【药物设计】Durlobactam：克服多重耐药的新一代β-内酰胺酶共价抑制剂

生物学背景

多重耐药（MDR）细菌感染对公众健康构成严重威胁，其中革兰氏阴性菌产生的β-内酰胺酶是抗生素耐药性最重要驱动因素之一，该酶的数量和多样性正迅速增加。β-内酰胺酶是使β-内酰胺失活的酶，这些酶可水解β-内酰胺抗生素，一般按照氨基酸序列分为A-D四类。A、C和D类酶使用活性位点丝氨酸进行β-内酰胺水解，而B类酶由需要二价锌离子才能发挥活性的金属酶组成。β-内酰胺类抗生素（包括最常用的青霉素与头孢菌素）一直作为临床治疗支柱的一类抗生素，但传统的β-内酰胺酶抑制剂（如Sulbactam）仅对某些A类β-内酰胺酶有活性。

鲍曼不动杆菌属于革兰氏阴性菌，通常会导致严重的肺炎和血液感染，几乎对所有用于治疗革兰氏阴性菌的抗生素产生耐药，包括氟喹诺酮类、氨基糖苷类、头孢菌素类和碳青霉烯类。美国CDC已将耐碳青霉烯类微生物确定为紧迫威胁。在全球范围内，鲍曼不动杆菌是2019年与耐药性相关死亡的六大主要病原体之一。耐碳青霉烯类不动杆菌被WHO列为1级病原体。在美国，估计每年有40,000至80,000例不动杆菌病例，其中约40%是耐碳青霉烯类不动杆菌。在全球范围内，每年大约有100万例不动杆菌感染病例，其中约2/3是耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌。全球每年有超过300,000例死亡与耐碳青霉烯类不动杆菌有关[1]。

对老药进行改造克服耐药性

二氮杂双环辛酮 (diazabicyclooctanones, DBO)，是上世纪90年代发现的新型β-内酰胺酶抑制剂，其中avibactam已获得FDA批准（2015年上市，由Actavis和AZ研发），可抑制许多临床相关的A类和C类β-内酰胺酶，以及有限数量的D类酶如OXA-48。然而，avibactam无法有效对抗鲍曼不动杆菌感染，部分原因是该生物体表达多种D类β-内酰胺酶。为此，需要开发能覆盖D类β-内酰胺酶，且同时维持对A和C类酶活的新一代DBO类β-内酰胺酶抑制剂（B类金属β-内酰胺酶在不动杆菌属的分离株中很少见）。

D类β-内酰胺酶的结构分析

利用D类酶的晶体结构，研究人员重点分析了大小和极性方面的结构修饰，这些修饰会影响对多种β-内酰胺酶的亲和力和细菌的摄取。此外，由于DBO是共价抑制剂（与酶的活性位点丝氨酸发生反应），还需要考虑了反应活性的影响，尤其是针对PBP（青霉素结合蛋白，β-内酰胺的靶标）的反应性。几个OXA（D类碳青霉烯酶）的序列和结构分析揭示了活性位点丝氨酸周围存在高频率的脂肪族、疏水性和芳香族氨基酸。大量临床相关的OXA含有跨越活性位点袋的疏水桥，允许β-内酰胺底物保留在原位进行酶水解[2]。

β-内酰胺酶广谱抑制剂的设计策略

研究者的策略是对C2、C3和C4进行SAR，首先通过在哌啶环中引入碳-碳双键，以提高ring strain和反应活性，观察到反应性增强，并且对A类和C类β-内酰胺酶的效力提高。最终发现在C2甲酰胺存在情况下，C3位置上的甲基促进了具有增强范德华能量的疏水簇的形成，实现了最大的生化和抗菌效力，得到的分子即上市药物durlobactam。durlobactam具有迄今为止报道的最广的抗丝氨酸β-内酰胺酶谱[2]。

图1. Durlobactam的药物设计总结。

为了评估哌啶核心中包含双键如何影响实际的共价反应，对avibactam和durlobactam进行了QM计算，二者的ΔΔG约为2.7 kcal/mol。该能量差解释了二者超过100倍的反应活性。总体而言，晶体学和分子模型表明，化学反应性增加和β-内酰胺酶结合更紧密的结合可能是这种独特的DBO系列的效力提高和更广谱D类活性的原因[2]。

图2. Durlobactam的共价作用机制。图片来源：Frontiers in Microbiology

Durlobactam的相互作用分析：

解析了durlobactam与OXA-24/40共价复合物的晶体结构（PDB：6MPQ）。该结构显示与活性位点丝氨酸S81侧链和开放脲环的共价键。羰基氧占据由S81和W221的主链氮原子形成的氧阴离子空穴。酰胺基团与W221的主链羰基和三个水分子形成氢键。硫酸根与R261、S219和S128以及两个水分子相互作用。S128还与与硫酸基结合的氮原子相互作用。durlobactam的甲基与M223的侧链形成疏水相互作用，与Y112和M223形成的“疏水桥”相互作用证实了设计的成功[3]。

图3. Durlobactam与OXA-24/40共价复合物的晶体结构。图片来源：Nature Microbiology

临床表现：
Xacduro是sulbactam和durlobactam的复合药物，于2023年5月份获FDA批准上市。Xacduro的疗效在一项多中心、开放标签（研究者非盲、评估者盲）、非劣效性临床试验（177名因耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌引起的肺炎住院成人患者）中评估。患者接受了长达14天的Xacduro或粘菌素治疗。两个治疗组还接受了额外的抗生素亚胺培南/西司他丁。疗效的主要衡量指标是确诊感染耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌的患者在治疗后28天内因各种原因导致的死亡率。Xacduro和多粘菌素治疗组的患者死亡率分别为19%（12/63）和32%（20/62），这表明Xacduro不劣于粘菌素[1]。

小结

Durlobactam是新一代DBO类β-内酰胺酶抑制剂，与目前市场上的其他 β-内酰胺酶抑制剂相比，其活性谱更广。在avibactam的结构基础上，研究人员通过SBDD和计算化学，经过简单的分子修饰（增加了双键和甲基），提高了分子的化学反应性、改善了与D类酶的结合、优化了PK，最终得到上市药物Durlobactam。

参考文献：
[1]https://www.businesswire.com/news/home/20230523005961/en/Innoviva-Specialty-Therapeutics-Announces-FDA-Approval-for-XACDURO%C2%AE-sulbactam-for-injection-durlobactam-for-injection-Co-packaged-for-Intravenous-Use
[2]Nature Microbiology 2017, 2, 17104.
[3]https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2021.709974/full