항생제 롤라마이신은 장내 미생물을 손상시키지 않고 위험한 박테리아를 죽이는 것으로 밝혀졌습니다.

네이처(Nature) 지에 최근 게재된 연구에 따르면, 미국 과학자들은 그람 음성균의 지단백질 수송계를 표적으로 하는 새로운 선택적 항생제인 로라마이신(lolamycin)을 개발하고 발견했습니다. 연구진은 로라마이신이 다제내성 그람 음성균에 효과적이며, 마우스 감염 모델에서도 효능을 보였고, 장내 미생물군을 보존하며, 2차 감염을 예방하는 것으로 확인했습니다.

항생제는 장내 미생물군집을 교란시켜 클로스트리디움 디피실레(C. difficile)와 같은 병원균에 대한 감수성을 높이고 위장관, 신장, 혈액학적 질환의 위험을 증가시킬 수 있습니다. 그람 양성균이든 광범위 항생제든 대부분의 항생제는 장내 공생균에 해를 끼치고 장내세균총 불균형을 유발합니다. 그람 음성균 항생제만이 장내세균총에 미치는 영향은 그 희귀성 때문에 불분명합니다. 대부분의 항생제 표적이 그람 양성균과 그람 음성균 모두에 공통적이기 때문에 검출이 어렵습니다. 장내 미생물군집에는 그람 음성균이 많이 포함되어 있기 때문에 콜리스틴과 같은 항생제를 혼합하여 사용하면 심각한 장내세균총 불균형을 유발하여 사용이 제한될 수 있습니다.

그람 음성균의 지속적인 감염으로 인해 새로운 항균제에 대한 수요가 증가하고 있음에도 불구하고, 지난 50년 동안 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 새로운 계열의 항생제는 없습니다. 그람 음성균의 복잡한 막 구조와 유출 펌프 때문에 개발 과정이 복잡합니다. 미생물군집을 보존하는 그람 음성균 전용 항생제를 개발하려면 병원성 세균과 공생 세균 간에 상당한 상동성 차이를 보이는 그람 음성균 고유의 중요 단백질을 표적으로 삼아야 합니다. 이 연구에서 과학자들은 다양한 그람 음성균에 중요한 주변질막 지단백질 LOL 수송 시스템을 표적으로 하는 롤라마이신이라는 새로운 항생제를 개발하고 보고했습니다.

이 연구에서 연구진은 그람 음성균의 Lol 시스템의 핵심 구성 요소인 LolCDE를 표적으로 삼았습니다. 이 시스템의 잠재적 억제제를 찾기 위한 스크리닝을 수행한 후, 합성하여 평가했습니다. 로라마이신의 효능은 다제내성 임상 분리주인 대장균, 폐렴간균, 그리고 결장직장균(E. coli)에 대해 시험했습니다. 로라마이신 및 기타 화합물에 대한 감수성 연구를 수행했습니다.

로라마이신 내성 돌연변이체를 개발하여 적합도를 비교하였다. 로라마이신의 살균 활성은 성장 곡선을 이용하여 연구하였다. 공초점 현미경을 이용하여 표적 세균의 표현형 변화를 관찰하였다. 분자 모델링 및 동적 시뮬레이션, 앙상블 도킹, 클러스터 분석을 통해 로라마이신의 결합 부위와 저해 기전을 규명하였다.

또한, 마우스에 피리딘피라졸(화합물 1)과 로라마이신을 3일 동안 복강 내 투여했습니다. 로라마이신의 생체이용률을 평가하기 위해 약동학 연구를 수행했습니다. 감염 모델을 사용하여 폐렴 및 패혈증 치료에 있어 로라마이신과 화합물 1의 효능을 비교했으며, 로라마이신은 경구 투여했습니다. 마우스의 미생물군집은 16S 리보솜 RNA 시퀀싱을 통해 분변 샘플을 이용하여 분석했습니다. 또한, 항생제를 투여한 마우스를 클로스트리디움 디피실레(C. difficile)에 노출시켜 병원균을 스스로 제거하는 능력을 평가했습니다.

LolCDE 복합체 억제제인 로라마이신은 특정 그람 음성 병원균에 대해 높은 활성을 보였으며, 대장균 내 축적률은 낮았습니다. 로라마이신은 그람 양성 및 그람 음성 공생균 모두에 대해 선택성을 보였습니다. 포유류 세포에 대한 독성은 최소화되었으며, 사람 혈청 존재 하에서도 효능을 유지했습니다. 로라마이신은 다제내성 임상 분리균주인 대장균, 폐렴간균, 그리고 결장직장균(E. cloacae)에 대해 높은 활성을 보였습니다. 로라마이신은 최소 저해 농도 범위가 좁고 다제내성 균주에 대한 효능이 우수하여 다른 화합물보다 우수한 성능을 보였습니다.

내성 균주에서 lolCDE의 염기서열 분석 결과, 로라마이신 내성과 관련된 돌연변이는 발견되지 않아 유망한 항생제 후보 물질로서의 잠재력을 시사했습니다. 로라마이신은 균주 간 내성 발현 빈도가 낮았습니다. LolC와 LolE 단백질이 표적 단백질로 확인되었으며, 특정 돌연변이는 내성과 관련이 있었습니다. 로라마이신은 시험된 세균에 대해 살균 또는 정균 활성을 나타냈습니다. 로라마이신 처리된 세포에서 부종이 관찰되었는데, 이는 지단백질 수송 장애를 시사합니다. 로라마이신 내성 돌연변이는 처리에 대한 표현형 반응의 변화를 보였으며, 이는 LolC와 LolE의 관여를 확인시켜 주었습니다.

로라마이신은 BS1과 BS2에서의 결합을 경쟁적으로 억제함으로써 지단백질 수송을 저해했습니다. 소수성 상호작용이 우세한 것으로 나타났으며, 이는 1차 아민을 갖는 화합물의 효능 감소를 설명합니다. 내성 유발 돌연변이는 로라마이신의 결합 친화도에 영향을 미쳐 결합 부위 불안정화에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 로라마이신은 대장균 AR0349, 폐렴간균, 결장직장균(E. coli AR0349), 대장균(K. pneumoniae), 결장직장균(E. cloacae)과 같은 다제내성균이 포함된 감염 모델에서 화합물 1보다 세균 수 감소 및 생존율 증가에 우수한 효능을 보였습니다.

로라마이신의 경구 투여는 콜리스틴 내성 대장균에 감염된 생쥐에서 유의미한 생체이용률과 효능을 보였으며, 세균 수를 감소시키고 생존율을 증가시켰습니다. 로라마이신은 아목시실린과 클린다마이신에 비해 장내 미생물총의 풍부함과 다양성을 유지하면서도 장내 미생물총에 미치는 영향은 최소화했습니다. 로라마이신을 투여한 생쥐와 대조군은 클로스트리디움 디피실레(C. difficile)의 집락 형성이 미미했습니다. 반면, 아목시실린 또는 클린다마이신을 투여한 생쥐는 클로스트리디움 디피실레를 제거하지 못했으며, 실험 기간 내내 높은 집락 형성을 보였습니다.

결론적으로, 이 선구적인 연구는 로라마이신이 장내 미생물군 손상을 최소화하고 이차 감염을 예방할 수 있는 특정 항생제임을 확인했습니다. 이 약물의 임상적 적용 가능성을 확인하기 위해서는 추가적인 연구와 임상 시험이 필요합니다. 앞으로 로라마이신의 미생물군 보존 효과는 임상에서 기존 광범위 항생제에 비해 상당한 이점을 제공하여 환자 치료 결과와 전반적인 건강을 개선할 수 있을 것입니다.