PNAS：預測超級細菌耐藥突變的方法
日期：2015-01-05 08:49:19
隨著耐藥細菌的增加，即使是幾十年來容易控制的常見感染——例如肺炎或尿路感染，用標準抗生素都難以治療。因此迫切需要研制新的藥物，同時也需要某種方法最大程度地發揮這些藥物的有效使用壽命。
為了實現這一目標，杜克大學的研究人員使用他們開發的軟件，提前預測不斷變化的感染細菌如何對抗這些新藥，甚至在患者身上測試這些藥物之前都能進行預測。
12月31日在《PNAS》發表的一項研究中，該研究小組用他們的程序來識別可使耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，MRSA）對一類新實驗藥物產生耐藥性的基因變化，這種新藥顯示出對抗致命疾病的潛力。
當研究人員用這種新藥處理活菌時，實際上出現了兩種遺傳變化，正如他們的算法預測的一樣。本文共同作者、杜克大學計算機科學和生化教授Bruce Donald說：“這給了我們一種途徑，在一種藥物被部署之前，探究什么細菌將會逃避我們所設計的藥物。”
科學家們正在開發先發制人的策略，同時藥物仍然處于設計階段，這將給科學家們一個有利的開端，來檢測新的化合物。本文共同作者、杜克大學研究生Pablo Gainza-Cirauqui說：“如果我們能以某種方法，提前預測細菌如何應對一種特殊的藥物，那么我們就可以改造藥物，或者計劃測試下一種藥物，或排除掉不大可能長期有效的療法。”
由于細菌繁殖的如此迅速——在不到一個小時內生長并從一個細胞分裂為兩個，耐藥菌不斷地發生演變，因此研究人員必須不斷開發新的方法來殺死它們。
自從上世紀40年代引入第一種抗菌藥物以來，細菌已經進化出抵抗每種新抗生素的方法，而在畜牧業中使用抗生素（以幫助牲畜增加體重），和在抗生素無法治愈的病毒感染中使用抗生素，則加速了這一過程。
Donald說：“我的孩子現在分別是15歲和13歲，當他們小時候使用的一些抗生素現在已經不再使用，因為它們不再像以前那樣有效。”
金黃色葡萄球菌（已被證明可產生耐藥性）引發感染的百分比，一直穩步上升，從1975年的2%上升到1991年的29%，到今天的55%以上，從而導致美國每年有11,000多人死亡，高于艾滋病死亡人數。
Gainza-Cirauqui說：“對于一些抗生素來說，藥物引入后幾十年都沒有出現第一個耐藥菌株在，而在其他抗生素中則只需要一年的時間。”
直到現在，科學家們都在試圖預測使細菌逃避某種特定藥物的遺傳改變，他們不得不從先前已經發現的耐藥突變“文庫”中查找可能的突變。
但是，當談到預測細菌如何適應新的藥物時，這種方法存在不足，因為微生物不會以可重復的、可預見的方式發生改變。“有了一種新藥，總有一種可能性，即生物體會產生從來沒見過的不同突變。這是醫生真正擔憂的事情。”
為了克服這個問題，杜克大學的Donald和康涅狄格大學的Amy Anderson帶領的一個研究小組，使用他們開發的一種蛋白質設計算法（稱為OSPREY），來鑒定細菌中的DNA序列變化，這些變化可讓產生的蛋白質能夠阻止藥物結合，同時仍然在細胞內執行其正常功能。
研究小組集中在一種新的實驗性藥物，這種藥物通過結合和抑制一種細菌酶（稱為二氫葉酸還原酶，DHFR，在DNA構建和其他過程中發揮至關重要的作用）而起作用。這種藥物稱為炔丙基連接葉酸拮抗物，有望作為MRSA感染的一種治療方法，但是尚未進入人體試驗。
Donald說：“我們想查明，細菌采用什么策略來對抗這些新的化合物。它們可能是我們以前見過的相同舊突變嗎？或者細菌采用了新的策略？”
在一份可能突變的順序表中，研究人員把注意力集中在4個微小的差異，稱為單核苷酸多態性（SNPs），理論上它們會賦予細菌耐藥性。雖然他們發現的突變以前沒有報道過，但是，在實驗室利用活菌的實驗表明，他們的預測是正確的。
當科學家用新藥處理MRSA并對存活下來的細菌進行測序時發現，超過一半的存活菌攜帶所預測的突變（賦予最高的耐藥性）——一種微小的改變，使藥物有效性降低了58倍。
Donald說：“我們的確在細菌中發現了新預測的突變，這一事實非常令人興奮。”
現在，研究人員正在使用他們的算法來預測其他藥物（旨在對抗大腸桿菌和腸球菌這樣的病原體）的耐藥突變。
Donald說，該模型也可以擴展到預測一種微生物對一種以上藥物的響應。“我們甚至可以誘騙一種病原體發展出突變，使其能夠逃避一種藥物，但是這會使其對另一種藥物特別敏感，就像一種組合拳。”
他們的這種計算方法，在預測其他疾病的耐藥突變時尤其有用，例如癌癥、艾滋病和流感，與細菌相比，在實驗室中培養這些疾病的耐藥細胞或細胞系更加困難。
他們所開發的這一軟件，稱為OSPREY，向任何使用人員開放和免費獲取。
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