Nature重大发现：新型抗生素洛拉霉素只杀革兰氏阴性菌，不伤肠道菌群

Nature重大发现：新型抗生素洛拉霉素只杀革兰氏阴性菌，不伤肠道菌群

抗生素的滥用已经成为全球性的医疗问题，不仅导致细菌耐药性的增加，还破坏了人体肠道菌群的平衡，引发了一系列健康问题。然而，最近一项发表在Nature上的研究发现了一种新型抗生素——洛拉霉素（Lolamicin），它不仅能有效杀灭革兰氏阴性菌，还不会伤害肠道菌群，为抗生素的研发开辟了新的方向。

临床上批准使用的绝大多数抗生素仅杀灭革兰氏阳性菌，或同时杀灭革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌（广谱抗生素）。前期对大量抗生素的调查显示，这些药物基本上都会对肠道共生菌产生有害影响。2024年5月29日，一篇题为“A Gram-negative-selective antibiotic that spares the gut microbiome”的研究论文发表在Nature上，该研究发现了一种新的抗生素洛拉霉素（Lolamicin），该抗生素只对革兰氏阴性菌起作用，且这种抗生素不伤害肠道菌群。

研究方法

三代16S全长测序（PacBio），Sanger测序，抗菌药敏实验，Time-kill动力学等

研究结果

1. 洛拉霉素的鉴定

开发针对特定病原体、窄谱抗生素的潜在细胞靶点是Lol系统，该系统是一个由五个组件组成的蛋白质系统，位于周质中，负责革兰氏阴性细菌内外膜之间的脂蛋白转运。由于革兰氏阳性细菌的脂蛋白完全保留并锚定在细胞质膜上，因此不需要脂蛋白转运，这使得Lol系统成为革兰氏阴性细菌的专属系统。这种脂蛋白转运系统对于大肠杆菌的生长至关重要，并在许多高优先级革兰氏阴性ESKAPE病原体中得以保留。大肠杆菌的Lol系统与人类共生革兰氏阴性细菌的Lol系统序列同源性较低，这表明有可能利用这种蛋白质复合物作为开发双重选择性抗生素的手段：一种针对革兰氏阴性细菌的靶标，并进一步特异性针对革兰氏阴性病原菌而非共生菌。基于这一点，研究人员寻求识别一种具有抗革兰氏阴性病原体活性的Lol抑制剂，然后利用这种化合物评估针对病原体的革兰氏阴性细菌的抗生素作为保护微生物组的药物的潜力。

阿斯利康公司在2015年将吡啶吡唑和吡啶咪唑（图1）鉴定为LolCDE复合体的抑制剂，在此基础上，研究人员不断更新迭代，最终发现了lolamicin，lolamicin对大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌的选择性高于其他致病性和共生细菌（革兰氏阳性和革兰氏阴性），这与LolCDE复合体的序列相似性一致，大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌之间相似性高。lolamicin对哺乳动物细胞系和红细胞也表现出最小的毒性，并且在50%人血清存在的情况下评估时，最低抑菌浓度（MIC）值没有变化。

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图2.洛拉霉素的抗菌及耐药研究

利用分子模型来探究lolamicin的结合位点，lolamicin通过占据脂蛋白结合位点，从而竞争性地抑制了脂蛋白的转运（图3）。

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图3.lolamicin在LolCDE中的主要结合位点和瞬时结合位点

药代动力学实验显示lolamicin具有显著的口服生物利用度，并且当以每天两次，每次200 mg kg−1的剂量通过口服灌胃给药3天时，lolamicin在小鼠中具有良好的耐受性，因此这种给药方案可被用于感染模型，且对急性肺炎感染模型以及败血症感染的小鼠效性。（图4）

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图4.洛拉霉素的体内疗效研究

2. 洛拉霉素与肠道菌群

Lolamicin对某些致病性革兰氏阴性细菌具有选择性的抗菌活性，而对革兰氏阳性细菌或非致病性革兰氏阴性共生细菌没有影响。当然，这些实验中测试的菌株并不能反映肠道微生物组的全部多样性；因此，研究人员检查了lolamicin对小鼠肠道微生物组的影响。给健康小鼠分别服用载体、阿莫西林（广谱抗生素）、克林霉素（仅对革兰氏阳性菌有作用的抗生素）或lolamicin（仅对革兰氏阴性菌有作用的抗生素）。从第0天（抗生素治疗前）、第7天（抗生素治疗结束后4天）、第10天（抗生素治疗结束后7天）和第31天（抗生素治疗结束后28天）收集的粪便样本中提取DNA，并通过全长16SrRNA测序分析微生物组组成。结果发现服用阿莫西林和克林霉素后细菌种群发生了显著变化。在纲水平上，芽孢杆菌和拟杆菌的数量相对大幅减少，而γ变形菌在治疗后四天和七天的数量明显增加。具体来说，肠杆菌科（Enterobacteriaceae）和Tannerellaceae科的比例增加，而拟杆菌科（Bacteroidaceae）、无胆甾原体科（Acholeplasmataceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和穆里氏菌科（Muribaculaceae）的比例减少（图5a）。尽管克林霉素通常用于治疗革兰氏阳性感染，但治疗结果显示它减少了革兰氏阴性细菌的一个类群——拟杆菌。类似的变化也出现在接受阿莫西林治疗的小鼠中，它们表现出拟杆菌科成员的相对增加，以及肠杆菌科等γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）成员的富集。阿莫西林治疗还导致毛螺菌科和穆里氏菌科的相对减少（图5a）。相比之下，lolamicin治疗在为期三天的治疗过程中或随后的28天恢复期内，并没有引起分类组成上的任何实质性变化（图5a）。α多样性和β多样性分析显示（图5b、c），在使用阿莫西林和克林霉素治疗后物种的多样性降低，lolamicin治疗组无论是在治疗期间还是恢复期间物种丰富度都得到了保持，这与对照组中检测到的物种丰富度类似。

3. 艰难梭菌挑战实验

抗生素治疗引起的微生物组紊乱与继发性艰难梭菌感染（C. difficile）有关，接下来进行了一项研究，以确定微生物组组成变化与艰难梭菌清除之间的关系。使用与微生物组研究相同的治疗组，用抗生素治疗健康小鼠，然后用艰难梭菌刺激它们，以评估它们自发清除艰难梭菌定植的能力。如图5d所示，lolamicin治疗导致艰难梭菌的定殖很少或没有，这与对照组相似。然而，使用阿莫西林或克林霉素治疗的小鼠表现出无法清除艰难梭菌的能力，并且在整个实验期间观察到高水平的定殖（图5d）。

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图5.洛拉霉素保护肠道微生物群，防止艰难梭菌定植

研究结论

该研究发现了一种新的抗生素Lolamicin，对130多种临床耐药分离株具有活性，在多种小鼠急性肺炎和败血症感染模型中均显示出疗效，并且能保护小鼠的肠道微生物组，防止继发性的艰难梭菌感染。Lolamicin通过选择性地杀死致病性革兰氏阴性细菌来实现其效果；这种双重选择性策略可以成为开发其他保护微生物组的抗生素的蓝图。