抗生素介紹 Part I：Daptomycin（Cubicin）

作者: http://tw.myblog.yahoo.com/clarinase-1/article?mid=285

Daptomycin，如圖 1，它是一種酸性的脂肪胜肽抗生素（acidic lipopeptide antibiotic）。

圖1. Daptomycin 結構


它的 3D 構型與詳細的作用機轉目前尚未明瞭。Daptomycin 其商品名稱為 Cubicin（圖2）它被使用在一些有關於皮膚感染的處理上（M. Larkin Lancet, 2003, 3, 677），同時它也變成在第一線臨床使用上的重要抗生素之一（A. Raja et al., Nature Rev. Drug Discov., 2003, 2, 943–944）。

圖2. Daptomycin（Cubicin）商品包裝

在這邊，Vasudevan Ramesh 研究團隊透過高磁場核磁共振系統（High field NMR）來進行 daptomycin 與鈣離子鍵結之抗生素活性探討，這樣的實驗對於瞭解抗生素的活性是相當重要的。Ramesh 研究團隊展示了在核磁共振的測量情況下的 daptomycin 之特定序列共振（sequence-specific resonance）結果，這是第一篇有關這樣的研究報告。除此之外，研究團隊也確定了 apo-daptomycin 3D結構並同時展示了在 1：1 的化學當量下，daptomycin 與鈣離子的鍵結關係。並證實了當抗生素與鈣離子鍵結時並不會導致主架構的構型發生改變，但卻會造成聚合（aggregation）現象的發生。也許這是 daptomycin 之所以會有活性的一個重要指標。


圖3. Structures of Apo-daptomycin and Ca2+ ion-Conjugated Daptomycin

Daptomycin 它是由 Streptomyces roseosporus 菌株所分泌製造出來的一種產物。(1) 它對於一些在臨床上重要的革蘭氏陽性（gram positive）致病菌具有有效的對抗作用，包含對於甲氧西林（methicillin）與萬古黴素（vancomycin）都有抗藥性的金黃色葡萄球菌具有抑制效果，也因此近年來在第一線的臨床使用上都會出現它的方蹤。(2,3) Daptomycin 具有一個明顯特點就是它在產生活性的過程中是需要鈣離子的參與。(4) Daptomycin 主體結構是一個由十三個氨基酸所組成的環狀結構，其中包含有一些 D-configured 以及非蛋白質構型（non-proteinogenic amino acid）的氨基酸，像是 kynurinine（Kyn）、ornithine（Orn）及 L-3-methylglutamic acid（MeGlu）等等（圖 1）。且 daptomycin 的 N 端被 n-decanoyl 脂肪酸鏈所鍵結，這可能是導致 daptomycin 可以穿透革蘭氏陽性細菌細胞膜的重要因子。若針對這個脂肪鍵進行不同長度或是分枝的改變，然後進行大規模的活性篩選，即可發現此脂肪鍵的存在與否是導致其細胞毒性是否依舊存在的重要來源。(1) 至於 daptomycin 其 C 端上 Kyn 的酸基（carboxylate）則與該抗生素的 Thr 之羥基（hydroxyl）進行環化而形成此十三氨基酸之環狀結構。此外，結構當中除了 MeGlu 之外，還具有三個 Asp 的酸性殘基，推測這是主要鍵結鈣離子而產生活性的位置。

圖4. 3D-NMR solution structure of daptomycin

至於 daptomycin 與鈣離子鍵結的詳細反應機轉目前尚未明瞭。然而，有兩種不同的反應模型在過去已經被提出過，不過目前都尚有爭議。最原始的模型是由 Boaretti 研究團對所提出 (5)：他們主張 daptomycin 在鈣離子的存在下抑制了 lipoteichoic acid（LTA）的生合成路徑。LTA 是一種嵌在細胞膜表面的巨型分子，他一直延伸進入到 peptidoglycan 細胞壁層。第二個模型是由 laganas 研究團隊 (6) 與 Silverman 研究團隊 (7) 分別所提出：daptomycin 的長脂肪鏈會與細胞膜間存在著微弱的交互作用，而當其與鈣離子結合時，會滲透進入細胞膜的內層，並透過 daptomycin 的聚集效應而在細胞膜表面產生一個通道（channel），使鉀離子流失。這導致了細胞膜的去極化而使細胞瓦解並加速了細胞的死亡。(6, 7) 下圖5. 則是 calcium-dependent antibiotic daptomycin。

圖5. Structural transitions as determinants of calcium-dependent antibiotic daptomycin.
Source：http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1T5N

當然，daptomycin 目前已經使用在臨床的治療上，不過人類與細菌間的對抗並不會因為 daptomycin 的發現而佔有上風，像之前曾經被稱為抗生素療法的最後一道防線－萬古黴素早已經被細菌給瓦解。尤有甚者，更新一代的抗生素如 Linezolid（Zyvox）也發現對其具有抗藥性的細菌已經出現。雖然人類手上還有 quinupristin/dalfopristin（Synercid）與 daptomycin（Cubicin）這些藥物，但此時的我們不禁是否該換個角度想，如果我們無法完全戰勝細菌所造成的疾病，那是否有與其和平共處的方式呢？我想這個問題還有待投入更多的研究與探討才有答案吧！


圖6. 抗生素 Zyvox 與 Synercid 結構
資料來源：

• Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1872-1878 ; http://www.rsc.org/delivery/_ArticleLinking/DisplayHTMLArticleforfree.cfm?JournalCode=OB&Year=2004&ManuscriptID=b402722a&Iss=13

參考文獻：

1		M. Debono, B. J. Abbott, R. M. Molloy, D. S. Fukuda, A. H. Hunt, V. M. Daupert, F. T. Counter, J. L. Ott and C. B. Carrell, J. Antiobiot. (Tokyo), 1998, 41, 1093–1105 .
2		M. Larkin, Lancet, 2003, 3, 677 [Links].
3		A. Raja, J. LaBonte, J. Lebbos and P. Kirkpatrick, Nature Rev. Drug. Discov., 2003, 2, 943–944 .
4		A. L. Barry, P. C. Fuchs and S. Brown, Antimicrob Agents Chemother., 2001, 45, 1919–1922 [Links].
5		M. Boaretti, P. Canepari, M. del Mar Lleò and G. Satta, J. Antimicrob. Chemother., 1993, 31, 227–235 [Links].
6		V. Laganas, J. Alder and J. A. Silverman, Antimicrob. Agents Chemother., 2003, 47, 2682–2684 [Links].
7		J. A. Silverman, N. G. Perlmutter and H. M. Shapiro, Antimicrob. Agents Chemother., 2003, 47, 2538–2544 [Links].