抗真菌抗生素mandimycin的发现及其靶向真菌细胞膜磷脂的独特作用机制

作者及发表信息
本研究由中国药科大学天然药物活性组分与药效国家重点实验室邓启森、李银川、何文艳等共同完成，通讯作者为山东大学尚卓与中国药科大学王宗强。研究成果于2025年4月17日发表于《Nature》期刊（Volume 640, Pages 743–751），标题为《A polyene macrolide targeting phospholipids in the fungal cell membrane》。

学术背景
多重耐药（multidrug-resistant, MDR）真菌的全球传播对人类健康构成严重威胁，而现有抗真菌药物因靶点单一（如麦角固醇）和耐药性频发，亟需开发新型作用机制的药物。传统基于活性的筛选方法因重复发现已知化合物和靶点匮乏而效率低下。本研究采用系统发育指导的天然产物发现策略（phylogeny-guided natural-product discovery platform），聚焦聚烯大环内酯类抗生素（polyene macrolide antibiotics），旨在发现靶向非麦角固醇途径的抗真菌分子。

研究流程与实验方法
1. 基因簇挖掘与生物信息学分析
- 数据来源：整合316,123个细菌基因组（NCBI数据库）及150个实验室测序的链霉菌基因组，通过AntiSMASH软件预测次级代谢物生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters, BGCs），构建本地化微生物次级代谢物数据库（localized microbial secondary metabolite database）。
- 关键筛选标记：以糖基转移酶（glycosyltransferase）为序列标签，通过隐马尔可夫模型（profile hidden Markov model）筛选可能合成含mycosamine（一种氨基脱氧糖）的聚烯大环内酯类化合物的BGCs。
- 进化树分析：对280个候选BGCs的糖基转移酶构建系统发育树，发现一个与已知聚烯抗生素无关的“孤儿分支”，从中选定来自Streptomyces netropsis DSM 40259的mand基因簇（mand BGC）进行深入研究。

1. mandimycin的分离与结构鉴定

   • 发酵与提取：通过优化培养基（F2培养基）培养S. netropsis，采用正丁醇萃取和高效液相色谱（HPLC）分离，获得主要活性成分。
     
   • 结构解析：通过高分辨质谱（HR-ESI–MS）、核磁共振（NMR）及生物信息学预测，确定mandimycin为一种38元环五烯大环内酯，其结构特征包括：
     
     • C-20五烯和C-32单烯的独特共轭体系；
       
     • 三个脱氧糖修饰（mycosamine和罕见的双糖atratcynose A），使其水溶性较两性霉素B（amphotericin B）提高9,700倍（8.07 mg/mL vs. 0.83 μg/mL）。
       

2. 体外抗真菌活性评估

   • 测试菌株：覆盖WHO优先病原体清单中的MDR真菌（如Candida auris、Cryptococcus neoformans、Aspergillus fumigatus等），均对2–4类临床抗真菌药耐药。
     
   • 结果：mandimycin表现出广谱杀菌活性，最小抑菌浓度（MIC）为0.125–2 μg/mL，且对细菌无活性，提示其作用机制不同于传统细胞裂解途径。
     

3. 作用机制研究

   • 耐药性实验：在10^9个真菌细胞中未诱导出mandimycin耐药突变体，而传统聚烯类药物（如两性霉素B）的突变率高达5.66×10^-7。
     
   • 靶点验证：
     
     • 麦角固醇非依赖性：通过等温滴定量热法（ITC）和紫外光谱（UV-vis）证实mandimycin不与麦角固醇结合，且其活性不受外源麦角固醇影响。
       
     • 磷脂靶向性：ITC显示mandimycin与多种磷脂（如磷脂酰肌醇phosphatidylinositol、磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine）结合，亲和力（KD=21.9–63.6 μM）高于两性霉素B与麦角固醇的结合（KD=26.1 μM）。
       
     • 结构-功能关系：敲除糖基转移酶基因mandq后，衍生物mandimycin B（缺失atratcynose A）丧失磷脂结合能力，转而靶向麦角固醇，证实双糖结构是磷脂靶向的关键。
       

4. 体内药效与安全性

   • 毒性评估：mandimycin对肾小管上皮细胞（HK-2）的半数抑制浓度（IC50=48.28 μM）显著低于两性霉素B（IC50=7.12 μM），且无溶血活性（浓度达100 μM时仍安全）。
     
   • 动物模型：
     
     • 系统性感染：皮下注射10 mg/kg mandimycin可使耐氟康唑的C. albicans感染小鼠存活率达100%，肾脏真菌负荷降低3.43 log10 CFU。
       
     • 耐药菌株：对两性霉素B耐药的C. auris，mandimycin仍可降低2.3 log10 CFU，而两性霉素B无效。
       

结论与意义
mandimycin是首个通过靶向磷脂发挥杀菌作用的聚烯大环内酯类抗生素，其多重靶点特性可有效规避耐药性。该研究不仅为MDR真菌感染提供了潜在治疗选择，还揭示了磷脂作为抗真菌新靶点的可行性。系统发育指导的发现策略为开发结构新颖、机制独特的天然产物提供了范式。

研究亮点
1. 创新机制：首次发现聚烯类抗生素通过磷脂靶向（非麦角固醇途径）杀灭真菌。
2. 技术突破：结合基因组挖掘、进化分析和化学生物学手段，建立高效的天然产物发现平台。
3. 临床潜力：mandimycin的高水溶性和低毒性克服了传统聚烯类药物的临床应用瓶颈。

其他价值
研究还发现，mandimycin对皮肤感染和阴道念珠菌病模型同样有效，提示其广泛的治疗适应症。未来需进一步探索磷脂靶向机制的结构优化及临床转化路径。