ARTICLE

Discovery of natural-product-derived sequanamycins as potent oral anti-tuberculosis agents

Jidong Zhang, Christine Lair, Christine Roubert, Anna Upton, James C. Sacchettini, Sophie Lagrange,

Open AccessPublished:February 23, 2023DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.043

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00102-2

Highlights

• Structure-based medicinal chemistry leads to an optimized sequanamycin-derived lead molecule, SEQ-9
• Sequanamycins are macrolide antibiotics able to overcome inherent Mtb macrolide resistance
• SEQ-9 is able to adjust its binding mode to the methylated (resistant) form of the Mtb ribosome
• SEQ-9 kills Mtb in vitro and is efficacious in mouse models of TB

Summary

The emergence of drug-resistant tuberculosis has created an urgent need for new anti-tubercular agents. Here, we report the discovery of a series of macrolides called sequanamycins with outstanding in vitro and in vivo activity against Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Sequanamycins are bacterial ribosome inhibitors that interact with the ribosome in a similar manner to classic macrolides like erythromycin and clarithromycin, but with binding characteristics that allow them to overcome the inherent macrolide resistance of Mtb. Structures of the ribosome with bound inhibitors were used to optimize sequanamycin to produce the advanced lead compound SEQ-9. SEQ-9 was efficacious in mouse models of acute and chronic TB as a single agent, and it demonstrated bactericidal activity in a murine TB infection model in combination with other TB drugs. These results support further investigation of this series as TB clinical candidates, with the potential for use in new regimens against drug-susceptible and drug-resistant TB.

Graphical abstract

Keywords,

tuberculosis, antibacterial, macrolide, ribosome, emr37, drug discovery, sequanamycin,erythromycin, clarithromycin,

강력한 경구 항결핵제로서의 천연 제품 유래 세쿼나마이신의 발견

하이라이트

• 구조 기반 의약 화학은 최적화된 세쿼나마이신 유래 선도 분자인 SEQ-9로 이어집니다.
• 세쿼나마이신은 고유한 Mtb 마크로라이드 내성을 극복할 수 있는 마크로라이드 항생제입니다.
• SEQ-9는 Mtb 리보솜의 메틸화 (내성) 형태에 대한 결합 모드를 조정할 수 있습니다.
• SEQ-9는 시험관 내에서 Mtb를 죽이고 결핵 마우스 모델에서 효과적입니다.

요약

약물 내성 결핵의 출현으로 새로운 항결핵제가 절실히 필요하게 되었습니다. 여기에서 우리는 결핵균(Mtb)에 대한 뛰어난 체외 및 생체 내 활성을 가진 세쿼나마이신이라고 하는 일련의 마크로라이드의 발견을 보고합니다. 세쿼나마이신은 에리스로마이신 및 클라리스로마이신과 같은 고전적인 마크로라이드와 유사한 방식으로 리보솜과 상호 작용하는 박테리아 리보솜 억제제이지만 Mtb의 고유한 마크로라이드 내성을 극복할 수 있는 결합 특성이 있습니다. 결합한 억제제를 갖는 리보솜의 구조는 고급 선도 화합물 SEQ-9를 생산하기 위해 세쿼나마이신을 최적화하는 데 사용되었습니다. SEQ-9는 단일 제제로서 급성 및 만성 결핵의 마우스 모델에서 효과적이었으며, 다른 결핵 약물과 함께 쥐 결핵 감염 모델에서 살균 활성을 입증했습니다. 이러한 결과는 약물 감수성 및 약물 내성 결핵에 대한 새로운 요법에 사용될 가능성과 함께 결핵 임상 후보로서 이 시리즈에 대한 추가 조사를 뒷받침합니다.

결핵, 항균, 마크로라이드, 리보솜, EMR37, 신약 개발, 세콰나마이신, 에리스로마이신, 클라리스로마이신,

소개

결핵(TB)은 결핵균(Mtb)에 의해 발생하는 호흡기 전염병입니다. COVID-19 대유행 이전에 결핵은 전 세계적으로 전염병 사망의 주요 원인으로 선정되어 1.45 백만 명이 사망하고 10 백만 명이 이상 감염되었습니다. 다제 내성 결핵 (MDR-TB) 및 광범위한 약물 내성 결핵 (XDR-TB)의 부담이 증가함에 따라 기존 약물에 내성이 있는 Mtb에 대한 활성을 가진 새로운 결핵 약물 조합에 대한 절실한 필요성이 있습니다. 이상적인 새로운 요법은 보편적인 활동과 현재의 6~9개월 치료 과정보다 짧은 기간에 환자를 치료할 수 있는 충분한 효능을 결합하는 것입니다. 그것은 잘 견디고 안전에 대한 모니터링이 거의 또는 전혀 필요하지 않으며 구두로 투여할 수 있습니다. 신규 또는 용도가 변경된 항결핵제를 결합한 약물 감수성 결핵 및 약물 내성 결핵에 대한 여러 결핵 치료 요법이 임상 2상 후기 또는 임상 3상 시험에서 테스트 되고 있습니다. 그러나 기존 내성이 거의 없는 3가지 새로운 약물 클래스만 이러한 요법에 포함됩니다 – 즉, 니트로이미 다졸 (델라마니드 또는 프레토마니드), 디아릴퀴놀린 (베다 퀼린) 및 옥사졸리디논 (리네졸리드 및 수테졸리드)-개발 중인 몇 가지 새로운 화합물이 있습니다.

TB 리보솜을 표적으로 하는 항균제

Linezolid는 50S 리보솜을 표적으로 하여 단백질 합성을 억제하는 항생제입니다. 리네졸리드의 독성은 지금까지 결핵에 대한 일반적인 사용을 방해했지만 최근 한국 임상 시험에서 XDR-TB에 대한 분명한 영향을 입증했습니다. 또한, 여러 후기 임상 시험에서 약물 내성 결핵에 대한 리네졸리드의 유용성을 평가했습니다. 최근 베다퀼린-프레토마니드-리네졸리드 요법은 6개월 동안 투여된 이 모든 경구 요법을 평가한 Nix-TB 시험의 성공적인 결과에 따라 XDR-TB 및 치료 불내성 MDR-TB에 대한 사용을 위해 미국 FDA의 승인을 받았습니다. 그러나 리네졸리드 독성은 Nix-TB 시험에서 치료받은 환자들 사이에서 만연했으며, 진행 중인 ZeNix-TB 및 TB-PRACTECAL 시험은 효능에 이바지하지만 환자가 더 잘 견디는 베다퀼린-프레토마니드 기반 요법 내에서 리네졸리드의 더 낮은 용량 및/또는 기간을 식별하는 것을 목표로 합니다. 또한, 리네졸리드 및 수테졸리드를 사용한 전임상 모델의 데이터는 리보솜 억제제가 베다퀼린, 프레토마니드 및 피라진아미드와 함께 투여할 때 치료에 필요한 치료 기간을 단축할 가능성을 입증했습니다. 마크로라이드는 리보솜의 폴리펩티드 출구 터널을 차단하여 단백질 생합성을 중지시키는 또 다른 박테리아 리보솜 억제제입니다. 이러한 종류의 항생제는 많은 세균 감염에 대한 초석 약물이지만 결핵에 대해서는 효과가 없는 것으로 입증되었습니다. 이는 마크로라이드 항생제가 Mtb 리보솜을 메틸화하는 메틸 트랜스퍼 라제를 암호화하는 Mtb erm37 유전자의 발현을 유도하기 때문입니다. 주로 위치 A2058에 있습니다 (달리 명시되지 않는 한, 대장균 잔기 번호는 보충 정보를 포함하여 논문 전체에서 사용됩니다). 클라리스로마이신은 약물 내성이 높은 결핵에 대한 구조 요법에 때때로 사용되지만, 임상 환경이나 전임상 모델에서 결핵에 대한 유의미한 효능을 입증한 적이 없으며 14원자 고리 매크로라이드의 화학적 최적화는 성공하지 못했습니다. 여기에서는 급성 및 만성 결핵 마우스 모델에서 시험관 내 활성과 강력한 생체 내 효능을 입증하는 고급 리드 SEQ-9(그림 1)에 대한 천연물 SEQ-503의 구조 유도 최적화에 관해 설명합니다.

그림 1 세쿼나마이신과 T. 써모필러스 리보솜의 주요 상호작용

단순성을 위해, 락톤 고리와 관련된 측쇄 치환기만 3D 표현에 표시된다. 점선이 있는 검은 선은 3D 그림에서 수소 결합을 나타냅니다. 2D 상호 작용 맵에서는 빨간색입니다. 저항 돌연변이의 부위인 뉴클레오티드는 빨간색으로 표시된다.

(A) 에리트로마이신 및 세콰나마이신 A 및 그 유도체의 구조.

(B) SEQ-977 및 SEQ-569의 2D 상호작용 다이어그램.

(C) SEQ-977(파란색 표면)의 적합성과 펩타이드 출구 터널의 벽(노란색과 흰색) 사이에 형성된 상호 작용. C5 케토알로스는 에리트로마이신과 유사한 방식으로 중심 락톤의 소수성 C4-C8 가장자리가 펩타이드 벽과 접촉하면서 A2058과 수소 결합을 형성한다.

(D) SEQ-977의 C13과 L22의 터널 벽 요소 및 23S rRNA의 도메인 II에 의해 형성된 상호 작용.

(E) SEQ-569(노란색) 및 SEQ-977(보라색)의 경우 C8에서 카바메이트 존재 시 A2062의 상대적 위치.

토론

세콰나마이신 A는 1960년대에 잠재적인 결핵 치료법으로 상당한 관심을 끌었지만, 완전히 개발되지는 않았다. 새로운 항생제에 대한 현재의 필요성은 Mtb 특이적인 에이전트로서 이 화합물에 대한 우리의 관심을 되살렸다. 세쿼마이신은 다른 에리트로마이신급 매크로라이드와 달리 Mtb에 대한 강력한 활성을 보인다는 점에서 매크로라이드 중에서 독특하다. 클라리트로마이신과 마찬가지로 리보솜 펩타이드 출구 터널과 상호 작용하지만, 에리트로마이신-급 매크로라이드와 비교하여 세쿼마이신의 다양한 효능을 설명하기에 충분한 구조적 차이가 있다. 실제로, erm37에 의한 메틸화는 다른 매크로라이드와 일치하는 세카나마이신 처리에 의해 유도되지만, 세카나마이신에 의한 억제에는 영향을 미치지 않는다. SEQ-9를 갖는 Mtb 리보솜의 크라이오-EM 구조는 메틸화된 리보솜에 대한 세콰나마이신의 효력을 유지하는 능력에 대한 분자적 기초가 모든 마크로라이드 항균제에서 발견되는 디소사민의 디메틸기와 일반적으로 입체적으로 겹칠 수 있는 A2058의 메틸화된 N6의 약간의 위치에 기인한다는 것을 분명히 보여준다. 세카나마이신은 부피가 큰 디메틸기가 부족하며, 이는 A2058의 N6의 약간 다른 위치와 결합하여 세카나마이신 매크로라이드가 친화력의 큰 손실 없이 포켓에 결합할 수 있게 한다.

SEQ-569 및 SEQ-977과 함께 T. Thermophilus 리보솜의 공동 결정 구조를 사용하여 효력뿐만 아니라 ADME 특성도 개선할 수 있는 수정을 합리화했습니다. 이러한 최적화는 SEQ-9로 이어졌으며, 대식세포 내에 존재하는 복제 및 비복제 Mtb, Mtb의 실험실 균주와 다중 임상 분리에 대해 강력한 체외 활성을 입증했다.

SEQ-9는 또한 새로운 항결핵제의 중요한 특징인 개별 1선 또는 2선 약물에 대한 MTB 내성에도 효과적이었다. SEQ-9의 약리학적 활성은 생쥐의 PK와 함께 폐 조직에 잘 분포하고 일일 경구 투여에 잘 적합할 수 있음을 보여준다. 급성 및 만성 감염 마우스 모델에서 이 화합물은 단일 약제로서 그리고 라인졸리드, 베다퀼린, 프레토마노이드 또는 피라진아마이드와 결합하여 생체 내 효능을 보였다. SEQ-9는 결핵의 마우스 모델에서 테스트된 모든 결핵 약물에서 첨가제 활성을 보여주었으며, 이는 이 부류의 마크롤라이드가 광범위한 결핵 약물 및 치료법에 이바지할 가능성이 있음을 시사한다. SEQ-9를 베다퀼린과 프리토마노이드와 결합했을 때 4주에서 8주 사이에 살균 효과의 현저한 가속이 입증되었다. 8주간의 치료 후, 베다퀼린/프레토마노이드/SEQ-9의 3가지 약물 조합은 평균 로그 CFU 수를 0.2로 감소시켰으며, SEQ-9의 부재(p < 0.01)에서 베다퀼린/프레토마노이드의 1.69에 비해 SEQ-9는 지난 4주간의 치료에서 베다퀼린/프레토마노이드에 상당한 살균 활성을 추가하는 능력을 보여주었다. 동일한 마우스 모델에 대한 이전 연구는 라인졸리드에 의한 베다퀼린/프레토마노이드에 대한 유사한 기여를 입증하며, Nix-TB 시험에서 XDR-TB의 치료에서 6개월 경구 요법으로 우수한 치료 결과를 산출한 3가지 약물 BPaL 요법을 생성했다. 이는 Mtb 리보솜을 대상으로 하는 치료용 무기를 풍부하게 할 수 있는 라인졸리드의 잠재적인 대안으로 세콰나마이신 시리즈가 추가로 탐구되어야 함을 시사한다.

연구의 한계

제시된 연구에서 우리가 사용하는 기술에는 몇 가지 한계가 있다. X선 결정 및 크라이오-EM 구조는 모두 리보솜의 3차원 밀도를 평균화하여 생성된 정적 구조이다. 바인딩 이벤트와 관련된 대부분의 동적 정보는 이러한 방법을 사용하여 직접 사용할 수 없으며 추론만 가능하다. 또한, 구조의 해상도는 우리가 비공유 상호 작용, 예를 들어 수소 결합의 거리를 근사할 수 있는 정도이다.

이 연구의 두 번째 한계는 세포 데이터와 질병의 마우스 모델을 이용한 효능 실험을 기반으로 한 세쿼마이신의 약리학, 독성 및 효능 예측에 있다. 대부분의 결핵 치료제에 대해 마우스와 인간의 효능 사이에 비교적 좋은 합의가 있지만, 이것이 세쿼마이신에 대해 사실인지 아닌지는 알 수 없다.