《European Journal of Medicinal Chemistry》：Structure function and design of polymyxins to enable safer and more potent anti Gram negative agents
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这篇综述深入探讨了作为最后防线抗生素的多粘菌素（特别是粘菌素），如何通过对其环肽骨架、阳离子二氨基丁酸残基和疏水脂肪酰尾进行化学修饰，来优化其结构-活性关系，旨在克服耐药性、降低肾毒性和神经毒性，并设计出更安全有效的下一代脂肽类似物，为对抗多重耐药革兰氏阴性“超级细菌”提供了创新的化学蓝图。
引言
面对日益严重的多重耐药革兰氏阴性菌危机，多粘菌素（特别是粘菌素和 polymyxin B (PMB)）已重新成为临床“最后防线”抗生素。世界卫生组织将碳青霉烯类耐药的鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌科列为“危急”优先病原体。多粘菌素家族源自多粘类芽孢杆菌，其中仅PMB和粘菌素用于全身治疗。尽管其显著的肾毒性和神经毒性曾导致其在20世纪80年代使用减少，但随着多重耐药菌感染的蔓延，对多粘菌素的药代动力学、药效学和作用机制的深入研究使其重获重视。
化学/结构
多粘菌素B和粘菌素的基本序列相似，主要区别在于第六位氨基酸（PMB为D-Phe，粘菌素为D-Leu）。粘菌素是同侧链到尾的环状十肽，其阳离子环状十肽通过α-酰胺键与脂肪酸链连接。它由D-Leu、L-Thr和L-α-γ-二氨基丁酸组成，N端脂肪酰基为6-甲基辛酸（粘菌素A）或6-甲基庚酸（粘菌素B）。粘菌素有两种商业形式：粘菌素硫酸盐和前药粘菌素甲酸钠（CMS），后者在体内水解为活性粘菌素。
作用机制
多粘菌素的抗菌作用靶向细菌细胞膜。其两亲性结构使其阳离子Dab残基与脂多糖（LPS）的脂质A部分中带负电的磷酸基团发生静电相互作用，竞争性置换二价阳离子Ca2+和Mg2+，导致外膜不稳定。随后，其疏水区域（如脂肪酰链或D-Phe6-L-Leu7片段）插入外膜，引起“自我促进的吸收”，增加膜通透性，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。另一种机制涉及囊泡-囊泡相互作用，促进磷脂交换和渗透失衡。此外，多粘菌素还能结合并中和LPS的脂质A，发挥体内抗内毒素作用，抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白介素-8（IL-8）等细胞因子的释放。
耐药机制
多粘菌素耐药性日益增多，主要机制包括外膜和脂质A重塑（如添加阳离子基团以减少LPS净负电荷）、外排泵过表达、荚膜多糖过量产生以及异质性耐药。异质性耐药指在基因一致的敏感菌群中存在耐药亚群，可在抗生素压力下扩增，导致治疗失败，且标准MIC检测难以发现。
药代动力学/药效学
多粘菌素表现出浓度依赖性杀菌作用，血浆蛋白结合率约50%。其最佳疗效与平均稳态浓度（Css,avg）约为2 mg/L相关，但高于此浓度会增加肾毒性风险。粘菌素（来自CMS）和PMB的药代动力学差异显著，CMS主要经肾脏排泄，而粘菌素和PMB主要经非肾脏途径清除并有显著的肾小管重吸收。肾功能（以肌酐清除率CrCL表示）是CMS和粘菌素清除的重要协变量。
多粘菌素及其衍生物的合成
多粘菌素的固相肽合成面临挑战，主要策略包括线性肽合成后脱树脂环化、分支肽合成后脱树脂环化以及树脂上环化。关键步骤涉及Dab-4侧链的保护（使用Boc、Dde、ivDde、Mtt、Alloc、2-ClZ等保护基）以及Thr-10与Dab-4之间的环化（使用DPPA、PyBOP等偶联试剂）。这些合成进展使得能够系统修饰环状核心、N端脂肪酰基和线性三肽段，从而深入理解SAR并优化安全性。
多粘菌素结构-活性关系
SAR研究表明，多粘菌素分子包含两个主要域：由Dab和Thr残基段组成的极性域，以及由N端脂肪酰链和D-Phe6-L-Leu7基序组成的疏水域。环状七肽和线性三肽作为支架维持两亲性。
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Dab侧链取代：环状核心中Dab残基的阳离子电荷对抗菌活性至关重要。将其替换为Ala会降低活性，而在三肽段进行某些替换可能保持或改善活性。用Lys替换所有Dab得到的类似物活性与天然粘菌素相当。
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N端脂肪酰基修饰：脂肪酰链长度影响活性和毒性。中等长度（如C8-C10）通常最佳，过长或过短都会降低活性。新型类似物如SPR206（含β-支链氨基丁酸）和MRX-8（含可被酯酶水解的酯键）显示出改善的安全性和/或活性。QPX9003通过修饰P3残基、P6/P7残基和N端疏水尾，也表现出优异的临床前安全性。
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D-Phe6-L-Leu7疏水基序：此基序有助于与脂质A的脂肪酰链发生疏水相互作用。用更极性氨基酸替换会降低外膜透化活性，而用某些芳香族氨基酸替换可能增强对耐药菌的活性。
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线性三肽段类似物：该段通过两个正电荷和氢键网络有助于LPS结合。Thr-2的替换对活性和LPS结合影响显著。天然存在的八肽素缺少完整的N端三肽段，但具有延长的β-羟基脂肪酰链，对某些多粘菌素耐药菌有效。
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环大小修饰：天然23元环是最佳抗菌活性所必需的。增大或缩小环尺寸通常会降低活性，但某些含硫醚键的28元环类似物显示出活性且毒性降低。
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多粘菌素模拟物：设计模拟多粘菌素物理化学特性的化合物，如环状两亲肽、精胺衍生物和功能化胆酸模拟物，也显示出抗菌潜力。
多粘菌素的毒理学和药理学整合
肾毒性是多粘菌素最主要的剂量限制性毒性，主要由阳离子Dab残基和疏水脂肪酰尾介导的肾脏积聚驱动。药物通过megalin和肽转运体2（PEPT2）在肾近端小管上皮细胞内大量积累，引起线粒体功能障碍、氧化应激和细胞凋亡。神经毒性、皮肤色素沉着和罕见的心脏毒性也有报道。药理学优化旨在解离抗菌效力与毒性，策略包括治疗药物监测、早期肾损伤生物标志物（如KIM-1、NGAL）的应用，以及设计肾脏积聚减少的下一代类似物（如SPR206、QPX9003）。同时使用氨基糖苷类（如妥布霉素）可通过竞争性抑制megalin来减轻肺部上皮细胞的毒性。
克服多粘菌素耐药性的组合疗法
联合用药是克服耐药性的有效策略。粘菌素与舒巴坦、利福平、替加环素、美罗培南等药物联用，对耐粘菌素鲍曼不动杆菌等显示出协同活性。褪黑素与粘菌素联用可通过降低细菌外排蛋白表达、增加外膜通透性和促进氧化损伤来恢复对mcr-1阳性细菌的效力。
结论与新化学趋势
多粘菌素化学已从简单的侧链修饰发展到复杂的支架重构策略。新兴方法包括通过化学选择性硫杂-迈克尔反应进行后期脂化、氟尾工程以及感染触发的前药 conjugate。这些策略通过精细调整两亲性、提高代谢稳定性和实现空间/时间控制释放，直接解决了肾毒性和选择性差等长期存在的局限性。此外，肽-肽拟态杂交、生物正交“点击释放”前药以及计算模型辅助的设计正在将多粘菌素从“最后手段”的抗生素转变为合理设计的、具有持续治疗相关性的下一代脂肽平台，以应对多重耐药革兰氏阴性菌的紧迫威胁。尽管在化学优化方面取得了实质性进展，但可扩展性、药代动力学特性（如高肾脏积累）仍然是未来转化成功的关键挑战。
