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Nature-2018-抗菌药物组合有望特异性治疗耐多药性的细菌感染

宏基因组2019-01-10 13:10:59

本文由同济大学赵晗编译,宏基因组公众号编辑。

抗菌药物组合的物种特异活性

Species-specific activity of antibacterial drug combinations

(Nature,IF: 41.577)

一、摘要

抗菌药物耐药性的传播已经成为一个日渐严重的公共健康问题,它使得曾经可治疗的疾病再次变为致命疾病,这破坏了现代医疗的成就。药物联合使用能够帮助对抗耐多药性的细菌感染,但它们在很大程度上尚未开发,并很少在临床上使用。

本文中描述了大约3000种不同剂量的抗生素、靶向人体的药物和食品添加剂的组合,在分别来源于三种革兰氏阴性致病大肠杆菌、鼠沙门伤寒菌和铜绿假单胞菌的六种菌株上的效果,从而来判断抗菌药物的联合使用的一般原则并了解其应用潜力。尽管这三种物种存在系统发育学相关性,超过70%的药物-药物相互作用具有物种特异性,20%的存在菌株特异性,这揭示了窄谱疗法的巨大潜力

总体来说,拮抗效果比协同效果更为常见,并且几乎仅发生在靶向不同细胞进程的药物之间,而协同效果更加保守并且富集在靶向相同细胞进程的药物中。本文提供了对这种二分法的机制见解,并进一步剖析了食品添加剂香草醛的相互作用。

最后,本文证明了几种药物协同作用在体外和大蜡蛾的幼虫感染期间对多种药物抗性临床分离株有效,并对抗生素的杀手锏粘菌素具有一种逆转性抗性。

二、正文

1. 材料选择

本文选择三种属于抗生素耐药高危群体的γ-变形杆菌:大肠杆菌(Escherichia coli)、鼠沙门伤寒菌(Salmonella enterica)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(附图1)。为了进一步评估同一物种的菌株之间的药物反应是否不同,本文涵盖了对于每个菌种的两个菌株。

所用79种药物化合物包括59%的抗生素(涵盖所有主要类别)、23%的人类靶向药物和食品添加剂,其中大多数报告具有抗菌和/或佐剂活性,和18%具有已知细菌靶标或遗传毒性作用的其他化合物(附图1),例如质子动力抑制,RS或氧化损伤剂,它们与抗生素活性和/或摄取的潜在相关性。

附图1. 针对革兰氏阴性菌的成对药物组合的高通量分析

2. 药物组合结果

本文得到在6个菌株中对多达2883个成对药物组合(总共17050对组合)。通过Bliss independence model评估药物组合对于抗菌的拮抗和协同效果,并且根据模型得出分数的规定了联合作用效果的强弱。

最终在大肠杆菌检测到19%的相互作用(协同作用和拮抗联合作用),并且在鼠沙门伤寒菌和铜绿假单胞菌中分别检测到16%和11%的这种相互作用。这些药物组合和前人研究中对于抗生素作用于大肠杆菌的结果超过70%吻合,由于药物选择等原因,和之前研究中在真菌中测得更大数据量的药物组合只有小于2%结果吻合。

因为药物组合之前没有在细菌中进行过系统的实验,本文缺乏对数据的验证指标。为了解决这个问题,本文选择了其中242种药物组合,用更高精度的实验进行测量。总体上,实验的结果可以达到91%的精准率和74%的召回率

3. 药物组合网络的法则

总体上,本文检测到1,354对拮抗和1,230对协同的药物组合作用。其中,拮抗的效果比协同的效果多了近50%的比例(图1a),这个结果和之前在真菌中能得到更过的拮抗效果的药物组合结论也相一致。并且拮抗作用几乎只发生在靶向不同细胞过程的药物之间,而协同作用富集在对于同类药物或靶向相同过程的药物中(图b-e)。

图1. 药物-药物相互作用网络原理

对于药物的拮抗作用发生在靶点不同过程,理论上可以通过药物-靶水平的相互作用来解释,因为这两种抑制剂可以帮助细胞缓冲更多不同过程的干扰,比如DNA和蛋白质合成抑制剂在细菌就是以这种方式作用的。大部分的拮抗作用是由于对细胞内药物浓度的调节产生效果,而不是因为他们靶标的直接相互影响。

对于药物的协同作用发生在靶点相同过程,可以理解为通过靶点相同的功能过程以不同的步骤,药物组合可以绕过该过程的冗余,从而具有协同效应。并且协同作用也可以通过细胞内药物浓度的调节产生效果。

4. 药物作用的保守性

对于所属同一个菌种间的相互作用是高度保守的,高达53-76%的相互作用在不同菌株的相同菌种中是共有的。13至32%的相互作用保持菌株特异性,而且在第二菌株中大多数药物都是没有相互作用效果的(图2a-b)。虽然很少有药物组合对一种菌株起协同作用,而对另一种菌株起拮抗作用,但是这种情况可以被验证集中实验被证明。

对于跨物种的情况来说大多数(70%)的相互作用只发生在一个物种中,而只有5%在所有三个物种中是保守的,尽管它们之间有着相近的系统发育关系(图2c)。药物的互作用对于物种的特异性有助于对部分菌进行针对性治疗,减少副作用。

尽管协同作用对于拮抗作用来说不太普遍(图1a),但它们比拮抗作用明显更保守(图2d)。可能是因为(1)协同作用在相同类别药物中富集,作用的过程在进化上是保守的;(2)协同作用中有1/4组合存在膜靶向药物,而这类药物对革兰氏阴性菌的作用具有普适性;(3)拮抗作用通常依赖于调节膜内的浓度产生作用,这种机制不是很保守。

图2. 药物作用的保守性

5. 食品添加剂香草醛的相互作用

因为抗生素类的相互作用主要以相同的方式,所以根据它们之间的相互作用对药物进行聚类,从而找到他们的分类群体。通过相互作用的表达谱聚类发现食品添加剂香草醛和阿司匹林聚在一起,这表明两种药物可能具有相同的作用。通过实验发现食品添加剂香草醛和阿司匹林都是通过抑制MarR(多重抗生素抗性抑制子)的表达进而表现出耐药性。

图3. 食品添加剂香草醛诱导多重耐药表型

6. 七种药物协同作用在体外和体内的功效

为了测试所检测到的相互作用是否与耐药菌株相关,本文选择了7种强而保守的药物协同作用,这些药物包括抗生素、人类靶向药物或食品添加剂,并评估它们对共6种耐多药性的大肠杆菌菌株和肺炎克雷伯杆菌(Klebsiella pneumoniae)临床分离的菌株的疗效。在体外实验中所有药物组合对大部分菌株中都表现出协同效果(图4a)。并且两种药物组合的协同作用可以杀伤在大蜡蛾的幼虫感染期间对对应的多种药物抗性的临床分离株,提高其感染后的生存率(图4b)。

这些协同作用最强的是在粘菌素和不同大环内酯类之间的药物组合(图4)。虽然已知其他多粘菌素可以帮助大环内酯类物质穿越革兰氏阴性细菌的外膜,但这种特殊的协同作用在低粘菌素浓度(< 0.3 μg ml-1)下也可以发生,甚至对具有粘菌素抗性的菌株(K.pneumoniae 929,图4)也是有效的。

图4. 抗耐多药性革兰氏阴性菌临床分离菌株的有效协同药物组合

三、 总结

  1. 提供了对革兰氏阴性菌的成对药物组合的综合资源。

  2. 并且阐明了药物相互作用的关键原则

    1. 药物与药物的相互作用有很高物种特异性,即使药物在不同物种中具有相同的细胞目标。

    2. 拮抗作用和协同作用具有明显的二分性。拮抗作用发生在靶向不同细胞进程的药物之间,而协同作用富集在靶向相同细胞进程的药物中

    3. 拮抗效果比协同效果更为常见,这个表明了如果一些随机的混合药物具有拮抗作用,很可能是减小了其中个体药物的功效。

    4. 尽管同类抗菌药物有相似的对其他药物的互作用,但是至少部分的拮抗药物是通过调节细胞内液浓度发挥作用。

  3. 提供了一个评估药物组合在跨物种和药物之间的保守性框架。

  4. 提供了通过非抗生素药物作为佐剂为窄谱抗菌治疗的新途径,并找到对抗耐多药性临床分离菌的有效协同药物组合。在体外实验中证明了其中7对协同作用药物的有效性,其中2对在体内同样有功效。

参考文献:

Brochado A.R., et al. Species-specific activity of antibacterial drug combinations[J]. Nature 559, 259–263 (2018). https://www.nature.com/articles/s41586-018-0278-9

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