微生物學第八章微生物的藥學應用第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四主要內容微生物的藥用資源微生物藥物尋找微生物藥物的基本途徑第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四1、微生物藥物的概述：來源于微生物的藥物統稱基于微生物整體或部分的藥物疫苗（菌苗）、類毒素、活菌制劑、抗原、抗體（生物制品）真菌（靈芝、冬蟲夏草、茯苓）源于微生物初級代謝產物的藥物氨基酸、核苷酸、多糖、脂類等源于微生物次級代謝產物及其衍生物的藥物抗生素、維生素、特異性酶抑制和免疫抑制劑等一、微生物的藥用資源第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四1、微生物藥物的概述：源于微生物次級代謝產物及其衍生物的藥物

由微生物（包括重組微生物）在其生命活動過程中產生的、在低微濃度下具有生理活性的次級代謝產物及其衍生物。包括：抗生素：抗細菌抗生素、抗真菌抗生素、抗腫瘤抗生素等特異性酶抑制：葡萄糖苷酶抑制劑（拜糖平）、膽固醇合成酶抑制劑（辛伐他丁）免疫調節劑:環孢素A、雷帕霉素營養及相關制劑:維生素一、微生物的藥用資源第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四2、微生物藥物的重要資源放線菌抗生素、抗腫瘤藥物、酶、維生素的生產真菌青霉菌（青霉素）頭孢菌素C（頭孢菌素）、酵母菌（維生素、輔酶A、氨基酸等）、工程菌（基因工程生物藥物）其它細菌細菌（多肽類抗生素）一、微生物的藥用資源1）藥用微生物資源第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四2、微生物藥物的重要資源海洋真菌抗生素（頂頭孢霉菌產30多種頭孢霉素）內生菌真菌（紫杉醇）一、微生物的藥用資源2）特殊環境的微生物資源第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四2、微生物藥物的重要資源未知微生物是開發潛力無窮的可再生資源現存真菌可能50多萬種、細菌可能超過5萬種極端環境微生物（高溫、高壓、低溫、高鹽等），重要資源一、微生物的藥用資源3）未知微生物資源第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物藥物

微生物藥物：由微生物（包括重組微生物）在其生命活動過程中產生的、在低微濃度下具有生理活性的次級代謝產物及其衍生物。1、抗生素抗細菌抗生素

青霉素類、氨基糖甙類、大環內酯類、四環素類等抗真菌抗生素

兩性霉素、制霉素、葡聚糖合成酶抑制劑（卡帕芬凈）抗腫瘤抗生素

阿霉素、絲裂霉素、爭光霉素、放線霉素、平陽霉素第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物藥物β-內酰胺類抗生素，如：青霉素、頭孢菌素四環類抗生素如金霉素、土霉素和四環素氨基糖苷類抗生素，如鏈霉素、慶大霉素、妥布霉素大環內酯類抗生素，如紅霉素、竹桃霉素、兩性霉素B其他抗生素，抗腫瘤抗生素如絲裂霉素C、博來霉素氯霉素、克林霉素、灰黃霉素等第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物藥物

微生物藥物：由微生物（包括重組微生物）在其生命活動過程中產生的、在低微濃度下具有生理活性的次級代謝產物及其衍生物。2、特異性酶抑制：葡萄糖苷酶抑制劑（拜糖平）膽固醇合成酶抑制劑（辛伐他?。┑?0頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四繼Fleming和Waksman后，在抗生素研究領域中作出卓越貢獻的第三位科學家——梅澤濱夫20世紀50年代，由他領導的科研小組發現了卡那霉素，闡明耐藥機制合成得到了阿米卡星，并很快被應用于臨床。60年代，他把研究方向確立在尋找抗腫瘤抗生素上，發現了抗腫瘤抗生素博萊霉素(國內曾稱爭光霉素)，并通過應用定向生物合成原理，篩選獲得了更為有效的第二代博萊霉素——培羅霉素(peplomycin)。梅澤濱夫在其一生的研究生涯中，發現了許多新的抗生素，其中不少已被應用于臨床，為抗生素事業作出了巨大的貢獻。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四繼Fleming和Waksman后，在抗生素研究領域中作出卓越貢獻的第三位科學家——梅澤濱夫梅譯濱夫的另一個重要貢獻是提出了酶抑制劑的概念(這里所指的酶是動物和人體內產生的參與各種生命活動的有關的酶，而不是指由微生物產生的諸如β-內酰胺酶等)，對開創從微生物代謝產物中尋找其它生理活性物質的新時代具有深遠的意義。酶活性的高低可直接影響生物體生命活動，過高可能導致疾病發生和發展，——酶抑制劑第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物藥物

2、特異性酶抑制：小分子化合物，可干擾、抑制人或動物體內生命活動過程中的有關酶糖代謝相關抑制劑：葡萄糖苷酶抑制劑（拜糖平、米格列醇）脂代謝相關抑制劑：膽固醇合成酶抑制劑（辛伐他丁、阿托伐他?。┑鞍状x相關酶抑制劑蛋白激酶相關抑制劑降血糖、降血壓、治療肥胖、高血脂、齲齒、調節免疫功能第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四微生物藥物的最新組成

—已經用于臨床的膽固醇合成酶抑制劑開創了治療高脂血癥的新紀元普伐他丁洛伐他丁辛伐他?。ê铣桑┓ニ。ê铣桑┌⒎ニ。ê铣桑┑梅ニ。ê铣桑┤毡尽吧茖W與工業”雜志引述醫藥界權威的評價，認為這種新型藥物對治療高血脂癥是一場革命，其深遠影響就如同青霉素治療感染性疾病一樣。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四微生物藥物的最新組成

—已經用于臨床的葡萄糖苷酶抑制劑

開創了治療糖尿病的新方法阿卡波糖伏格列波糖米格列醇乙格列酯第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物藥物

3、免疫調節劑免疫抑制劑：（環孢素A、雷帕霉素）免疫促進劑：（甘露聚糖肽、泛福舒、烏本美司）第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四微生物藥物的最新組成

—已經用于臨床的免疫抑制劑環孢菌素A他克莫司（tacrolimus，FK-506）西羅莫司（sirolimus；也稱雷帕霉素）免疫增強劑：烏本美司

第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物藥物

4、其它營養及相關制劑：（氨基酸）維生素與輔酶類（VitC,VitB,CoA)多糖（茯苓多糖、靈芝多糖、透明質酸）毒素（肉毒毒素A）第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四微生物藥物的重要地位微生物藥物對各種疾病的作用范圍不斷地在擴大并取得顯著療效；另一方面，由于來源于微生物次級代謝的生理活性物質具有獨特的化學結構，其作為先導化合物開發成為藥物的可能性大大地增加。960萬平方公里領域中的微生物資源也是我國特有的資源，從中發現微生物新藥的可能性也是極大的。第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四三、尋找微生物藥物的基本途徑當前，人們普遍認為微生物是具有潛在治療效用的新結構化合物的無窮源泉。微生物具有分布廣、種類多、易變異的特性；其次級代謝產物具有多樣性和新穎性。發現微生物新藥的動力和源泉第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四發現微生物新藥的動力和源泉在20世紀40年代，僅發現了20種抗生素；50年代為300～400種；60年代大約800～1000種；至70年代已經發現了2500種抗生素；至那時起，大約每隔10年被發現的化合物數量翻倍；至80年代約發現了5000種；至90年代約發現了10000種；至2000年已經發現了20000種抗生素類化合物；至2002年，在各種文獻和專利中發表的具有生理活性的微生物次級代謝產物數量已經超過22000種；目前還以每年發現約500種新化合物的速度增加。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四微生物學·樣品的采集·各種各樣菌種的分離·發酵培養以增加代謝產物多樣性·再次發酵·提高目標物的產量·菌種分離分子生物學、藥理學

·作用靶選擇

·篩選方法設計/實施

·高產出篩選系統

·活性的鑒定

·有效性研究

·作用機制

化學

·活性化合物的鑒定

·理化屬性/排重

·分離/純化

·結構闡明0微生物代謝產物篩選系統中學科分支的配合第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物根據藥物的構效關系以及體內代謝的特性，對已知次級代謝產物進行結構改造的目的，主要是篩選相對于母體化合物具有如下特點的微生物新藥：擴大抗菌譜或作用范圍、克服細菌的耐性或改善藥物對作用靶的敏感性、改進對細胞的通透性、改善化學和代謝的穩定性、提高血漿和組織濃度、增強與宿主免疫系統的協調作用、能夠制備成合適給藥方式的結構狀態，以及減少毒副作用等。這是多年來發現微生物新藥成績斐然的重要途徑。三、尋找微生物藥物的基本途徑第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四1）擴展抗菌譜的修飾通過向青霉素G側鏈導入氨基等的修飾，開發出氨芐西林與阿莫西林等廣譜青霉素；向側鏈導入羧基等的修飾，研制出對銅綠假單胞菌等難控制的革蘭陰性菌也有良好作用的抗菌譜更廣的羧芐西林與哌拉西林、美洛西林(mezlocillin)等。1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四天然頭孢菌素C、頭霉素與頭菌素抗菌譜廣，但抗菌活性極低，都不能應用。經過適當的修飾非但提高了抗菌活性，而且擴展了抗菌譜。臨床應用的頭孢菌素類抗生素已由第一代發展到第四代，成為當前最重要的一類抗感染藥物。2）增強抗菌活性的修飾1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四利用超敏感菌株篩選出的磺酰胺菌素(sulfazecin)等單環β-內酰胺類化合物抗菌活性低微，不能應用。經過大量結構修飾，篩選出的安曲南(azteronam)與卡魯莫南(carumonam)具有很強抗革蘭陰性細菌，包括銅綠假單胞菌活性，已臨床應用。2）增強抗菌活性的修飾1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四去掉土霉素的6位氧，制得多西環素(doxycycline)，抗菌譜同四環素，但抗菌活性比四環素強2～8倍。將四環素4位的二甲氨基再導入7位，合成出米諾環素(minocycline)，抗菌活性比四環素強8～12倍。2）增強抗菌活性的修飾

1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四向青霉素分子中受β-內酰胺酶攻擊部位附近導入障礙性基團，使酶難與之結合，從而保護青霉素免遭分解。如甲氧西林、萘夫西林、苯唑西林、氯唑西林、二氯西林、氟氯西林等都在β-內酰胺基附近有甲氧基、乙氧基、苯基等空間位阻較大的基團，對青霉素酶穩定，用于治療產青霉素酶的金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染。3）克服耐藥性的修飾（降低底物對酶的結構適應性）

1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四向β-內酰胺環上引入甲氧基或甲酰氨基，增強酶穩定性。如頭孢西丁(cefoxitin)、頭孢美唑(cefmetazole)、頭孢替坦(cefotetan)、頭孢拉腙(cefbuperazone)與頭孢米諾(cefminox)等頭霉素對超廣譜β-內酰胺酶穩定。3）克服耐藥性的修飾（降低底物對酶的結構適應性）

1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四適當地結構修飾可改善抗生素的藥物動力學性質，如增強穩定性，改善吸收，提高血藥濃度，延緩消除半衰期和提高生物利用度等。4）改善藥物動力學性能的修飾1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物四環素遇酸，6位羥基與5a位氫脫水形成去水四環素失去抗菌活性。經修飾除去6位羥基的6-甲烯基土霉素(美他環素

，6-去氧土霉素(多西環素)，米諾環素等對酸穩定并兼具優異的藥物動力學性能。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四頭孢菌素3-位乙酰氧基在體內被酯酶或非酶水解，降解成羥基化合物，使抗菌活性大幅度降低。將R改變成烷基、烯基、烷氧基、鹵素等可阻斷此種降解，而保持抗菌活性。以適當的含氮雜環基團取代，非但可阻斷水解，而且可增強抗菌活性。以適當的帶有季氮的雜環取代，與4-位羧基形成內鹽，除阻斷代謝降解，增強抗菌活性之外，還可以增大水溶性，提高胞膜穿透力。第四代頭孢菌素都是這樣的化合物。

4）改善藥物動力學性能的修飾（消除頭孢菌素分子中不穩定部分1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四有些抗生素口服吸收差，制成適當的前藥，可增加口服吸收率，提高血藥濃度?？诜逼S西林250mg，Tmax2.0h，Cmax僅為1.7μg/ml，制成前藥叔丁酰氧基甲酯(ampicillinpivoxil)，口服同樣劑量，Tmax1.5h，Cmax為5.5μg/ml。頭孢帕肟口服吸收率為9.4%，Cmax為0.62μg/ml，其前藥頭孢帕肟乙酰氧基乙酯(cefpodoximeproxetil)口服吸收率提高到58.1%，Cmax可達8.4μg/ml。4）改善藥物動力學性能的修飾（改善吸收提高血藥濃度）1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四合成頭孢菌素酯型前藥改善口服吸收第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四向苯唑西林的苯環上導入氯或氟，可提高血藥濃度，如鄰氯西林(cloxacillin)、二氯西林(dicloxacillin)、氟氯西林(flucloxacillin)等異惡唑類青霉素對青霉素酶穩定，血藥濃度明顯高于苯唑西林，用于治療產生青霉素酶的金黃色葡萄球菌感染。林可霉素口服吸收差，且易受進食影響。將其7(R)-羥基轉變成7(S)-氯的克林霉素，口服與肌肉注射后形成的血藥濃度都有明顯提高。4）改善藥物動力學性能的修飾（引入適當基團提高血藥濃度）1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四引入適當基團提高血藥濃度

藥物RR’

劑量(mg)血藥濃度(μg/ml)

苯唑西林HH5004.9

鄰氯西林HCl5009.2

二氯西林ClCl2509.3

氟氯西林FCl2508.8第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四林可霉素口服吸收差，且易受進食影響。將其7(R)-羥基轉變成7(S)-氯的克林霉素，口服與肌肉注射后形成的血藥濃度都有明顯提高。給藥途徑口服肌肉注射抗生素劑量TmaxCmax劑量TmaxCmaxt1/2林可霉素500mg2h2.6μg/ml600mg0.5h1.0μg/ml4~6h克林霉素300mg0.75~2h4μg/ml300mg26μg/ml3.5h第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四為改善氨芐西林口服吸收，曾將其羧基酯化制成前藥，有些已臨床應用。但有的品種在消化道內水解可產生醛(甲醛或其他醛)而引起消化系統癥狀。臨床評價指出：水解不產生醛的前藥如棱氨西林（lenampicillin）等消化系統副作用輕微。4）降低毒副反應的修飾1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四早期的碳青霉烯有一定中樞神經毒性，可引起痙攣。構效關系研究表明：中樞神經毒性與2位含氮取代基有關。直接向鼠腦中注入亞胺培南(imipenem)引起間歇性與強直性痙攣的ED50分別為11與17μg/小鼠，注入培尼培南(penipenem)引起間歇性與強直性痙攣的ED50分別為29與41μg/小鼠，經過修飾獲得的比阿培南(biapenem)直接注入鼠腦>300μg/小鼠亦不引起間歇性與強直性痙攣，臨床應用中從未出現中樞神經毒性反應。4）降低毒副反應的修飾1、以微生物來源的生理活性物質為先導化合物，進行化學改造尋找效果更好的微生物藥物第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四直接向鼠腦中注入碳青霉烯引起痙攣的ED50

碳青霉烯間歇性痙攣強直性痙攣亞胺培南(Imipenem)11μg/鼠

17μg/鼠培尼培南(Penipenem)2941

比阿培南(Biapenem)>300>300第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四抗生素的結構修飾的重要性抗生素結構的適當修飾，可擴展天然抗生素的抗菌譜、增強抗菌活性、克服耐藥性、改善藥物動力學性能與降低毒副反應，但不是所有抗生素經過修飾都能如愿地得到良好的修飾物。有些天然抗生素僅經過微小的修飾，即全然喪失抗菌活性，而在眾多的修飾物中性能都不如原天然物的實例亦不罕見。在篩選新抗生素困難重重的今天，對獲得的天然物進行適當的修飾是必要的。第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期四類別藥物開發程度開發單位頭孢菌素(3種)BAL5788II期臨床試驗BasileaRWJ-54428I期臨床試驗Johnson&JohnsonPPI-0903I期臨床試驗Peninsula碳青霉烯(4種)DoripenemIII期臨床試驗PeninsulaCS-023(R-115685)I期臨床試驗三共/RocheME1036(CP56