抗菌药物研发：机遇和挑战同在

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■挑战篇
高科技并非完美无缺
▲艰难的高通量筛选之路
大概有10%的靶标因为产生活性蛋白或底物，在化验中的信噪比差等问题，或者因为这种化验不能小型化到实用而不能达到高通量药物筛选（HTS）阶段。但是，靶标进入到HTS阶段后并非从此一帆风顺。
在1995年~2001年之间，针对收集的化合物（包括26~53万种化合物），史密斯克莱-必康公司对抗菌药物靶标进行了67次HTS。这是对单一治疗领域筛选资源的空前集中，结果只有16次HTS获得了采样数，只有5次产生了引导。对于其余的采样数，化学修饰未能产生符合引导标准的分子。研究人员根据这次结果得出结论认为，虽然HTS和采样数的化学修饰确实产生出新型具有强力抗菌活性的化合物，但是它们的细菌谱十分有限，也就是说，成功的可能性与大量的研究努力相比，是非常低的。以葛兰素史克（GSK）公司为例，在1995年~2001年之间，他们进行的70次HTS，只得到5个先导化合物，也就是说，平均要进行14次HTS才能发现一个先导化合物。根据GSK公司的筛选方法，抗菌HTS的成功率要比当时其他治疗领域的靶标低4~5倍。当然，这在经费上是无法支持的。
从HTS很难发现抗菌化合物，GSK公司并不是开展这类研究的惟一一家公司。1999~2004年之间的资料表明，有34家不同的公司共对60种不同的抗菌靶标进行了125次以上的抗菌筛选。但是在抗菌药物产业链中，没有出现新的药物，由此可以明白这些筛选没有产生出一个可靠的开发备选物。现在知道的仅有靶向新抗菌酶（PDF）的两种化合物已进展到I期临床试验。
据分析，抗菌HTS成功率差的潜在原因是复杂的。首先，一种最终能成为抗菌药物的化合物必须能抑制许多不同革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的生长，所有的细菌都有不同的分子靶标，不同的膜渗透性和不同的代谢途径。制造这样的化合物是一项重大的化学挑战——革兰氏阳性肺炎链球菌和革兰氏阴性嗜血流感杆菌在遗传学上的共性也许比人类和草履虫的共性还少。此外，还要保证，有效抑菌血药浓度达到最高时，其副作用能被机体容忍。最后，这种化合物必须具备一个具有竞争性和方便的定量投药的药理学特性。
▲基因组学有盲点
除了获得引导物困难以外，基因组学分析的盲点也会导致在研发过程出现其他的意外。经基因组学确定的靶标仅仅在进行了顺序比较和产生了假定靶标而进行基因敲除的那些特殊菌株中得到了确认，这会导致在临床应用中的不“实用”。例如，MetRS被选择为肺炎链球菌，金葡菌和大肠埃希菌部菌株之间高度顺序相同的靶标。但是，在临床上，同类的靶标存在相当大的变异。虽然MetRS抑制剂针对金葡菌和各种肠球菌的菌株作用强，但是MetRS抑制剂对一组肺炎链球菌株的最小抑菌浓度(MICs)显示双峰分布。某些肺炎链球菌含有两种不同的基因，其基因产物催化相同的tRNA氨基酰化反应，只有一种可被有效的MetRS抑制剂系列抑制。
如此以来，有成双基因的情形则成了抗菌药物研发致命的弱点。例如，作为抗菌药物磷霉素的靶标，UDP-N-乙酰葡萄糖胺-烯醇丙酮酰转移酶（MurA）在药理上得到确认，值得进一步探索。但是，研究表明，一些革兰氏阳性细菌基因组实际上具有两个murA基因，这两个基因都是必需的。为了杀死这种细菌，一种化合物必须能抑制两种Mur酶，这一特征使得药物更难设计或更难从筛选中发现。
▲全细胞抗菌筛选成功率低
缺乏有效的引导，加上将缺乏全细胞活性的化合物转换成具有这种活性的困难，使得研究人员也是进行“凭经验”（不是根据靶标）的全细胞抗菌药物筛选。
像各个抗菌靶标的生物化学筛选一样，全细胞抗菌筛选的成功率是令人失望的。通过大量的令人厌烦的化合物的资料来定义抗菌活性是否非特异性机制还是特异性靶标的结果，是人们难以承受的。
■机遇篇
基因组学时代带来新希望
在20世纪90年代中期以前，人们对于开发效果高于β内酰胺类、大环内酯类或喹诺酮类的抗菌药物并不是很热心。但是，到了1995年，流感嗜血杆菌细菌基因组完全DNA顺序的确定改变了一切——期望探寻数以百计的新基因作为可能的靶标激起了人们对抗菌药物研发的新兴趣。
一些大的制药公司又返回到了抗菌药物时代，利用源于基因组的，基于靶标的途径来搜寻作用模式不同的新型药物。例如，利用基因组学途径，葛兰素史克（GSK）公司花了7年时间评价了300多个基因作为新型抗菌药物靶标的潜力，显示160多个基因是重要的；对各个靶标共进行了70次的高通量筛选（HTS）。而这些方法与目前的合成化学物方式截然不同——目前临床试验中化合物主要由已经发生耐药机制的化学类的衍生物组成。新的衍生物可以暂时提高疗效，但是因为基本的耐药机制，不管是基于靶标，流出系统或酶调节，仍然存在，这些药物几乎没有能力来对抗按小时进化的细菌。
大多数抗菌药物抑制的细胞靶标都不多。例如，喹诺酮类药物阻滞DNA旋转酶（和拓扑异构酶IV）；大环内酯类，四环素和氨基糖苷类抗菌药物则抑制核糖体功能；β内酰胺类则阻断细胞壁的生物合成。这些抗菌药物是通过其化学结构进行分类的，与它们抑制的靶标相对。虽然通过结构改变，是增加药物种类的首选方法，但是不能从根本上改变它们与靶标相互作用。
基因组学信息则为继续探索已知的但开发不足的靶标提供了条件。例如，种属不同而相关的革兰氏阴性（流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌）和革兰氏阳性（肺炎链球菌，金葡菌和粪肠球菌）致病菌基因组DNA顺序的比较，显示基因是高度保存的。它们的这种特性提示，细菌的存活需要规范的功能，而不仅仅是因为种类特殊的作用，而基因组学为揭示这个规范提供了可能。所以有人认为，基因组学时代的来临使抗菌药物研发进入了一个充满希望的新时代。
■策略篇
改变研究途径
由于HTS的结果常常令人失望，无论是科学上，还是经济上，要简单地保持筛选更多的靶标是不太可能的。先导化合物最优化阶段的经验表明，从单一计划到产生高质量的广谱抗菌药物研发备选物需要付出巨大而长期的努力。因此，抗菌药物的研发策略需要变化。
▲研究重点后移
早在几年前，GSK公司就着手改变其抗菌药物的研究策略，以应对这些关键性的挑战。他们把工作的重点转移到了精选出来的后期先导物研究计划，决定继续从事仅限于靶标选择的广谱抗菌药物。为了使后期计划能够达到生物学和化学资源的最优化，所有处于“HTS到先导物”阶段的早期计划都被终止，针对抗菌药物治疗领域的HTS则暂时停止。
他们首先重新考虑了已知的抗菌分子，以研究是否可以改进其抗菌和可发展的特性。按照此思路，研究人员已经以不同的方式改变了截短侧耳素的核心结构，产生的3种衍生物目前已经进入临床试验。研究还使用了引导物分子的老式方法：对小型的不连续的化合物库进行抗菌活性的筛选。研究发现了一类能抑制细菌DNA复制的新型化合物，其中一些也已经进入开发阶段。
迄今为止，GSK公司采用这种策略已经产生了6个备选物，现在正处于进一步研究中。现在虽然还不能断言成功，但是以研发备选药物的数量来衡量，在过去4年的研发能力要比过去20年还要大。
与此同时，他们的研究并没有完全放弃抗菌药物研发的早期部分。化合物的收集已经充分得到扩展，并且在质量上得到提高，因为已经完成了基于基因组的筛选工作，而且，研究人员正试图创建更适合抗菌药物靶标的分子库。
▲关注简单而优秀的靶标
许多经验都证明，针对孤立细菌靶标的化合物合成库的筛选，不足以产生新的抗菌药物先导化合物。
除非有大量的合成化学研究，能将良好的酶抑制剂转换成可渗透的抗菌药物，否则筛选细胞内蛋白质靶标——尤其是独立的酶——则注定是要令人失望。一般来说，细胞外的靶标总是引人注目的，尤其是对于生化筛选，因为不需要穿过细胞壁。
设计HTS化验来用于现代大规模自动化筛选往往包括折衷的方法，例如采用非自然的底物或人工反应环境。此外，通过HTS获取这种酶的本质功能的充分试验可能缺乏。这些问题对于一个新靶标也许更是一个问题。
某些靶标易控制，也容易出成果，例如核糖体和促旋酶具有多种类型已发表的先导化合物和上市药物，而另一些基本的基因产品现在还没有找到抑制剂。针对易控制的靶标，例如DNA复制，核糖体和细胞壁生物合成过程的研发新策略是更合理的策略。专家认为，关注这些简单而优秀的靶标要比关注一个新的靶标更好。
▲加强自然产物的筛选
在搜索一种新靶标时，可供筛选化学物的差异性是一个极其重要的因素。大多数大型制药公司的收集化学品是为进行筛选抗菌药物之用。但是，抗菌药物之树上低垂的果实可能已经被摘走。由于采用相似的化学合成方法和从相同的供应商获得化合物。不同公司的合成筛选收集可能有很多重叠，因此，需要有化合物的新来源。
幸运的是，奇异的生物体正在不断地从各种各样极端的生物环境中分离出来，同时携带着它们自身的化学防御机制。这些自然发生的生物体，与采用组合遗传学和可供应用的新异代谢途径产生的重组生物体一起，也许能释放大量的新化合物。所以，应大力提倡自然产物的筛选，以搜索新的抗菌化合物。