編者按：在全球范圍內，由結核分枝桿菌引起的結核病仍是死亡人數最多的傳染病。根據世界衛生組織發布的報告，2023年全球有125萬人死于結核病感染。而細菌耐藥性的發展，給結核病的治療帶來了嚴峻挑戰。

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在2024年的一項研究中，科學家開發出了一款全新的GuaB抑制劑。經過進一步優化，這類抑制劑有望與現有療法相結合，幫助開發新型結核病治療方案。

結核病是一種歷史悠久的疾病，在距今9000多年的古人遺骸上，科學家們已經發現了結核病感染的痕跡。在人類的歷史記錄中，這種由結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）引起的傳染病更是揮之不去的陰霾。

圖片來源：123RF

伴隨著針對結核病的抗生素和化療方案的出現，以及卡介苗100年來的保護，結核病似乎正在逐漸遠離我們的生活。但在全球范圍內，結核病仍是威脅人類健康的重大隱患。根據世界衛生組織發布的報告，2023年全球有820萬人新確診為結核病，125萬人死于結核病感染。結核病至今仍是全球死亡人數最多的傳染病。（相關閱讀）

其中，日益嚴峻的細菌耐藥性給結核病的治療帶來了嚴峻挑戰。以2020年為例，耐藥結核病的治療成功率僅有63%；另一方面，此前接受過治療的結核病患者中，有17%產生了耐藥性。因此，開發新型結核病藥物對于縮短治療時間、降低死亡率以及延緩耐藥結核病的進展都有著重要意義。

圖片來源：123RF

對于包括結核分枝桿菌在內的細菌來說，肌苷-5'-單磷酸脫氫酶（IMPDH，在細菌中稱作GuaB）是一種在生長過程中至關重要的成分。鳥嘌呤核苷酸是構成核糖核苷酸的4種核苷酸之一，也是翻譯、信號轉導和細胞分裂等關鍵過程的調節者。而合成鳥嘌呤核苷酸的限速因素，正是GuaB。GuaB催化了底物（肌苷5'-單磷酸）的氧化，由此開啟鳥嘌呤核苷酸的從頭生物合成。

因此，細菌的正常生長少不了GuaB的參與。換個角度，如果能抑制細胞中的GuaB，是不是就能限制致病細菌的生長？

在已有的研究中，學術界與產業界已經鑒定出了多個具有抗結核分枝桿菌活性的GuaB 抑制劑骨架。不過，受限于最低抑菌濃度和代謝負擔，這些結構在動物模型中的應用受到了阻礙。

2024年，在一項發表于Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters的研究中，基因泰克研究團隊領銜開發了一種具有良好安全性和藥物代謝動力學特征的二氫惡嗪喹啉酮GuaB抑制劑。論文指出，經過進一步優化，這類抑制劑有望與現有療法相結合，幫助開發新型結核病治療方案。

優化起點：新型GuaB抑制劑

這項研究的起點，要從2024年8月基因泰克團隊領銜發表的另一項研究說起。在這篇發表于mBio期刊的論文里，研究團隊的目標是篩選除能夠對抗一種多重耐藥細菌——鮑曼不動桿菌（Acinetobacter baumannii）感染的小分子GuaB抑制劑。

在證實了GuaB對鮑曼不動桿菌生長的必要性后，研究團隊基于已經解析出的不同細菌的GuaB晶體結構，進行了化合物骨架的從頭設計，鑒定出3種對廣泛細菌類型具有活性的化合物。

在進一步的探索中，其中兩種GuaB抑制劑（G1和G2）不僅展現出了良好的選擇性與低細胞毒性，還在中性粒細胞減少的大腿感染小鼠模型中，有效降低了大腿肌肉的鮑曼不動桿菌數量，展現出劑量依賴性的殺菌功效。再加上靶向自發耐藥頻率低的優勢，這些新型GuaB抑制劑成為具有治療潛力的先導化合物。

值得一提的是，該團隊的另一項研究發現，GuaB抑制劑對鮑曼不動桿菌和大腸桿菌這兩種細菌有著不同的殺菌動力學。相比于其他類型的抗生素，當GuaB抑制劑存在時，細菌表現出了不同的形態特征。這些結果反映出GuaB抑制劑的全新作用機制，也強調了基于GuaB抑制劑開發新型抗生素的潛力。

而將mBio論文的發現與結核病聯系在一起的，是對這些先導化合物的進一步分析結果。基因泰克的研究人員發現，化合物G1除了抑制鮑曼不動桿菌，還對結核分歧桿菌（包括強毒性的全球標準毒株H37Rv，以及弱毒株H37Ra）具有強效活性。

這樣的發現讓研究人員意識到，這種全新的GuaB抑制劑還有更廣泛的應用前景。由于G1本身的代謝穩定性較差，為了設計有效的候選藥物，還需要從結構出發進行優化，提高化合物的代謝穩定性與效力。

合成穩定、安全的理想骨架

G1的分子結構如下圖所示。在構效關系研究（SAR）中，研究團隊首先對其中的潛在代謝薄弱環節——連接子的酰胺“動刀”。他們用吡啶環代替酰胺，得到的化合物1增強了對結核分歧桿菌的效力，不過代謝不穩定的問題仍然存在，此外還有藥物相互作用風險。因此，研究團隊以此為新的起點，來尋找提高代謝穩定性，同時減輕藥物相互作用的優化策略。

▲G1化合物的分子結構（圖片來源：參考資料[1]）

根據代謝物鑒定分析結果，此時分子的二氫吡喃喹啉頭部基團成為了主要的代謝軟點，下一步優化的目標自然也鎖定在這里。經過一系列改造，研究發現頭部基團改為二氫惡嗪喹啉酮的化合物（化合物7）在保持較高效力的同時，在人類肝細胞中更加穩定，代表藥物相互作用風險的指標也有所改善。

在化合物7的基礎上，研究團隊對分子的連接子與氯吡啶尾部基團進行了進一步優化，由此得到的化合物15不僅保留了對結核分歧桿菌的良好活性，更重要的是在藥理學體外安全性試驗中表現穩定。在接下來的小鼠體內藥代動力學研究中，化合物15表現出了中等穩定性與適中的清除率。此外，化合物15還擁有對細菌GuaB的高度選擇性，對人類肝細胞未表現出細胞毒性。

▲研究將化合物2優化為代謝穩定性更強、藥物相互作用風險更低的化合物15（圖片來源：參考資料[1]）

綜合這些實驗，化合物15表現出了出色的安全性、低藥物相互作用風險、中等的小鼠體內清除率以及較低的預測人體清除率。不過，由于其口服生物利用度不足，因此仍需進一步的優化。此外，研究還提出了化合物15的合成步驟。

▲化合物15的合成步驟（圖片來源：參考資料[1]）

論文指出，二氫惡嗪喹啉酮代表了進一步優化先導化合物的理想骨架。經過進一步的優化改造，基于該結構將有望開發出治療結核病的新型藥物，為結核病的耐藥性難題作出新的貢獻。

文中相關論文的研究機構包括：基因泰克、藥明康德。

參考資料：

[1] Zhou et al., Discovery of potent dihydro-oxazinoquinolinone inhibitors of GuaB for the treatment of tuberculosis. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters (2024). https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2024.130026

[2] Kofoed et al., Discovery of GuaB inhibitors with efficacy against Acinetobacter baumannii infection. mBio (2024). https://doi.org/10.1128/mbio.00897-24

[3] Peng et al., Differential effects of inosine monophosphate dehydrogenase (IMPDH/GuaB) inhibition in Acinetobacter baumannii and Escherichia coli. J Bacteriol (2024). https://doi.org/10.1128/jb.00102-24

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