镓的抑菌杀菌机制

背景及概述^[1]

镓作为一种诊断和化疗药物有着悠久的历史。镓化合物最早应用于临床是在19世纪60年代末，研究发现注射到移植肿瘤动物体内的放射性柠檬酸镓(67Galliumcitrate, ⁶⁷Ga)会集中在肿瘤快速生长的部位。之后的研究在人体内也证实了这些发现，⁶⁷Ga可以作为肿瘤定位物和亲肿瘤扫描剂。在多种恶性肿瘤中评估发现⁶⁷Ga对淋巴癌最具诊断价值，可以用来判断肿块在治疗之后是否存活。⁶⁷Ga可以被肿瘤吸收，其他的非放射性镓化合物也能聚集到肿瘤生长部位并且抑制肿瘤的生长。

抑菌杀菌机制^[1]

镓的药理性质与核半径、配位化学和电离势有关。 Ga³⁺的八面体离子半径为0.620Å，而高自旋Fe³⁺为0.645Å。此外，对于Ga³⁺和Fe³⁺，四面体离子半径分别为0.47Å和0.49Å。 Ga³⁺的电离势和电子亲和力分别为64eV和30.71eV，而对于高自旋Fe³⁺，它们分别为54.8eV和30.65eV。这些特征使镓和铁有相似性，生物系统可能无法分辨镓和铁。外源性镓在进入胞内后可以取代蛋白结构中的铁。铁转运蛋白，如转铁蛋白(transferrin)和乳铁蛋白(lactoferrin)，能够与镓结合并输送到细胞。在pH为7.4和25℃情况下，Ga³⁺的溶解度约为1mmol/L(98.4%[Ga(OH)₄]^-，1.6%Ga(OH)₃)，而Fe³⁺溶解度只有10⁻¹⁸mol，因此生理条件下，在少量非蛋白结合的Ga³⁺存在的溶液中，仅有极少量的非蛋白结合的Fe³⁺，允许镓替代铁进行生物学相互作用，但是不可能完全替代Fe³⁺。铁对于大多数微生物的新陈代谢和生长是至关重要的。病原微生物入侵宿主后，必须从宿主中获得游离的铁离子才能满足正常的生长。许多动物物种，包括人类，利用铁的可用性作为宿主防御的手段。在宿主体内，三价铁主要与铁转运蛋白结合，或以铁蛋白(ferrin)的形式储存在细胞内，或结合在血红素(heme)分子，游离Fe³⁺(＜10^-18mol/L)可以忽略不计，从而限制了自身Fe³⁺进入病原菌。在治疗上，利用病原微生物的铁依赖性抑制了多种细菌性疾病。镓正是利用细菌对铁的依赖性发挥抗菌作用，细胞内的镓通过代替铁进入必要的蛋白质和酶而扰乱铁代谢。Fe³⁺还原为Fe²⁺是许多细胞代谢的关键步骤，因为许多蛋白质需要Fe³⁺作为关键辅助因子。与铁不同，镓在生理条件下不能还原，因此不能参与氧化还原反应，最终抑制细菌的基本功能，抑制细菌生长甚至导致细菌死亡。

在迄今为止研究的任何细菌中，镓的抗菌活性都可以被过量的铁所抵消。许多含铁酶参与细菌的关键功能，如DNA合成和修复、蛋白合成、呼吸和氧化应激反应在DNA合成的关键酶—RDR酶(ribonucleoside diphosphate reductase)中，就存在镓与铁的竞争。研究证实，镓是从结核分枝杆菌中纯化出来的RDR酶的有效抑制剂。镓参与多种代谢途径，包括Fe³⁺依赖和独立的酶，可能对细菌细胞引起多种有害影响。快速增长的细胞，如癌细胞和细菌，对铁的需求最高，同时代谢也最旺盛，因而镓诱导的代谢对这些细胞杀伤能力最强。镓是潜在的有效杀菌剂，由于大多数微生物都需要铁来存活，作为一种铁类似物，镓有可能作为广谱抗感染药物发挥作用。但是镓的抗菌活性是依赖于对细菌铁代谢的一般干扰还是对特定的酶或者是细胞通路的抑制，仍然是一个悬而未决的问题。不管作用机制如何，镓要想发挥其功能，就必须要进入细菌以达到其分子靶点，因此首先应该探究镓如何进入细菌内。然而镓被细菌内化的方式还不清楚，需要在分子水平上做进一步研究来阐明镓进入细菌的途径。镓在微生物生理学和生物系统中没有已知的作用，生物无法区分铁和镓，已有研究表明镓可以和铁载体结合，因此最合理的假设是，镓利用铁转运系统穿过细菌的细胞膜，而不是通过专门的运输系统。另外由于胞内游离铁浓度较，细菌难以生存，它们已经进化出精致的铁获取和吸收机制，即从宿主环境获得原本被隔离的铁。

细菌通过3种主要机制来摄取铁，分别是基于铁载体的铁转运系统、基于血红素的铁转运系统和基于转铁蛋白与乳铁蛋白受体的铁转运系统。大多数微生物都有冗余的铁转运系统，所以一个成功的镓类抗菌药物开发策略将取决于铁转运系统目标的选择和合理的分子设计。目前在抗菌方面研究的镓制剂都由镓和配体构成，配体一方面通过与镓形成配合物阻止氢氧化镓不溶物的形成，提高镓的生物利用度；另一方面通过不同的铁转运系统增大细菌对镓的吸收。简单的镓盐，如硝酸镓、麦芽酚镓，简单的镓铁载体复合物，如柠檬酸镓，都表现出良好的抗菌活性。目前研究人员正在利用致病性细菌和真菌产生的铁载体和血红素的结构特征合成新的镓配合物，靶向目标病原体。比如，柠檬酸镓被发现对许多细菌物种，包括大肠埃希菌具有抑制作用，但其对大肠埃希菌的抑制效果并不好，探究其原因可能是柠檬酸介导铁转运系统摄取镓的能力不足。而原卟啉镓对大肠埃希菌的MIC小于0.5mg/mL，表明在大肠埃希菌中原卟啉介导的基于血红素的铁转运系统能更好的吸收镓。而缺乏血红素参与铁转运系统的革兰阴性菌，如鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium)，则对原卟啉镓有耐药性。在分子水平上，还需要进一步的研究来阐明镓抑制细菌生长和导致细菌死亡的机制。一个有效获取镓作用机制的方法是筛选出镓耐受的变异体，寻找突变位点，然后通过组学技术和功能鉴定进行分析。研究人员利用转座子诱变和自发突变筛选出对硝酸镓耐药的铜绿假单胞菌，通过连续传代获得一株MIC增加12倍的自发突变的铜绿假单胞菌。基因组测序揭示64个突变位点，这些突变位点的基因大部分涉及代谢、膜运输、细胞分裂、 DNA重组修复、信号转导、铁载体和吩嗪的合成。该研究发现了一些参与镓适应和抵抗的细胞过程，表明镓在细菌细胞中可能具有多个作用靶点，但是仍未明确其基因调控的分子机制。

参考文献

[1]吕毅华, 李昕, 刘周,等. 镓在抗菌方面的研究进展[J]. 中国抗生素杂志, 2018, 043(004):394-400.