Nature：靶向嘌呤合成代谢，破解抗结核药物耐药性难题

来源：BioArt 2025-07-20 14:04

结核病（tuberculosis,TB）至今仍是全球最致命的传染病之一。2023年，全球新增约1080万例TB活动性病例，死亡人数达125万，使TB继续稳居全球传染病致死率首位【1】。尽管贝达喹啉和普托曼尼等新药的引入提升了部分耐药型TB的治愈率，但多药耐药（MDR-TB）和广泛耐药（XDR-TB）问题日益严重，且现有疗法疗程冗长、毒副作用显著，严重影响患者依从性和治疗效果。因此，开发疗程更短且耐受性更好的新型抗结核药物仍是TB治疗的重要挑战。

靶向结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）的核心代谢通路是当前药物开发的重要方向，ATP合酶抑制剂贝达喹啉的成功，证实了代谢靶向策略的可行性【2】。嘌呤从头合成通路因其在核酸、能量和信号分子合成中的核心作用，以及对细菌的快速生长和应激适应而备受关注，其限速酶PurF（酰胺磷酸核糖转移酶）是合成一磷酸肌苷（IMP）的起始酶【3】。

理论上，抑制PurF可削弱结核分枝杆菌的增殖和生存。然而，目前尚未有研究系统性验证PurF在结核分枝杆菌中作为药物靶点的可行性，其结构特征、功能机制及抑制效果仍知之甚少。因此，深入解析PurF在结核分枝杆菌中的生物学作用，并探索其作为药物靶点的可行性，或将为开发新一代抗结核药物提供突破性思路。

近日，比利时杨森制药Anil Koul和Dirk A. Lamprecht等在Nature杂志发表了题为Targeting de novo purine biosynthesis for tuberculosis treatment的研究文章，首次鉴定并验证了靶向PurF的小分子抑制剂JNJ-6640。该分子在体外展现出纳摩尔级的杀菌活性和高度靶向性。遗传学和生物化学实验明确其靶点为PurF，并证实其可阻断病原菌DNA复制，诱导肺组织中嘌呤核苷酸浓度下降。本研究证明了靶向嘌呤代谢治疗结核病的可行性，并揭示了PurF抑制剂或将在耐药结核的联合疗法中发挥重要作用。

为寻找抑制结核分枝杆菌生长的新化合物，作者首先设计了基于表型的全细胞筛选并结合体外级联筛选手段，从4924种对分枝杆菌具有活性的化合物中识别出低风险和良好合成可行性的一系列化合物，最终鉴定出以JNJ-7310为代表的吡咯烷并嘧啶系列化合物。通过结构优化，去除激酶抑制剂特征，合成的JNJ-6640对映体表现出极强的体外抗结核分枝杆菌活性，且对临床耐药菌株无明显交叉耐药性，提示其具有新颖的作用机制。

通过耐药突变筛选与全基因组测序，作者确认JNJ-6640的作用靶点为purF基因编码的PurF蛋白，且这些耐药突变在临床分离株中并未发现。分子模拟预测JNJ-6640结合于PurF的活性口袋附近，与其形成关键氢键和疏水相互作用，解释了其高亲和性。同位素标记实验表明，JNJ-6640显著抑制嘌呤从头合成，导致谷氨酰胺积累，而对嘌呤挽救通路影响有限。CRISPRi敲低实验进一步确认PurF为细菌存活所必需，并揭示其敲低株对JNJ-6640的敏感性提升8倍。

尽管次黄嘌呤可部分拯救PurF抑制，但肺组织中相关核碱基浓度（0.01 11.79 M）远低于拯救所需浓度，证实JNJ-6640具备体内活性。纯化的MtPurF蛋白在酶学实验中显示强催化活性，JNJ-6640对其具有纳摩尔级抑制效果（IC50 = 1 nM），而对人源同源酶PPAT的抑制活性极低（IC50 = 14 M），显示超过10,000倍的选择性。在93种癌细胞系中，JNJ-6640几乎不影响增殖（IC50 100 M），表明MtPurF的明确靶点结合能力和高选择性，显示出在哺乳动物中较大的治疗窗口。

借助微流控装置与单细胞成像，研究进一步揭示JNJ-6640在0.6 M浓度下可在6 10小时内显著抑制结核分枝杆菌生长，约半数细胞发生裂解，即使药物移除后亦无生长恢复。DNA复制标记实验显示，JNJ-6640可消除复制体标记焦点，持续引发细胞裂解，具有持久杀菌效应。在低氧 泡沫巨噬细胞 模型中，JNJ-6640对非复制状态的结核分枝杆菌仍表现出良好杀菌活性，优于多数现有抗结核药物，显示JNJ-6640在低氧条件下的高效杀菌活性。

在体内验证方面，作者开发了JNJ-6640的长效注射剂（LAI），在小鼠中实现了为期4周的持续暴露且无明显毒性。在小鼠急性感染模型中，两次注射JNJ-6640可使肺内CFU显著减少；在慢性感染模型中，连续8周给药亦有效降低细菌负荷。更为重要的是，JNJ-6640可与贝达喹啉和普托曼尼联合使用，可替代毒副作用较大的利奈唑胺，实现体内外类似的杀菌效果。DiaMOND分析显示，JNJ-6640与贝达喹啉和普托曼尼之间的协同作用优于与莫西沙星的组合，体现了嘌呤合成抑制剂在TB联合治疗中的巨大潜力。

综上所述，本研究筛选到靶向PurF的小分子抑制剂JNJ-6640，其能够高效抑制结核分枝杆菌的DNA复制，对结核分枝杆菌具有纳摩尔级杀菌活性。JNJ-6640兼具极强的选择性、体内活性和良好的安全性，有望纳入未来耐药性结核病治疗方案，展示出嘌呤从头合成抑制剂在抗结核药物开发中的广阔前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09177-7