺菲和弗劳恩霍夫宣布成立一个NP卓越中心，目标是识别新化合物，以加快新抗生素的发现和开发。2016年，赛诺菲进一步宣布与Warp Drive Bio建立合作伙伴关系，通过使用下一代测序和基因组挖掘（大规模）来识别新的NPS，合作开发新型肿瘤疗法和抗生素，但这一合作在2017年结束。2018年，Warp Drive Bio与Revolution Medicines有效合并，Revolution Medicines目前专注于肿瘤学而非抗感染药物，不过Warp Drive Bio的基因组挖掘平台最近已被Ginkgo Bioworks收购。罗氏有几个战略联盟，例如与Spero，后者目前有两种抗生素处于第一阶段，另一种处于第三阶段临床试验中（表S1）。包括Genetech在内的几家公司正在研究抗体抗生素结合物（AACs）。在大中型公司中，Basilea是一个主要活跃的参与者，专注于创新抗生素、抗真菌药物和肿瘤药物的开发。此外，在抗菌和抗真菌发现领域有创新的中小型公司，包括四相制药公司（Tetraphase Pharma），该公司目前有两种抗生素正在进行一期临床试验，最近又有两种抗生素获准使用（表S1）。NP对所有这些公司都有很大的影响，这些公司似乎在已知NPS（如多烯、大环内酯和四环素）周围非常特定的化学空间区域内使用半合成或全合成方法。 除了与抗生素发现和开发相关的科学难题外，还必须解决许多监管、经济、商业和社会问题，以保护和最大限度地发挥我们现有和未来临床药物库的潜力，同时促进投资和培养为振兴抗生素研发以应对AMR提出的挑战所需的变革。在几份重要的报告中，包括奥尼尔和皮尤信托基金对这些问题进行了分析并提出了建议。Mossialos和他的同事们全面回顾了47种新抗生素开发的激励策略，并得出结论：需要一个由多种激励和政策组成的框架。 总结与展望 对几乎所有已知抗生素都有耐药性的细菌感染的增加，这种现状令人担忧，然而直到最近几年，各国政府才开始认真处理这个问题。这一全球性的警钟引发了一场关于如何最好地对抗AMR的辩论，并促使英国政府任命一位经济学家吉姆·奥尼尔领导一项战略评估。一位经济学家的任命凸显了将一种药物推向市场的复杂性，这种药物如果在功能上成功，只会在短时间内使用。再加上历史上价格低廉，任何具有独特作用方式的新抗生素很可能会被限制作为最后的治疗手段，抗生素研发的经济性是阻碍投资的主要因素。为了解决这些问题，需要创新的解决方案，提供一种使药品销售收入脱钩的补偿模式。 在科学上，鉴定具有抗生素发现和开发所需的具有独特物理化学特性的新化学物质是一个关键的挑战。鉴于本综述中所述的进展，NPS仍然是最有可能的新材料来源。即使是研究得最好的抗生素生产商，链霉菌，在它们的能力方面也被大大低估了，而且从对未充分开发的环境、生态考虑和基因组测序的有机体的研究中可以确信，在整个细菌界，成千上万的NP抗生素等待着被发现。新的工具和技术，如CRISPR/cas9介导的基因组编辑，可以利用这些观察结果，尽管没有通用的策略来表达沉默的BGCs。最近的进展导致了许多具有特殊生物活性的新分子结构的发现，这一领域的进一步进展无疑将加快这一发现速度。 因此，各国政府开始采取行动，有很多值得乐观的地方，尤其是已经发现的大多数NP抗生素来自地球上的一小部分微生物。通过适当的全球行动，这将导致一个新的抗生素管道，与其他紧急技术，如疫苗，抗体抗生素结合物，益生菌，噬菌体治疗和快速诊断。 ---Curr Opin Microbiol. 2019 Oct;51:72-80.doi: 10.1016/j.mib.2019.10.008. |
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