两大机构合作在《自然》杂志上报告说,通过调整著名的抗真菌药物的结构,设计出一种新的抗真菌分子,能对抗真菌的感染,同时消除其毒性。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员和威斯康星大学麦迪逊分校的合作者在《自然》杂志上报告说,通过调整著名的抗真菌药物:Amphotericin B(两性霉素B,AmB)的结构,设计出一种新的抗真菌分子。
两性霉素B是一种由细菌产生的天然小分子,是治疗真菌感染的最后手段。虽然AmB在杀死真菌方面表现出色,但由于它对人体(尤其是肾脏)也有毒性,因此被保留作为最后一道防线。
“真菌感染是一场公共卫生危机,而且只会越来越严重。不幸的是,它们有可能爆发并产生指数级影响,就像COVID-19那样。因此,让我们利用大自然开发的对抗真菌的强大工具之一,把它变成一个强大的盟友,”研究负责人Martin D. Burke博士说,他是伊利诺伊州化学教授,也是一名医生。
Burke说:“这项工作证明,通过深入研究基础科学,你可以从大自然中获得十亿年的先机,并将其转化为有望对人类健康产生重大影响的东西。”
Burke的研究小组花了数年时间探索AmB,希望能制造出一种衍生物,既能杀死真菌,又不会对人体造成伤害。在之前的研究中,他们开发并利用了一种基于构建块(building block,生物通注)的分子合成方法,并与威斯康星大学麦迪逊分校的Chad Rienstra教授领导的一个专门研究固态核磁共振分子成像工具的小组合作。研究小组共同揭示了这种药物的作用机制:AmB通过像海绵一样从真菌细胞中提取麦角甾醇(ergosterol),来杀死真菌。
在这项新研究中,Burke研究小组再次与Rienstra研究小组合作,发现AmB可以通过提取人体内最常见的固醇——胆固醇,以类似的方式杀死人类肾细胞。研究人员还分析了AmB海绵在与麦角甾醇和胆固醇结合时的原子水平结构。
“原子分辨率模型确实是放大和识别AmB与每种甾醇之间结合相互作用中非常细微差异的关键,”伊利诺伊研究生Corinne souar(文章一作)说。
“利用这些结构信息以及功能和计算研究,我们在理解AmB如何作为一种有效的杀真菌药物发挥作用方面取得了重大突破,这为修改AmB和调整其结合特性提供了见解,减少了它与胆固醇的相互作用,从而降低了毒性。”
有了核磁共振研究的信息,研究团队开始合成和测试衍生物,对麦角甾醇和胆固醇结合的区域进行轻微改变,同时提高麦角甾醇去除过程的动力学,以保持功效。
在Carl R. Woese基因组生物学研究所和加州大学兽医临床医学教授Timothy Fan博士的合作和设施的支持下,研究人员测试了最有希望的衍生物——首先是体外试验,快速评估杀死真菌的功效;然后转移到细胞培养,最后是活体小鼠,评估毒性。
一种被称为AM-2-19的分子脱颖而出。
该论文的第一作者之一、博士后研究员Arun Maji说:“这种分子对肾脏有保护作用,它可以规避耐药性,而且具有广谱功效。我们在四个不同的地点对500多种不同的临床相关病原体进行了测试。这种分子完全出乎我们的意料,它模仿或超越了目前临床可用的抗真菌药物的功效。”
研究人员测试了人体血液和肾脏细胞中的AM-2-19,筛选毒性。他们还在三种常见的顽固真菌感染的小鼠模型中测试了AM-2-19,并看到了很好的疗效。
Burke说:“在我的医疗轮转期间,我们称AmB为‘ampho-terrible’,因为它对病人来说非常难受。”“把药效和毒性分离开来,就会把‘ampho-terrible’变成‘ampho-terrific。我们对我们所看到的药物潜力感到非常兴奋,不过还需要临床研究来确定这种潜力是否适用于人类。”
作为临床应用的第一步,AM-2-19已被授权给Sfunga Therapeutics公司,并于近期进入I期临床试验。Sfunga Therapeutics也为这项工作提供了部分支持,Burke获得了咨询收入和公司股权。
参考文献
Tuning sterol extraction kinetics yields a renal-sparing polyene antifungal