幽門螺桿菌（Helicobacter pylori, H. pylori）是胃部常見的致病細菌，與胃病及癌癥密切相關。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，需要進一步開發(fā)新的治療藥物。

2024年7月8日，中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院藥物研究所蔣建東院士團隊在期刊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，基于深度學習（Deep Learning）和蛋白質(zhì)組學發(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。

研究思路

深度學習模型構建

• 利用分子指紋和圖嵌入技術將化合物結構轉(zhuǎn)化為數(shù)值向量，用于模型訓練。

• 數(shù)據(jù)預處理：清洗并格式化化合物數(shù)據(jù)，適配模型輸入。

• 預訓練與微調(diào)：在PubChem數(shù)據(jù)庫上預訓練模型，后在H. pylori數(shù)據(jù)集上微調(diào)。

• 活性預測：預測化合物對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）。

• 細胞毒性測試：MTT法評估8-O對細胞的毒性。

• 體內(nèi)藥代動力學研究：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合位點。

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

研究結果

 一、深度學習模型創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)化合物8（8-O）

蔣建東院士團隊在研究中采用了深度學習模型，這一模型基于分子指紋特征和分子圖嵌入，通過預訓練和微調(diào)過程，成功預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，構建了938個化合物的訓練集。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)進行模型的預訓練。通過這一創(chuàng)新的深度學習驅(qū)動的發(fā)現(xiàn)方法，團隊鑒定了化合物8。

深度學習模型創(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小時后濃度依然遠高于MIC。它在細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)組學精準鑒定作用靶點

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

ABPP精準鑒定作用靶點

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技術，首先通過免疫印跡分析確認了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）技術提供了8-O與這些靶標蛋白結合的親和力定量數(shù)據(jù)。細胞熱位移分析（CESTA）進一步評估了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合。定點突變分析揭示了與8-O結合的關鍵氨基酸殘基，這些殘基在SecA和BamD中起著至關重要的作用。轉(zhuǎn)錄組分析顯示8-O能夠調(diào)控H. pylori中與外膜蛋白（OMPs）相關的基因表達，這間接支持了SecA和BamD作為功能靶點的相關性。綜合這些實驗結果，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，最終抑制細菌生長。

研究結論

 蔣建東院士團隊運用深度學習模型發(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)藥代動力學研究顯示其在胃中持久且安全?；诘鞍踪|(zhì)組學的ABPP技術發(fā)現(xiàn)8-O通過靶向SecA和BamD蛋白干擾細菌外膜蛋白組裝，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】

[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).