STTT | 中国医学科学院蒋建东院士团队发现幽门螺杆菌的新型抗菌剂及其靶点

2024-07-11 13:21:55, 莲莲看北京青莲百奥生物科技有限公司

幽门螺杆菌（Helicobacter pylori, H. pylori）是胃部常见的致病细菌，与胃病及癌症密切相关。传统抗生素治疗面临耐药问题，尤其在发展中国家尤为严重。黄连碱（BBR）与常规治疗联合可提高根除率，但其抑菌效果有限，需要进一步开发新的治疗药物。

2024年7月8日，中国医学科学院北京协和医学院药物研究所蒋建东院士团队在期刊Signal Transduct Target Ther（IF=40.8）上发表了题为“A deep learning-driven discovery of berberine derivatives as novel antibacterial against multidrug-resistant Helicobacter pylori”的研究文章，基于深度学习（Deep Learning）和蛋白质组学发现黄连素衍生物8-O作为针对多重耐药H. pylori的新型抗菌剂，而且具有较低的细胞毒性和令人满意的急性口服毒性，为临床治疗提供了新的选择。

青莲百奥为该研究提供药物靶点发现的蛋白质谱检测和分析服务。

研究思路

深度学习模型构建

利用分子指纹和图嵌入技术将化合物结构转化为数值向量，用于模型训练。
数据预处理：清洗并格式化化合物数据，适配模型输入。
预训练与微调：在PubChem数据库上预训练模型，后在H. pylori数据集上微调。
活性预测：预测化合物对H. pylori的抗菌活性。

药效评价

体外抗菌实验：测定8-O的最小抑制浓度（MIC值）。
细胞毒性测试：MTT法评估8-O对细胞的毒性。
体内药代动力学研究：分析小鼠口服8-O后的浓度变化。
急性口服毒性测试：确定8-O的半数致死剂量（LD50值）。
连续传代测试：评估8-O诱导耐药性的能力。
体内抗菌效果评估：在小鼠模型中评估8-O的治疗效果。
肠道菌群分析：分析8对小鼠肠道菌群的影响。

靶点和作用机制探索

ABPP：鉴定8-O的直接作用靶点。
免疫印迹/CETSA/SPR/分子对接：确定8-O与靶蛋白的相互作用及结合位点。
转录组分析：分析8-O对H. pylori基因表达的影响。

研究结果

一、深度学习模型创新发现化合物8（8-O）

蒋建东院士团队在研究中采用了深度学习模型，这一模型基于分子指纹特征和分子图嵌入，通过预训练和微调过程，成功预测了新型黄连碱衍生物作为抗多重耐药幽门螺杆菌的候选分子。研究中，团队首先从ChEMBL数据库收集了801个具有抗H. pylori活性的化合物，以及137个自建的BBR衍生物，构建了938个化合物的训练集。此外，还利用了PubChem数据库中的大规模生物测定数据进行模型的预训练。通过这一创新的深度学习驱动的发现方法，团队鉴定了化合物8。

深度学习模型创新发现化合物8（8-O）

二、8-O药效显著

8-O作为一种新型抗菌化合物，在体外对多重耐药幽门螺杆菌表现出高效的抗菌活性，具有优异的最小抑制浓度（MIC值）。体内药代动力学研究表明，8-O在小鼠胃中具有良好的持久性，24小时后浓度依然远高于MIC。它在细胞层面的低毒性和高安全性，以及在急性口服毒性测试中的高半数致死剂量（LD50值），均证明了其作为潜在治疗药物的可靠性。此外，8-O在连续传代测试中显示出的低耐药性风险，为开发新型抗菌药物提供了一个安全且效果显著的新选择。

8-O药效显著

三、蛋白质组学精准鉴定作用靶点

通过蛋白质组学技术ABPP发现8-O通过精准靶向幽门螺杆菌的关键蛋白SecA（ATP水解酶）和BamD（细菌外膜蛋白β-桶状装配机器BAM复合物亚基），有效干扰了细菌外膜蛋白的运输和组装过程，导致外膜完整性受损，抑制了细菌的生长。

ABPP精准鉴定作用靶点

四、作用机制研究

研究中对8-O的靶点验证采用了多种生物学技术，首先通过免疫印迹分析确认了8-O与H. pylori中的SecA和BamD之间的特异性相互作用。随后，表面等离子共振（SPR）技术提供了8-O与这些靶标蛋白结合的亲和力定量数据。细胞热位移分析（CESTA）进一步评估了8-O对SecA和BamD蛋白热稳定性的影响，从而验证了它们之间的直接结合。定点突变分析揭示了与8-O结合的关键氨基酸残基，这些残基在SecA和BamD中起着至关重要的作用。转录组分析显示8-O能够调控H. pylori中与外膜蛋白（OMPs）相关的基因表达，这间接支持了SecA和BamD作为功能靶点的相关性。综合这些实验结果，确立了8-O的作用机制：通过靶向SecA和BamD，干扰H. pylori的OMPs转运和组装，最终抑制细菌生长。

作用机制研究

研究结论

蒋建东院士团队运用深度学习模型发现了黄连素衍生物8-O，该化合物在体外对耐药幽门螺杆菌具有高效抗菌活性，体内药代动力学研究显示其在胃中持久且安全。基于蛋白质组学的ABPP技术发现8-O通过靶向SecA和BamD蛋白干扰细菌外膜蛋白组装，展现低耐药性和对肠道菌群的温和影响，为耐药幽门螺杆菌治疗提供了一种新的有效策略。

【参考文献】

[1] Guo X, Zhao X, Lu X, et al. A deep learning-driven discovery of berberine derivatives as novel antibacterial against multidrug-resistant Helicobacter pylori [J]. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2024, 9(1).

青莲百奥合作文章

青莲百奥深度参与众多前沿研究，与中国医学科学院、中国科学院、军事医学研究院、国家蛋白质科学中心、四川大学华西医院等单位通力合作，累计发表SCI论文100余篇，累计影响因子（IF）1000+，多项重磅文章问鼎Nature、Science Translational Medicine、Nature Communications等顶级期刊。