专题一、微生物药物研究概况2015年

微生物药物学 授课教师 谷峻联系方式 办公室 生科2号楼116室 课程安排 授课时间 1 6周课程内容 1 微生物药物的研究概况 9月9日 2 微生物药物生产中的若干重要问题 9月16日 3 微生物药物作用机制 9月23日 4 微生物的耐药性 9月30日 5 新型微生物药物开发 10月7日 6 微生物药物实践课程 10月14日 成绩评定A 出勤率 20 B 课堂表现和成绩 20 C 课程综合考查 60 考核形式 课程论文课程论文要求 字数 3000 5000字选题范围 与新型微生物药物相关的研究领域 尽可能具体和明确格式 中文期刊发表综述的格式 题目 中英文摘要 关键词 正文 参考文献 课程综合考核 专题一 微生物药物的研究概况 思考题 1 什么是微生物药物 2 微生物药物学主要研究什么 3 怎么样开展微生物药物研发 4 微生物药物学的发展方向是什么 从抗生素到微生物药物的发展概况微生物药物的定义 组成及其研究内容寻找微生物药物的基本途径和方法微生物药物研究的热点及前沿问题 主要内容 I 从抗生素到微生物药物的发展概况 中国抗生素分布地图 I 抗生素时代开创之前 1876年 物理学家Tyndall曾记载过青霉菌属的一个菌株对细菌的生长有抑制作用 但他认为青霉菌的作用是妨碍细菌吸收氧气 1877年 Pasteur和Jonbert发现空气中某些细菌能够抑制炭疽杆菌的生长 但他们的注意力似乎集中在免疫学上面 而未注意到细菌间的拮抗作用 1885年 Babes用固体培养基及液体培养基试验出一种微生物可以产生一种物质来阻止另一种微生物的生长 1887年 Garre记述了用明胶培养基检测拮抗性细菌的方法 1889年 Bouchard注意到铜绿假单胞菌有拮抗其他细菌的能力 II 抗生素时代的开创 青霉素发现的前后 1916 1940年 1912年 从真菌中分离得到曲酸 合成头孢类抗生素原料 1913年 从真菌中分离得到青霉素酸1924年 报道白放线菌素和绿脓菌蓝素1927年 报道紫色杆菌素 紫色色杆菌 1929年 报道青霉素 但不受重视 1931年 发现橘霉素1939年 Dubos发现短杆菌素 II 抗生素时代的开创 青霉素的发现 命名Penicillin 青霉素 污染的青霉菌抑制周围葡萄球菌的生长 AlexanderFleming 青霉素的发现 Florey和Chain的作用 Florey是使青霉素重见天日的中心人物 他早期邀请Chain研究Fleming发现的具有抗菌作用的溶菌酶 从而熟悉了关于自然界的抗生物质的大量文献 Florey Chain 青霉素的发现 Florey和Chain的具体选择青霉素研究的原因 第一 Fleming已经指出青霉素对葡萄球菌有抗菌作用 他用纯度不到5 的粗品进行小鼠实验 取得了惊人的效果 而当时普遍使用的磺胺药对葡萄球菌相对来说已经没有作用 第二 青霉素是一个不稳定的化学物质 对作为生物化学家的Chain来说具有挑战性 他希望在青霉素提纯过程中有所创新 青霉素的发现 希特利的功劳 由于Chain受溶菌酶的影响 认为青霉素也是一种蛋白质 故一直得不到纯品 希特利发明了反萃取 得到了纯度很高的青霉素 II 抗生素时代的开创 实现青霉素工业化生产的主要贡献 1 有机酸等浸没深层发酵技术已经成熟 2 用X 线照射进行青霉素菌种的诱变育种取得了成功 3 使用玉米浆发酵使青霉素发酵单位有了很大的提高 SelmanAbrahamWaksman 1888 1973 III抗生素发展的黄金时代 链霉素发现者生物化学家和微生物学家发明了一系列分离抗生素的方法和技术获得1952年诺贝尔生理和医学奖 III 抗生素发展的黄金时代 一是研究系统化 进行了有目的 有计划的科学研究 并且所使用的方法也十分严谨 二是生产方法工业化 建立了大规模的抗生素制药工业 且产品达到一定的纯度以及有明确的作用和疗效 三是传染病治疗方式的改变 推广了化学治疗的范围并开辟了新的用途 早期发现并在临床应用的一些重要的抗生素品种 内酰胺类 氨基糖苷类和大环内酯类抗生素及其衍生物仍是目前临床上应用的主要抗生素 思考题 根据抗生素作用机理 大致可以分为哪几类 作用于细胞壁作用于细胞膜作用于DNA作用于蛋白质代谢类似物 参见教材 抗生素产品树 P4 IV 微生物药物的最新组成 微生物来源的其他生理活性物质 微生物来源酶抑制剂筛选的先驱 梅泽滨夫 HamaoUmezawa 发现卡那霉素 上世纪50年代 寻找抗肿瘤抗生素 sakamycin 60年代 酶抑制剂概念的提出 抗蛋白酶 弹性蛋白酶抑制剂等 1914 1986 Japan IV 微生物药物的最新组成 1 已经用于临床的HMG CoA还原酶抑制剂 开创了治疗高血脂症的新纪元日本 生命科学与工业 杂志引述医药界权威的评价 认为这种新型药物对治疗高血脂症是一场革命 其深远影响就如同青霉素治疗感染性疾病一样 普伐他丁 Pravastatin 洛伐他丁 Lovastatin 甲羟戊二酰CoA还原酶 甲羟戊二酰CoA还原酶 HMG CoA还原酶 抑制剂的发现 1976年远藤等从桔青霉中发现 1979年远藤等从红曲霉中发现 并命名为monacolinK 1980年Alberts从土曲霉中发现mevinolin 洛伐他丁 Lovastatin 用于临床的HMG CoA还原酶抑制剂销售情况 1987年美国默克公司率先上市销售洛伐他丁 IV 微生物药物的最新组成 2 已经用于临床的alpha 葡萄糖苷酶抑制剂 开创治疗糖尿病的新方法阿卡波糖伏格列波糖米格列醇乙格列酯 阿卡波糖 米格列醇 IV 微生物药物的最新组成 3 已经用于临床的免疫抑制剂 环孢菌素A 作用于T细胞 抑制其增殖和分化他克莫司 tacrolimus FK 506 西罗莫司 sirolimus 也称雷帕霉素 rapamycin 环孢菌素A 他克莫司 IV 微生物药物的最新组成 4 已经用于临床的其他微生物药物 免疫增强剂 乌本美司胰脂酶抑制剂 奥利司他抗帕金森氏 溴隐亭耐药肿瘤细胞外泵抑制剂 PSC833 乌本美司 II 微生物药物的定义 组成以及研究内容 抗生素的定义 抗生素是微生物在其代谢过程中所产生的 具有抑制它种微生物生长及活动甚至杀灭它种微生物性能的化学物质 SelmanAbrahamWaksman 1942 1888 1973 抗生素的一般定义 抗生素 是在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物机能的 是在微生物生命过程中产生的具有生物活性的次级代谢产物及其衍生物 次级代谢产物 指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂 对该生物无明显生理功能 或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质在稳定期活菌数目达到高峰期 细胞内大量积累代谢产物 微生物药物的定义 由微生物 包括重组微生物 在其生命活动过程中产生的 在低微浓度下具有生理活性的次级代谢产物及其衍生物 这些具有生理活性的次级代谢产物包括 具有抗微生物感染 抗肿瘤和抗病毒的所谓传统的抗生素 以及具有调节原核生物和真核生物生长 复制等生理功能的特异性酶抑制 免疫调节 受体拮抗 抗氧化等作用的化学物质 微生物药物学的研究内容 产生菌的菌种选育产物的分离纯化微生物药物生物合成的代谢调控作用机制和耐药机制的研究寻找新微生物药物的方法和途径 微生物药物的应用 临床医学农业畜牧业食品保藏工业科学研究中 在全球临床上所使用的药物总量中 约有30 40 来源于微生物产生的代谢产物或其半合成化合物 而在我国则超过50 III 寻找微生物药物的基本途径和方法 发现微生物新药的情况 在20世纪40年代 仅发现了20种抗生素 50年代为300 400种 60年代大约800 1000种 至70年代已经发现了2500种抗生素 至那时起 大约每隔10年被发现的化合物数量翻倍 至80年代约发现了5000种 至90年代约发现了10000种 至2000年已经发现了20000种抗生素类化合物 至2002年 在各种文献和专利中发表的具有生理活性的微生物次级代谢产物数量已经超过22000种 目前还以每年发现约500种新化合物的速度增加 有用的化合物 已知的化合物 复筛 新的化合物 发现微生物新药的基本途径 排重数据库的产生 IV 微生物药物的热点及前沿问题 寻找新微生物药物的主要途径 建立新的筛选模型寻找微生物新药扩大微生物来源寻找微生物新药以微生物来源的生理活性物质为先导化合物 进行化学改造寻找效果更好的微生物药物应用次级代谢产物的生物合成原理 创造 微生物新药利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌利用宏基因组技术发现新的活性物质或基因 一 建立新的筛选模型寻找微生物新药 生物杀虫剂 Bt 伴孢晶体蛋白 鳞翅目昆虫 斜纹夜蛾双翅目昆虫 埃及伊蚊直翅目昆虫 蝗虫线虫 螨类 原生动物抗癌活性 二 扩大微生物来源寻找微生物新药 稀有放线菌是发现微生物新药的重要源泉黏细菌是一类值得关注的微生物资源从植物内生菌中筛选微生物新药从海洋微生物中筛选微生物新药 三 以微生物来源的生理活性物质为先导化合物进行化学改造寻找效果更好的微生物药物 青霉素分子的化学结构 6 APA的化学结构 三 以微生物来源的生理活性物质为先导化合物进行化学改造寻找效果更好的微生物药物 结构修饰始于上世纪50年代末 6 氨基青霉烷酸 6 APA 高潮时期是上世纪60年代后期 7 氨基头孢烷酸 7 ACA 各年代新上市的医用抗生素中合成品占有率 三 以微生物来源的生理活性物质为先导化合物进行化学改造寻找效果更好的微生物药物 结构修饰中可供选择的改造措施1 扩展抗菌谱 改变极性2 增强抗菌活性3 克服耐药性4 改善药代动力学性能5 降低毒副作用6 增强稳定性7 适应制剂要求 调节溶解度8 副作用的利用 红霉素 四 应用次级代谢产物的生物合成原理 创造 微生物新药 诱变 突变生物合成 突变生物合成的基本流程 突变生物合成产生的新抗生素 五 利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌 1 抗生素基因工程常用载体及技术载体宿主系统质粒载体 pIJ101 变青链霉菌 SLP1 2 SCP2 天蓝链霉菌 噬菌体载体 KC404 温和噬菌体 C31 粘粒载体 pKC505宿主菌 链霉菌 五 利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌 B 基因工程宿主菌要求 1 遗传背景清楚 不带内生质粒 2 宿主菌的原生质体制备和再生必须要容易 3 宿主菌相当于载体上的标记必须是 缺陷 的 4 宿主菌必须没有限制作用 5 常用宿主菌株 变青链霉菌1326 TK24 TK54等 五 利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌 C 外源基因导入方法A 转化 质粒 需要聚乙二醇 电激法B 转导 五 利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌 2 抗生素生物合成基因的克隆技术1 将目的基因克隆到标准宿主中 然后检测个别基因产物要知道何种酶参与生物合成具有检测此酶的灵敏分析方法不需要了解抗生素生物合成途径的遗传信息 五 利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌 举例 直接克隆抗生素产生菌DNA大片段到非生产菌中完整的放线紫红素生物合成基因克隆至一个非产生菌的小小链霉菌中 使小小链霉菌产生放线紫红素 五 利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌 3 基因工程技术在新抗生素研究中的应用1 应用PCR技术筛选新抗生素 抗肿瘤抗生素筛选2 基因图谱和菌种分类3 杂合抗生素的产生 聚酮类化合物生物合成酶 五 利用基因工程技术