幽門(mén)螺桿菌（Helicobacter pylori, H. pylori）是胃部常見(jiàn)的致病細(xì)菌，與胃病及癌癥密切相關(guān)。傳統(tǒng)抗生素治療面臨耐藥問(wèn)題，尤其在發(fā)展中國(guó)家尤為嚴(yán)重。黃連堿（BBR）與常規(guī)治療聯(lián)合可提高根除率，但其抑菌效果有限，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的治療藥物。
2024年7月8日，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥物研究所蔣建東院士團(tuán)隊(duì)在期刊Signal Transduct Target Ther（IF=40.8）上發(fā)表了題為“A deep learning-driven discovery of berberine derivatives as novel antibacterial against multidrug-resistant Helicobacter pylori”的研究文章，基于深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）和蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)黃連素衍生物8-O作為針對(duì)多重耐藥H. pylori的新型抗菌劑，而且具有較低的細(xì)胞毒性和令人滿(mǎn)意的急性口服毒性，為臨床治療提供了新的選擇。
青蓮百奧為該研究提供藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)譜檢測(cè)和分析服務(wù)。
利用分子指紋和圖嵌入技術(shù)將化合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)值向量，用于模型訓(xùn)練。
數(shù)據(jù)預(yù)處理：清洗并格式化化合物數(shù)據(jù)，適配模型輸入。
預(yù)訓(xùn)練與微調(diào)：在PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)上預(yù)訓(xùn)練模型，后在H. pylori數(shù)據(jù)集上微調(diào)。
活性預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)化合物對(duì)H. pylori的抗菌活性。
體外抗菌實(shí)驗(yàn)：測(cè)定8-O的最小抑制濃度（MIC值）。
細(xì)胞毒性測(cè)試：MTT法評(píng)估8-O對(duì)細(xì)胞的毒性。
體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)研究：分析小鼠口服8-O后的濃度變化。
急性口服毒性測(cè)試：確定8-O的半數(shù)致死劑量（LD50值）。
連續(xù)傳代測(cè)試：評(píng)估8-O誘導(dǎo)耐藥性的能力。
體內(nèi)抗菌效果評(píng)估：在小鼠模型中評(píng)估8-O的治療效果。
腸道菌群分析：分析8對(duì)小鼠腸道菌群的影響。
ABPP：鑒定8-O的直接作用靶點(diǎn)。
免疫印跡/CETSA/SPR/分子對(duì)接：確定8-O與靶蛋白的相互作用及結(jié)合位點(diǎn)。
轉(zhuǎn)錄組分析：分析8-O對(duì)H. pylori基因表達(dá)的影響。
蔣建東院士團(tuán)隊(duì)在研究中采用了深度學(xué)習(xí)模型，這一模型基于分子指紋特征和分子圖嵌入，通過(guò)預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)過(guò)程，成功預(yù)測(cè)了新型黃連堿衍生物作為抗多重耐藥幽門(mén)螺桿菌的候選分子。研究中，團(tuán)隊(duì)首先從ChEMBL數(shù)據(jù)庫(kù)收集了801個(gè)具有抗H. pylori活性的化合物，以及137個(gè)自建的BBR衍生物，構(gòu)建了938個(gè)化合物的訓(xùn)練集。此外，還利用了PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)中的大規(guī)模生物測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的預(yù)訓(xùn)練。通過(guò)這一創(chuàng)新的深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)方法，團(tuán)隊(duì)鑒定了化合物8。
深度學(xué)習(xí)模型創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)化合物8（8-O）
8-O作為一種新型抗菌化合物，在體外對(duì)多重耐藥幽門(mén)螺桿菌表現(xiàn)出高效的抗菌活性，具有優(yōu)異的最小抑制濃度（MIC值）。體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)研究表明，8-O在小鼠胃中具有良好的持久性，24小時(shí)后濃度依然遠(yuǎn)高于MIC。它在細(xì)胞層面的低毒性和高安全性，以及在急性口服毒性測(cè)試中的高半數(shù)致死劑量（LD50值），均證明了其作為潛在治療藥物的可靠性。此外，8-O在連續(xù)傳代測(cè)試中顯示出的低耐藥性風(fēng)險(xiǎn)，為開(kāi)發(fā)新型抗菌藥物提供了一個(gè)安全且效果顯著的新選擇。
8-O藥效顯著
通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)ABPP發(fā)現(xiàn)8-O通過(guò)精準(zhǔn)靶向幽門(mén)螺桿菌的關(guān)鍵蛋白SecA（ATP水解酶）和BamD（細(xì)菌外膜蛋白β-桶狀裝配機(jī)器BAM復(fù)合物亞基），有效干擾了細(xì)菌外膜蛋白的運(yùn)輸和組裝過(guò)程，導(dǎo)致外膜完整性受損，抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)。
ABPP精準(zhǔn)鑒定作用靶點(diǎn)
研究中對(duì)8-O的靶點(diǎn)驗(yàn)證采用了多種生物學(xué)技術(shù)，首先通過(guò)免疫印跡分析確認(rèn)了8-O與H. pylori中的SecA和BamD之間的特異性相互作用。隨后，表面等離子共振（SPR）技術(shù)提供了8-O與這些靶標(biāo)蛋白結(jié)合的親和力定量數(shù)據(jù)。細(xì)胞熱位移分析（CESTA）進(jìn)一步評(píng)估了8-O對(duì)SecA和BamD蛋白熱穩(wěn)定性的影響，從而驗(yàn)證了它們之間的直接結(jié)合。定點(diǎn)突變分析揭示了與8-O結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸殘基，這些殘基在SecA和BamD中起著至關(guān)重要的作用。轉(zhuǎn)錄組分析顯示8-O能夠調(diào)控H. pylori中與外膜蛋白（OMPs）相關(guān)的基因表達(dá)，這間接支持了SecA和BamD作為功能靶點(diǎn)的相關(guān)性。綜合這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確立了8-O的作用機(jī)制：通過(guò)靶向SecA和BamD，干擾H. pylori的OMPs轉(zhuǎn)運(yùn)和組裝，最終抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。
蔣建東院士團(tuán)隊(duì)運(yùn)用深度學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)了黃連素衍生物8-O，該化合物在體外對(duì)耐藥幽門(mén)螺桿菌具有高效抗菌活性，體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)研究顯示其在胃中持久且安全?；诘鞍踪|(zhì)組學(xué)的ABPP技術(shù)發(fā)現(xiàn)8-O通過(guò)靶向SecA和BamD蛋白干擾細(xì)菌外膜蛋白組裝，展現(xiàn)低耐藥性和對(duì)腸道菌群的溫和影響，為耐藥幽門(mén)螺桿菌治療提供了一種新的有效策略。
【參考文獻(xiàn)】
[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).
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