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MBL介导抗菌药物耐药是目前临床面临主要挑战之一

MBL属于Ambler分类中的B类，是Zn(II)依赖性水解酶。截止2022年9月，已有超过90种MBL和480多个变异体被发现。MBL可进一步分为三大类（图1），分别对应 Ambler 亚类B1、B2和B3。B1 类（如IMP、VIM和NDM等）是目前临床最相关的MBL。MBL具有广泛的底物选择性，可催化双环β-内酰胺类抗菌药物的水解，例如青霉素类、头孢菌素类、头霉素类、氧头孢烯类和碳青霉烯类；也能水解含β-内酰胺环的SBL抑制剂，如克拉维酸、舒巴坦和他唑巴坦；能微弱水解非β-内酰胺SBL抑制剂阿维巴坦，但不水解单环内酰胺抗菌药物。

MBL存在于多种临床革兰阴性病原菌中，包括鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、嗜麦芽窄食单胞菌和多种肠杆菌目细菌。肠杆菌目细菌中产MBL菌株流行率约0.4%~0.7%，占所有碳青霉烯酶的约24%~30%。NDM、IMP和VIM是肠杆菌目细菌中常见的三种 MBL。对于铜绿假单胞菌，一项全球监测研究发现产MBL菌株占3.8%，其中VIM占MBL的88%。

产MBL菌株引起的感染常导致不良预后。研究表明，由产NDM肺炎克雷伯菌、产IMP 肠杆菌目细菌、产VIM铜绿假单胞菌和产SPM铜绿假单胞菌引起感染的患者院内死亡率可高达 42%、39%、48%和51%，造成巨大的健康威胁和临床治疗挑战。然而，目前仍需要在各级（从医疗机构到全球范畴）对MBL及产MBL细菌实施更多的持续且严格监测计划，例如依据感染部位和脆弱患者人群（如新生儿和 ICU 患者）进行分层监测，以便更好地监测MBL演变趋势并指导抗菌药物使用。

▲图1. 基于氨基酸序列的MBL系统分类树

针对产MBL耐药菌的临床治疗手段

目前头孢他啶-阿维巴坦 (CZA) 与氨曲南 (ATM) 联用是治疗产MBL的肠杆菌目细菌、铜绿假单胞菌和嗜麦芽窄食单胞菌感染的一种临床推荐方案，其源于MBL无法水解ATM，而阿维巴坦（AVI）能保护ATM免受SBL水解。然而，在肠杆菌目细菌和铜绿假单胞菌等中已出现对CZA/ATM耐药，涉及多种机制。例如，在肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌复合体中，外膜孔蛋白 OmpK35 (OmpF) 或OmpK36 (OmpC)的改变是对CZA/ATM的主要耐药机制。

头孢地尔是另一种针对MBL耐药菌感染的临床推荐治疗方案。头孢地尔是一种含铁载体的头孢菌素，于2019年获得FDA批准，但在包括我国在内的许多国家尚未被批准。头孢地尔对大多数临床相关的MBL和SBL稳定，并具有良好的外膜渗透性。然后，临床已经出现了对头孢地尔的耐药菌。例如，肠杆菌目细菌中的cirA、鲍曼不动杆菌中的pirA和piuA以及铜绿假单胞菌中的piuD和pirR，这些离子获取基因的修饰会产生对头孢地尔的耐药。一些MBL（例如NDM和SPM-1）和SBL（例如SHV-2a和OXA-427）也会降低对头孢地尔的敏感性。总之，头孢地尔的耐药性问题导致其临床前景尚不明确。

MBL结构特征与抑制剂分类

MBL具有保守的特征性αβ/βα三明治折叠结构，其催化活性中心具有锌离子结合位点。B1 MBL活性中心含两个锌离子Zn1和Zn2，桥接两个锌离子的水分子W1具有亲核性，可进攻β-内酰胺环使其水解（图2）。B1 MBL活性口袋含L3和L10 柔性loop，是容纳各种不同底物类型的重要结构特征；值得注意的是，B1 MBL的L10 loop上往往存在一个带正电的残基（如IMP-1/NDM-1 K224 与VIM-2 R228），该残基在底物识别过程中发挥重要作用（我们称之为锚定残基）。

与B1 MBLs相比，B2 MBLs活性位点的入口处具有延伸和扭结的α-螺旋（α3），使得催化口袋更小，底物范围更窄，偏向于水解碳青霉烯类抗菌药物（图2）。此外，B2 MBLs的活性位点只有一个锌离子Zn2，第二个锌离子结合到活性位点对催化活性具有抑制作用。但是，B2 MBLs同样具有柔性的L3与L10 loop以及锚定残基。B3 MBLs具有与B1 MBLs相似的底物类型与锌离子结合位点，但活性位点的柔性loop不同（图2）。

▲图2. MBLs的αβ/βα折叠和活性位点特征

迄今已有多种MBL抑制剂被开发，目前三个候选药物（VNRX-5133、QPX7728 和QPX7831；均为MBL/SBL双重抑制剂）正处于临床评价。我们依据MBL催化机制（图3A），首次提出了MBL抑制剂分类方案（分为I-V型）。

I型抑制剂

I型抑制剂通常是通过特定的金属结合药效团来螯合和/或桥接两个锌离子。例如，对IMP MBL具有良好抑制活性的邻苯二甲酸类化合物与两个锌离子螯合，并与锚定残基K224形成静电相互作用（图3B）。

II型抑制剂

II型MBL抑制剂是模拟完整β-内酰胺抗菌药物的初始结合模式（包括保留锌离子结合的W1，与锚定残基形成静电相互作用等）。吲哚-2-羧酸类化合物（InCs）是典型的II型MBL抑制剂，通过羧基与Zn2相互作用，稳定桥接两个锌离子的W1，并与锚定残基形成离子键作用（图3C）。

III型抑制剂

III型MBL抑制剂可形成sp3杂化/四面体来模拟β-内酰胺水解过程中的不稳定四面体中间体。例如，硼酸类化合物的硼原子通过与氢氧根/水分子反应，由sp2杂化变成sp3杂化，与锌离子和锚定残基形成关键相互作用。处于III期临床试验的VNRX-5133为此类化合物的典型代表（图3D）。

IV型抑制剂

IV型MBL抑制剂的作用机制更接近于水解产物的结合模式，它们会与Zn2形成双齿配位（这是其与II型抑制剂主要的不同之处）。噻唑-4-羧酸（ThCs）和咪唑-2-羧酸类化合物（ImCs）是典型的IV型抑制剂，它们均与Zn2配位，并与锚定残基R228/K224产生静电相互作用（图3E）。

V型抑制剂

与I-IV型抑制剂不同，V型抑制剂通过剥夺/置换锌离子、或与金属连接的半胱氨酸发生反应等方式来瓦解/破坏MBL金属结合位点，从而抑制酶活性。例如，曲霉明A（AMA）通过剥夺MBL活性锌离子，发挥广谱的B1 MBL抑制活性（图3F）。

▲图3. MBLs的αβ/βα折叠和活性位点特征