第一节  简介

一、什么是微生物药物（Microbial Medicines）

微生物药物的概念是随着微生物药物的研究进展而不断发展的。微生物药物不仅仅指抗生素，微生物产生的次级代谢产物也不仅仅是针对病原菌的，也可以作用于肿瘤细胞、某个生理过程、某个大分子等。因此：

狭义定义为：微生物在其生命过程中产生的，能以极低浓度有选择地抑制或影响其他生物机能的低分子的代谢物。

随着微生物药物研究范畴的不断增加，人们将具有特殊生理活性的多糖等大分子代谢物、活菌疫苗、微生物菌剂等也纳入了微生物药物的范畴。因此狭义的定义不能够包含所有的微生物药物，就出现了广义定义。

广义定义为：能以极低浓度抑制或影响其它生物机能的微生物或微生物的代谢物。

可以预言，微生物药物的概念将随着微生物药物的研究进展而变得越来越广泛和全面。

二、微生物药物的发展历程

① 朴素的经验性总结：远古时期

豆腐上的霉菌可以治疗疮疖

发霉的面包能够治疗溃疡和肠道感染

② 理性研究和探索：19世纪70年代

现代微生物学的奠基人法国人巴斯德Pasteur，开创了药物微生物技术的新时代。

炭疽芽孢杆菌能够引起家畜炭疽病，而注射了在45℃条件下连续培养形成的减毒炭疽芽孢杆菌则能够抑制强活力炭疽菌的侵染。

注射无毒狂犬病病毒可以防御狂犬病的发生。

③ 抗生素的兴起和系统研究：20世纪20年代---80年代

在此过程中，先后从土壤中筛选出各种抗生素产生菌，主要是放线菌和真菌，包括青霉素、链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、红霉素、制霉菌素、卡那霉素等。

50年代末，半合成青霉素的研制成功促使半合成抗生素自60年代起得到了迅速的发展。

可以说，微生物药物的研究和发展史，尤其在初期，就是抗生素研究发展史。

④ 微生物药物的多样性研究：20世纪80年代---现在

20世纪80年代以来，随着药物筛选技术的发展，微生物药物的研究内容也悄悄地发生了转变，抗生素已不再是微生物药物的全部主体，而是有关抗肿瘤药物、抗病毒药物、抗线虫药物、除草剂、免疫调节剂、酶抑制剂、家禽家畜生长激素、农作物生长激素、微生物农药等已成为微生物药物研究的主流。

同时，由于抗生素大量使用后出现的严重耐药性问题，使得人们重新审视抗生素，有关耐药菌的耐药机制和抗耐药菌抗生素的研究也是目前微生物药物的研究热点。

三、微生物发酵制药的种类

  （1）微生物菌体发酵

微生物菌体发酵是以获得微生物菌体为目的，如：面包酵母发酵、单细胞蛋白发酵（利用各种碳源）、真菌类（各种蘑菇、冬虫夏草）、生物防治剂（苏云金杆菌，伴孢晶体可以毒杀鳞翅目、双翅目害虫）。

（2）微生物酶发酵

微生物酶发酵是以获得酶为目的的发酵，如青霉素酰化酶，用于半合成青霉素时，制备中间体6－氨基青霉烷酸。

（3）微生物代谢产物发酵

① 初级代谢产物：氨基酸，核苷酸，维生素，有机酸。

② 次级代谢产物：最主要的是抗生素。

（4）微生物转化发酵

利用微生物的一种或多种酶把一种化合物转变为结构相关的更有价值的产物的生化反应为转化发酵。

第二节药物微生物

一、药物微生物分类

微生物在医药中有许多方面的应用。根据目的，可以将医药中的微生物分为三大类。

药源微生物：能够产生具有生物活性药物的微生物。

药用微生物：各种具有明显药效的菌剂

基因工程菌：通过基因工程的方法构建的微生物，该微生物能够产生各种非微生物代谢产物的天然药物产品。

二、 微生物作为天然药物资源的优势

药物的来源无外乎化学合成、生物合成、以及化学半合成。早期的生物药物主要来自于动植物，尤其是中草药和动物组织器官的提取。但随着人们对微生物认识的不断深入，微生物作为天然药物的资源已经完全显露出它的优势。

① 微生物多样性

微生物种类繁多，并且生活环境条件复杂多样，从而使得微生物在生理代谢上和遗传上存在着其他生物类群无法比拟的多样性，其生活过程中产生的代谢产物也因此多种多样，为我们寻找药物提供了充分的可能性。

② 生长快速，可以大规模工业化生产

微生物代时短，一般在12-24小时内就可以达到稳定期，因此可以缩短生产周期，降低成本。

③ 微生物遗传背景简单

易于利用各种遗传突变手段，改变微生物的代谢途径和方式，使得各种微量的药用成分能够大量合成，开发物美价廉的药物。

例如：青霉素在工业生产初期产量仅为几十个单位，经过几十年的突变筛选和工艺改进，目前每升发酵液达到几十万单位，成为大众化的抗菌药品之一。

④ 微生物代谢产物的多样性为筛选高效低毒的药物提供了可能性。

药物的疗效包括两个方面：一是治疗疾病的效果；二是药物的毒性。一个好的药物要求疗效高并且毒性尽可能的低。微生物代谢产物的多样性为此要求提供了可能性。

三、药源微生物

不同的微生物类群，次级代谢产物的形成能力有着巨大的差异。甚至是产生药物较多的种属之间，产物的类型也有着巨大的差异。只有少数的微生物类群是优秀的药物产生菌---药源微生物。因此，药源微生物是药物筛选最重要的来源。

半个多世纪的微生物药物的筛选与开发，为人们提供了大量的各种类型天然化合物，占全部发现的生物活性天然化合物的80%以上。

在微生物来源的天然化合物中，70%左右是由放线菌产生的，尤其是链霉菌。

但随着筛选工作广泛深入的开展，从放线菌获得新化合物的比例已经降到了不足0.1%。

因此，目前微生物药物的筛选已从传统的高产微生物转向新的微生物类群。如中药用微生物、海洋微生物、极端微生物、以及尚未开发或开发不足的新微生物类群。

如下微生物类群，通常都有着或多或少的“光荣的”药物产生历史。

（1）放线菌：目前国际上已经描述和发表的放线菌近60个属，2000多种，放线菌是产生微生物药物最多，也是药物研究最多的生物类群。最重要的是产生链霉素的链霉菌属（Streptomyces），其次是产生放线菌素和庆大霉素的小单孢菌属（Micromonospora），产生利福霉素的诺卡氏菌属（Nocardia）。

（2）细菌：芽胞杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas），产生的主要是肽类，毒性较大，但通过组合生物合成技术，可能经过人工改造获得新型的药物。

值得一提的是目前研究较热的粘细菌（Myxobacteria），重要的药源菌类群。例如能够降解纤维素的纤维堆囊菌，是目前已知的产生生物活性代谢产物的比例最高的生物类群，并且产物结构新颖多样，是很好的药源菌类群。

粘细菌又称子实粘细菌，其生活史包括营养细胞阶段和休眠体（子实体）阶段。营养细胞杆状，包埋在粘液层中，菌体柔软，除缺乏坚硬的细胞壁外，与G-细菌无甚差别。在固体表面或气-液界面滑动。以二横裂方式繁殖。营养细胞发育到一定阶段，在一定位置聚集，并形成由细胞和粘液组成的子实体，肉眼可见。在子实体中细胞变成休眠细胞，称为粘孢子。

（3）真菌：重要的药源真菌主要是青霉属（Penicillium），曲霉属（Aspergillus），头孢菌属（Cephalosporium）的菌株。

      传统中药中的大型真菌，如灵芝、虫草等，被称为药用真菌。现代研究表明，药用真菌也是通过产生具有药理活性的代谢产物而起作用，如大分子多糖、小分子萜类、多肽等。

四、具有生物活性的微生物代谢产物中仅有一小部分被开发成药品

产生生物活性代谢产物较高的生物类群是进行微生物药物研究开发的重要参考，但是生物活性次级代谢产物并不是药物。欲开发为药物，必须考虑以下几点。

（1）高活性

（2）具有选择性

（3）作用机制特别

（4）全新的化学结构

（5）体内吸收分布好

（6）毒性和副作用小或无

五、药用微生物

（1）传统中药（汉药方）大型药用真菌，如灵芝、虫草。

（2）粘细菌的子实体结构部分 

（3）各种具有明显药效作用的菌剂，如减毒或灭活的疫苗、益肠道菌剂、农用微生物菌剂。

第三节微生物药物

在医药用微生物中，最重要的是药源微生物。一方面是由于大量的药物来自微生物的天然产物，另一方面，即使是药用微生物，其有效部位也是各种微生物的代谢产物。

一、微生物对物质的初级代谢

初级代谢分为三个阶段：

① 各类营养物质以不同的方式进入细胞

根据物质的性质不同，进入细胞的方式也是不同的，包括自由扩散、被动扩散和主动运输。

② 通过各自的途径被代谢成各种不同的中间产物

我们生物化学中所学的糖代谢，脂类代谢，蛋白类代谢

③ 中间产物通过合成反应形成细胞自身的物质，或通过分解反应释放能量和CO2和H2O；厌氧条件下生成乙醇、乙酸、乳酸。

二、次级代谢 

指细胞指数增殖结束以后的生理过程，在此过程中微生物能够将中间代谢产物转化合成对细胞存活“没有用”的代谢物，即次级代谢产物。

从生理功能上看，初级代谢产物对微生物的生存更为重要。

三、 初级代谢和次级代谢的异同

表1-1 初级代谢和次级代谢的异同

① 次级代谢产物多在细胞停止生长以后合成

② 初级代谢产物可直接或修饰后成为次级代谢产物合成的前体。

③ 合成反应包括聚合作用和修饰

④ 次级代谢产物分泌胞外

⑤ 合成反应受初级代谢影响间接松弛，主要受次级代谢自身系统控制。

五、次级代谢产物合成的可能原因

对于次级代谢产物合成的原因人们作了很多的分析，但至今无一个定论。目前，研究人员分析次级代谢产物合成的理由可能是以下五点。

① 食物储备

② 拮抗作用

③ 次级代谢过程的重要性

④ 诱导产生菌的细胞分化

⑤ 诱导其他生物的细胞分化

这五项理由中，第三条更具有普遍意义。

为了减轻初级代谢产物的积累对细胞造成的毒性，需要有代谢途径将这些产物进一步转化为对细胞没有毒性的产物，并分泌到细胞外。

六、次要组分

    大部分微生物通常能够产生一系列密切相关的次级代谢产物，其中仅有一种或两种是主要的，其余的都是微量组分，这些微量组分即称为次要组分。

    在已知的药源微生物中发现未知的次要组分的例子很多，如白霉素、制霉菌素、多粘菌素等 。

    次要组分的实际重要性是非常大的，如头孢霉素C、卡那霉素B的发现。

    次要组分多数是主要产物的结构类似物，少数呈现不同结构

七、微生物药物的几个相关概念

（1）最小抑制浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）

经过一个适当时间后，指示生物没有生长或生物分子完全失去活性的最小药物浓度。它是药物活性测定的主要参数。

（2）半抑制浓度（ MIC50 ）

抑制50%的生物生长或生物分子失去活性的药物浓度。

（3）最小杀菌浓度（minimum bactericidal concentration, MBC）

能够杀灭细菌的最低药物浓度。

（4）抑制谱

    药物能够选择性抑制或影响的生物或生物分子的范围。

（5）药物活性

    指药物对病原体或试验生物的作用强弱。

    稀释单位、重量单位表示

（6）毒性

    药物对宿主生物细胞的抑制或杀死作用。

    通常用半致死剂量表示（lethal dose，LD50）

（7）化疗指数（chemotherapeutic index，CI）

     判断一种药物的安全性和有效性的综合指标。

一般以动物半数致死量（LD50）和治疗感染动物的半数有效量（effective dose, ED50）的比值表示，即CI＝LD50/ED50；化疗指数愈大，表明药物毒性愈小，相对较安全，但并非绝对安全，如化疗指数高的青霉素可致过敏性休克。

（8）抑制曲线

   药物对作用对象的抑制活性随时间变化的曲线。

   如抑菌曲线

（9）药物敏感性

     外在因素对药物活性的影响。

表1-2外在因素对药物活性的影响

不同药物同时存在时，将会对各自的活性产生相互的影响。

累加作用：相互无关

协同作用：相互促进

拮抗作用：相互抑制

八、微生物药物的命名

（1）根据产生药物的微生物分类：

     青霉素、链霉素

（2）结构类型的特征：

    四环素类药物、氯霉素类药物

（3）地名或纪念意义：

    井岗霉素、土霉素、制霉菌素

（4）药物发现时的编号：FK506

（5）分子结构排列：化学名

九、微生物药物的分类

1、根据产生药物的微生物来源分类

青霉素、链霉素

2、根据药物的作用对象进行分类

（1）抗革兰氏阳性菌药物：青霉素、林可霉素、新生霉素

（2）抗革兰氏阴性菌药物：链霉素、多粘菌素

（3）广谱抗菌药：氯霉素、四环素、红霉素、头孢菌素

（4）抗真菌药物：制霉菌素、灰黄霉素、两性霉素、放线菌酮

（5）抗肿瘤药物：放线菌素D、丝裂霉素C、博来霉素

（6）抗病毒药物：艾霉素

（7）抗原虫昆虫药物：嘌呤霉素、巴龙霉素

（8）除草剂：杀草霉素、丰加霉素、双丙氨磷

（9）酶抑制剂：氨肽酶A、B抑制剂、磷酸酶抑制剂

（10）免疫调节剂：环孢菌素、FK506

3、根据药物的作用机制进行分类

（1）抑制细胞壁合成药物：青霉素、头孢菌素

（2）影响细胞膜功能药物：多粘菌素、制霉菌素

（3）抑制和干扰蛋白质合成药物：

     四环菌素类、大环内酯类、氯霉素

（4）抑制核酸合成药物：

     利福霉素、丝裂霉素

（5）抑制生物能量反应药物：

     抗菌素、短杆菌肽

4、根据药物的化学结构分类

（1）β-内酰胺类药物

（2）四环素类药物

（3）氨基糖苷类药物

（4）大环内酯类药物

（5）多烯类药物

（6）多肽类药物

（7）安莎霉素类药物

（8）苯烃基胺类药物

（9）蒽环类药物

（10）多醚类药物

（11）核苷类药物

十、微生物药物作用机制的研究

（1）完整细胞水平

一个非常有用的方法是在敏感细胞的培养物中，添加待测药物，然后观察药物对大分子如DNA、RNA和蛋白质、肽聚糖等合成的影响。

利用添加放射性标记的特异性前体，可以对这些合成过程进行跟踪，如用标记的胸苷示踪DNA的合成，尿苷示踪RNA的合成，苯丙氨酸示踪的合成。

（2）部分纯化的无细胞体系

一旦确定了药物的原初反应，接着就必须阐明药物干扰的以下过程：①前体物合成或酶的激活；②参与的酶或细胞器；③决定前体物掺入聚合物的信号系统等。要进行这类研究，需要制备部分纯化的细胞抽提物。

（3）纯化的酶系统

在多酶反应体系中，每一种成分都可能成为药物的作用靶位置。通过放射化学法或检测蛋白质色谱变化或蛋白质电泳迁移率的变化，可以鉴定出与药物结合的靶蛋白。

还可以从耐药的细胞中分离出突变的靶蛋白，进一步将原始细胞株中的靶蛋白用突变的组分替代后构建的重组系统，根据药物抑制作用的消失与否确定靶蛋白中与药物活性相关的组分。

十一、微生物药物的应用

1、治疗疾病

通常，能够用于治疗某一种疾病的候选药物的品种很多，人们在选用药物时应考虑如下几个方面的因素。

（1）抑菌谱

每种药物都有抑菌谱，每种药物都不能抑制所有的病原体，甚至不同的细胞株系对药物的敏感性也会不同。因此，在选用治疗某种病症的药物之前，使用者或指导者应该知道病症和药物的抑菌谱。

（2）毒副作用

如氨基糖苷类抗生素导致耳毒症，四环素导致光敏症。

任何药物都能刺激免疫系统，严重的出现超敏反应或变态反应。有的还导致发烧、白细胞减少、再生障碍性贫血、血管性水肿和过敏性休克。

因此，还必须考虑药物治疗引起的不良反应。

（3）药代动力学

药物治疗的剂量和频率是建立在药理学和临床试验的基础上的。药物只有在病灶部位达到一定浓度时才有效，剂量太低或剂量合适但间隔时间太长均可能达不到治病效果。此外，剂量不足或不规范的治疗可能会造成耐药性突变株的产生。

（4）流行病学和耐药性

某些病原菌不易产生耐药性，如在许多国家，肺炎链球菌在使用青霉素50年后也未出现可观察到的耐药性。但有些致病菌在随着药物的使用而变得有耐药性。因此，在选用药物时必须掌握所在地区不同致病菌耐药性的分布及其变化。此外，还应知道：① 特定菌群的耐药分布并不是一成不变的，而是随着地区内该抗菌药物的使用而发生变化；② 耐药菌株的出现频率随着抗菌药物的使用增加而增加；③ 耐药性可转移菌株的出现频率与微生物菌群浓度有关。

（5）联合用药

在治疗疾病时，经常采用联合用药的方法，即同时使用两种或更多种药物。联合用药可以：① 避免耐药性菌株的出现。对病原菌联合使用两种无交叉耐药性的药物时病原菌发生抗性突变的频率极低，只有菌株对两种药物同时发生耐药性突变时，病原菌才能存活；② 扩展治疗的抗菌谱。将两个抗菌能力有限但具有不同抗菌谱的药物联用，抗菌谱会更广。但应同时考虑相互之间不应有拮抗作用；③ 增强治疗效果。即两种药物同时使用的治疗效果应大于或等于两种药物单独使用之和。但应考虑联合用药可能出现的毒性增强或毒性改变。因此，每个新的组合应视为一种新药，并进行动物毒理学和人体的药代动力学研究。

2、预防疾病

预防胜于治疗。微生物药物不但可以用于治疗疾病，也常常用来预防临床上可能发生的感染。但应谨慎地运用药物，尤其是抗菌药物。否则可出现弊大于利的情况，如耐药性菌株的出现、引起不良反应、过敏反应等。预防性使用药物时应注意：

（1）用于极可能会出现感染的情况

  ① 大面积烧伤时容易感染金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌；② 某些外科手术，如开胸和髋关节手术；③ 链球菌对喉部的感染，可能会导致风湿；④ 脑膜炎双球菌和嗜血流感菌的健康携带者。

（2）正确选择

因为明确的感染是可以预见的，可以针对感染微生物的敏感性选择适宜的抗菌药物。

（3）给药时间

确保抗菌药物在可能发生感染时达到可能的病灶部位。如果不能预见到再次感染的时间，如风湿热，预防性使用应延长一段时间。

3、兽医药中的应用

在兽医方面，抗生素广泛应用于预防和治疗个体或群体动物的疾病。

个体动物的治疗用于动物感染的肺炎、支气管炎、乳腺炎等。但对于那些用来食用的动物，必须在屠宰或收集蛋、奶之前停用抗菌药物很长时间，以避免药物通过食物链传递。

群体动物的预防和治疗，是对饲养场被感染的部分或全部动物给药。群体治疗有以下优势：① 同时治疗所有动物，阻断了感染源；② 对那些传染期无传染症状或有传染前症状的动物加以治疗，不影响动物的经济价值；③ 通过饮食给药简便且易于控制。但群体治疗也有不利之处：① 很难准确掌握对个体的药物剂量；② 饲料拌药的形式、周期、技术等方面困难。

4、改善畜牧业产品的生产

抗生素由于能提高动物的生长速度而在动物营养方面广泛应用了多年。抗生素影响动物生长的可能机制是：① 抑制产毒素的肠道细菌；② 抑制无症状致病菌；③ 抑制食物中的有害菌；④ 通过抑制有害菌的生长而促进有益菌的生长。

5、在农业上的应用

目前，已有一定数量的微生物药物被开发应用于农业。较为重要的应用有：① 抑制植物致病细菌感染。如链霉素可以用来防治欧文菌和真菌的感染；② 控制植物致病真菌感染。比较重要的有杀稻瘟菌素S、多氧菌素、放线菌酮和春雷霉素等；③ 除草剂。研究最深入的除草剂是谷氨酰胺抑制剂二丙胺磷。

6、作为研究工具

许多微生物的代谢产物，包括有治疗和无治疗价值的微生物药物，由于它们特殊的作用机制，在生物学研究中是重要的研究工具。① 细胞代谢中生物分子功能的阐明。蛋白质合成过程中许多细节就是采用了放线菌酮和氯霉素等抑制剂而得到阐明的；② 绘制微生物遗传图谱。大肠杆菌RNA聚合酶基因在染色体上的定位就是利用其对利福平的抗性而定位的；③遗传操作。抗菌药物的抗性基因可以作为优良的遗传标记。

第四节  药物微生物技术

一、生物技术的目标

    寻找、发现、利用、开发生物的各种特异的功能，最终发展成商业产品或技术流程。在过去的20多年里，现代生物技术的发展就像任何一个新技术那样：由缓慢的开始期，进入高速增长期，然后形成巩固和渗透的成熟期。现代生物技术是一个强大的、可信赖的、但具有相对风险的技术，与工业应用形成大规模的交叉。

二、药物微生物技术

药物微生物技术是以寻找和开发应用微生物或微生物药物为目的的科学手段。

传统的药物微生物技术以建立完好的微生物分类学体系，并需要对微生物生态学完全充分的理解为基础。然而在过去的10年里，科学和技术的进步革新了很多的方法，传统的许多方面被新的策略所替代。基因组学、蛋白质组学、生物信息学、高通量筛选及基因芯片技术等。

三、研究进步

寻药是药物微生物技术的根本和目的。各种新技术、新方法、新思维在药物微生物技术中的应用也更多地表现在如何最大限度地发现和创造微生物新代谢产物上。发现新药的进步表现在：

① 利用药物筛选模型实现药物的高通量筛选，提高药物的筛选水平。

② 扩大筛选药物的微生物范围。如海洋微生物资源、极端微生物资源、粘细菌资源。

③ 研究开发不能培养或难培养药物微生物。下载本文