幽門螺桿菌（Helicobacter pylori, H. pylori）是胃部常見的致病細(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題，尤其在發(fā)展中國家尤為嚴(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)一步開發(fā)新的治療藥物。

2024年7月8日，中國醫(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發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)譜檢測和分析服務(wù)。

研究思路

深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建

• 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：預(yù)測化合物對H. pylori的抗菌活性。

藥效評價

• 體外抗菌實驗：測定8-O的最小抑制濃度（MIC值）。

• 細(xì)胞毒性測試：MTT法評估8-O對細(xì)胞的毒性。

• 體內(nèi)藥代動力學(xué)研究：分析小鼠口服8-O后的濃度變化。

• 急性口服毒性測試：確定8-O的半數(shù)致死劑量（LD50值）。

• 連續(xù)傳代測試：評估8-O誘導(dǎo)耐藥性的能力。

• 體內(nèi)抗菌效果評估：在小鼠模型中評估8-O的治療效果。

• 腸道菌群分析：分析8對小鼠腸道菌群的影響。

靶點和作用機制探索

• ABPP：鑒定8-O的直接作用靶點。

• 免疫印跡/CETSA/SPR/分子對接：確定8-O與靶蛋白的相互作用及結(jié)合位點。

• 轉(zhuǎn)錄組分析：分析8-O對H. pylori基因表達(dá)的影響。

研究結(jié)果

 一、深度學(xué)習(xí)模型創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)化合物8（8-O）

蔣建東院士團(tuán)隊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，通過預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)過程，成功預(yù)測了新型黃連堿衍生物作為抗多重耐藥幽門螺桿菌的候選分子。研究中，團(tuán)隊首先從ChEMBL數(shù)據(jù)庫收集了801個具有抗H. pylori活性的化合物，以及137個自建的BBR衍生物，構(gòu)建了938個化合物的訓(xùn)練集。此外，還利用了PubChem數(shù)據(jù)庫中的大規(guī)模生物測定數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的預(yù)訓(xùn)練。通過這一創(chuàng)新的深度學(xué)習(xí)驅(qū)動的發(fā)現(xiàn)方法，團(tuán)隊鑒定了化合物8。

深度學(xué)習(xí)模型創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)化合物8（8-O）

二、8-O藥效顯著

8-O作為一種新型抗菌化合物，在體外對多重耐藥幽門螺桿菌表現(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)傳代測試中顯示出的低耐藥性風(fēng)險，為開發(fā)新型抗菌藥物提供了一個安全且效果顯著的新選擇。

8-O藥效顯著

三、蛋白質(zhì)組學(xué)精準(zhǔn)鑒定作用靶點

通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)ABPP發(fā)現(xiàn)8-O通過精準(zhǔn)靶向幽門螺桿菌的關(guān)鍵蛋白SecA（ATP水解酶）和BamD（細(xì)菌外膜蛋白β-桶狀裝配機器BAM復(fù)合物亞基），有效干擾了細(xì)菌外膜蛋白的運輸和組裝過程，導(dǎo)致外膜完整性受損，抑制了細(xì)菌的生長。

ABPP精準(zhǔn)鑒定作用靶點

四、作用機制研究

研究中對8-O的靶點驗證采用了多種生物學(xué)技術(shù)，首先通過免疫印跡分析確認(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)一步評估了8-O對SecA和BamD蛋白熱穩(wěn)定性的影響，從而驗證了它們之間的直接結(jié)合。定點突變分析揭示了與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作為功能靶點的相關(guān)性。綜合這些實驗結(jié)果，確立了8-O的作用機制：通過靶向SecA和BamD，干擾H. pylori的OMPs轉(zhuǎn)運和組裝，最終抑制細(xì)菌生長。

研究結(jié)論

 蔣建東院士團(tuán)隊運用深度學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)了黃連素衍生物8-O，該化合物在體外對耐藥幽門螺桿菌具有高效抗菌活性，體內(nèi)藥代動力學(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)低耐藥性和對腸道菌群的溫和影響，為耐藥幽門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).