Слушать Венцевича может быть неприятно. Венцевич, PhD, доцент кафедры химии искусств Наук, тщательно изучил антибиотики и устойчивость к антибиотикам, и очень мало из того, что он узнал, обнадеживает.С другой стороны, поскольку он знает большинство ходов и контр-ходов, которые были сделаны в этой смертельной игре, у него есть, по крайней мере, шанс открыть антибиотики, которые остановят нарастающую волну устойчивости к антибиотикам.
За последнее десятилетие большинство крупных фармацевтических компаний отказались от своих программ по открытию антибиотиков. Никаких новых антибиотиков традиционными методами не было найдено, а новые методы — включая секвенирование генома, комбинаторную химию и высокопроизводительный скрининг — почти ничего не дали.Таким образом, бремя пополнения запасов антибиотиков легло на плечи небольших биотехнологических компаний и университетских лабораторий, сказал Венцевич. Он не питает иллюзий, что небольшая лаборатория может конкурировать с крупными компаниями, которые могут назначить сотни биологов и химиков для решения одной задачи.
«Что мы можем сделать, — сказал он, — это открыть новые антибиотики, производимые растениями, грибами или бактериями, и узнать достаточно о деталях того, как работают эти молекулы, чтобы большая компания укусила и разработала их».По его словам, ключевым моментом является поиск кандидатов в лекарства с совершенно новыми каркасами (основными структурами).
Все основные классы используемых сегодня антибиотиков были открыты между 1940-ми и 1960-ми годами, что называется «золотым веком» открытия антибиотиков. Химики смогли справиться с последовательными волнами сопротивления, приспособив химические группы на периферии молекул антибиотиков — «украшение» — при этом оставив ядро нетронутым, но эта стратегия терпит неудачу.
По его словам, для управления устойчивостью к антибиотикам в долгосрочной перспективе отчаянно необходимы новые молекулярные каркасы, которые действуют на различные биологические мишени.
Один многообещающий кандидат, антибиотик, вырабатываемый бактерией, поражающей растения, привлек его внимание, потому что он содержит «заколдованное кольцо», бета-лактамное кольцо, которое содержится в пенициллине и цефалоспоринах, но кольцо в молекуле растения действует против отличная мишень, чем традиционные бета-лактамные антибиотики.Его мишень, глутаминсинтетаза, представляет собой фермент, который микробы, вызывающие туберкулез (ТБ), используют для создания своей клеточной оболочки. Около трети населения мира страдает латентным туберкулезом (люди являются носителями бактерий, но еще не болеют).
Бактериальные штаммы, устойчивые как минимум к одному из препаратов первого ряда, используемых против туберкулеза, были обнаружены во всех странах, исследованных Всемирной организацией здравоохранения.Странная история антибиотиков Венсевич попадает в WUSTL из лаборатории Кристофера Т. Уолша, доктора философии Гарвардской медицинской школы. Уолш так много знает об открытии антибиотиков, что, как говорят, он служил своего рода ходячей институциональной памятью для компаний, с которыми он консультировался.
Как один из последних постдокторантов Уолша, Венцевич получил уникальный прощальный подарок: морозильник с температурой минус 80, или морозильник с глубоким охлаждением, в котором хранятся конструкции ДНК, клеточные линии, бактерии — почти все, что создала лаборатория. По сути, Уолш передал Венцевичу долговременную память своей лаборатории.В прошлом году Уолш и Венцевич стали соавторами обзорной статьи в почетном номере журнала Кристофера Т. Уолша «Журнала антибиотиков», в которой были подведены итоги последних 50 лет открытия антибиотиков.
По словам Венцевича, золотой век для открытия природных антибиотиков, имеющих клиническое значение, длился всего 20 лет, с 1940 по 1960 год.Новые чудодейственные препараты были найдены во всевозможных необычных местах, например, в канализационных коллекторах Сардинии, но многие из них были получены из почвы. «(Фармацевтические компании) Eli Lilly и Merck отправили команды по всему миру для проверки образцов почвы на наличие новых бактерий и грибков», — сказал Венцевич. «Они ферментируют почвенные микробы и проверяют ферментационные бульоны на наличие биологически активных компонентов.
Так были обнаружены почти все антибиотики».«Некоторые микробы в почве вырабатывают соединения, убивающие бактерии, в течение миллионов или миллиардов лет», — сказал Гаутам Дантас, доктор философии, доцент кафедры патологии и иммунологии Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе.
«Ученые давно обсуждают, производятся ли эти соединения в почве в концентрациях, приближающихся к терапевтическим дозам в медицине для человека, или в гораздо более низких концентрациях, что может означать, что они играют не только роль оружия», — сказал Дантас. В конце концов, мы очень мало знаем о почвенных бактериях, лишь около 1 из 100 из них можно даже выращивать в культуре.
Но, по словам Венцевича, микроб не может использовать это химическое оружие против клеточных процессов, которые он разделяет с другими микробами, если сам не обладает иммунитетом к воздействию химического вещества. Так как микробы эволюционировали гены для синтеза антибиотиков, они также развивают гены, чтобы отключить антибиотики.«Бактерии в течение миллионов или миллиардов лет подвергались огромному селективному давлению, чтобы развить резистентность», — сказал Дантас.
Таким образом, почва является огромным резервуаром сопротивления. Вот почему устойчивость к антибиотикам возникает с такой поразительной скоростью после введения новых антибиотиков, иногда в течение года. Патогены просто должны поменяться генами устойчивости из древнего резервуара устойчивости в почвенных микробах », — сказал Дантас.
К 1960 году, сказал Венцевич, низко висящие плоды были собраны, и стало труднее найти новые молекулы, чтобы заменить молекулы, ослабленные сопротивлением. «Золотой век открытий» уступил место тому, что Венцевич называет «золотым веком медицинской химии».Химики крупных фармацевтических компаний добавили или изменили химические группы антибиотиков, оставив их ядро нетронутым. Таким образом, цефалоспорин превратился в цефалотин, цефуроксим, цефлазидим, цефлепим и цетаролин, все из которых имеют одинаковую структуру ядра.
Но, по его словам, постепенная модификация этих агентов не меняет принципиально их взаимодействия с их целями, и эта стратегия неизбежно в конечном итоге потерпит неудачу. «На самом деле вы просто выбиваете путь, потому что вы используете тот же химический каркас и ту же биологическую мишень», — сказал он. «Это не долгосрочный план лечения устойчивости к антибиотикам».Что случилось с большой фармой? Какое-то время, в 1990-е годы, огромные достижения в фундаментальной науке и лабораторных технологиях обещали преодолеть барьеры прошлого и привести к новому золотому веку. Двумя важнейшими достижениями были способность секвенировать ДНК организмов (геномика) и усовершенствованная синтетическая химия, называемая комбинаторной химией.
В своем обзоре Венцевич цитирует статью ученых GlaxoSmithKline, в которой описывается тотальная попытка использовать геномику и комбинаторную химию в программе открытия антибиотиков. Компания потратила 7 лет на выявление целей в геноме H. influenza, которые, если поразить их, убили бы бактерию, а затем провела 70 высокопроизводительных скринингов по цене 1 миллион долларов за скрининг в поисках химических соединений, которые были бы эффективны против эти цели.К всеобщему шоку, они ничего не нашли.Этот деморализующий результат в конечном итоге привел к отказу от основных усилий по открытию антибиотиков в GlaxoSmithKline.
Большинство других крупных фармацевтических компаний — Pfizer, Eli Lilly, Merck — также вышли из игры.Троянский конь Учитывая пылающие обломки, усеивающие ландшафт открытия антибиотиков, потребовалось определенное мужество, чтобы попробовать еще раз. И все же люди это сделали.
Венсевича особенно вдохновил пример ученого-фармацевта Стивена Дж. Брикнера.
Работая в свободное время, Брикнер, доктор философии, и двое его коллег разработали синтетическое соединение в линезолид, лекарство, эффективное против метициллин-резистентного S. aureus (MRSA) и других устойчивых грамположительных бактерий.Линезолид был первым представителем совершенно нового класса антибиотиков, появившимся на рынке за 40 лет.«Разработка молекулы с новой структурой и новым механизмом действия изменила правила игры», — сказал Венцевич. «Брикнер пересмотрел принципы совместной работы над поиском лекарств и установил новый стандарт вывода лекарств на рынок.
Чтобы повторить успех Брикнера, Венцевичу нужно найти комплекс с новой структурой. «Каждый день в литературе публикуются и запатентованы новые молекулы», — сказал он. По словам Венцевича, большинство из этих потенциальных кандидатов в лекарственные препараты не исследуются, и поэтому старая патентная литература — отличное место для поиска новых кандидатов в антибиотики.В настоящее время он работает над молекулой табтоксина, которая вырабатывается патогеном, вызывающим у растений болезнь лесных пожаров. «Меня заинтересовала эта молекула из-за ее необычной структуры», — сказал он. «Он содержит абета-лактам, заколдованное кольцо, которое придает пенициллинам их антибиотические свойства, но оно поражает другую биологическую цель, чем пенициллин».
Пенициллины нацелены на ферменты, называемые транспептидазами, которые сшивают молекулы в клеточной стенке бактерии, придавая ей силу. Если эти ферменты подавлены, клетки теряют целостность и разрываются.Табтоксин, однако, действует против фермента, называемого глутамин синтетаза, который превращает глутаминовую кислоту в глутамин, незаменимую аминокислоту, которая играет множество биохимических ролей.
Когда фермент блокируется лекарством, происходят две вещи: в клетке накапливается токсичный уровень аммиака, и клетка испытывает нехватку незаменимой аминокислоты.«В моей лаборатории мы хотим понять на фундаментальном молекулярном уровне, почему этот бета-лактам ингибирует глутамин синтетазу, а не транспептидазы», - сказал Венцевич. «Это может открыть новую главу в фармакологии зачарованного кольца».И еще кое-что. По его словам, большинство антибиотиков не работают, потому что они не могут проникнуть через бактериальную мембрану.
Получить молекулу внутри бактерии труднее, чем попасть в клетку человека, потому что бактерии окружены многослойными избирательно проницаемыми клеточными оболочками. Одна из причин, по которой природные антибиотики, такие как табтоксин, привлекательны для разработчиков лекарств, заключается в том, что они имеют встроенную систему доставки, а также механизм уничтожения.
По словам Венцевича, высокопроизводительная скрининговая кампания, начатая GlaxoSmithKline, в конечном итоге провалилась, потому что библиотеки химических соединений, которые они тестировали на антибактериальную активность, были разработаны для поражения целей в таких клетках, как наша. Бактериальную оболочку гораздо труднее пересечь, и большинство химических веществ не может попасть в клетки.Табтоксин состоит из двух частей, связанных между собой. Одна из них — нетоксичная аминокислота, треонин, а другая — токсичное соединение, табтоксинин бета-лактам.
Бактерии принимают молекулу, думая, что она получает бесплатный обед с аминокислотами, расщепляют связь, чтобы получить доступ к аминокислоте, и непреднамеренно высвобождают мощный токсин.«Вы не найдете такого типа хорошо отлаженной системы доставки в библиотеке синтетических соединений, находящейся в фармацевтической компании», — сказал Венцевич. «Только природные инженеры такие механизмы».Венсевич сказал, что табтоксин может быть полезен против туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью, потому что микобактерии экспрессируют глутаминсинтетазу снаружи клетки и в значительной степени полагаются на фермент для создания своих клеточных оболочек. «Группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе показала, что ингибирование фермента останавливает туберкулез на животных моделях, — сказал он, — и это нас воодушевило».
«Я настроен оптимистично», — сказал Венцевич. «В настоящее время в разработке очень мало материалов, но по мере роста клинической резистентности и уменьшения количества разрешенных к применению антибиотиков проблема будет привлекать все больше внимания. Я чувствую, что количество открытий антибиотиков будет расти, и благодаря скоординированным усилиям правительства компании , врачи и университеты — поток новых лекарств ».