ストレプトマイセス

は、真菌に似た糸状の形態で様々な環境下で生育するグラム陽性菌属である。 Streptomycesの形態的分化は、菌糸の層が形成され、胞子の連鎖に分化することが特徴である。 この過程はグラム陽性菌の中では特異であり、特殊で協調的な代謝を必要とする。 放線菌の最も興味深い性質は、抗真菌剤、抗ウイルス剤、抗腫瘍剤、抗高血圧剤、そして主に抗生物質や免疫抑制剤などの生物活性二次代謝産物を生産する能力である1。-もう一つの特徴は、発芽した胞子が菌糸を形成し、多核の菌糸が一定間隔で隔壁を形成し、無核の胞子が連鎖する複雑な多細胞体である4

胞子が温度、養分、水分などの好条件になると、胚珠を形成し菌糸を発達させる。 その後、気生菌糸が続き、ステージセットによって成長、細胞周期などさまざまな過程が組織化される。 胞子形成細胞は50以上の染色体コピーを持つことがある。胞子形成時の染色体の順序、位置、分離は線形で、少なくとも2つのシステム（ParABとFtsK）が関与し、頂端細胞の分化と胞子鎖への隔壁形成を導く。 S. coelicolorでは、他にも空中菌糸の胞子形成に必須な遺伝子、例えばwhiG、whiH、whiI、whiA、whiB、whiDがいくつか報告されている。 Streptomycesに胞子が存在することの説明は、おそらく植物や無脊椎動物の外、あるいは極限環境で生き残る必要性を伴う選択圧の下でこれらの断片が菌糸状に出現したことによると考えられる。

これらの厳しい環境下で胞子が生き残る能力は、いくつかの種では胞子に含まれる色素や香りにより増大し5、細胞の発達や二次代謝物の生産を促したのだろう6。 また、菌糸の先端部は、膜タンパク質や脂質が分泌される最も重要な部位であると考えられており、特に生育の先端部において重要である。7 一部の放線菌では、二次代謝と分化が関連していることがある。系統学的には、放線菌はグラム陽性菌群の一部であり、遺伝物質（DNA）が大腸菌などの他の細菌（50%）と比較してGCに富む（70%）グループである。 ストレプトマイセスが重要視されている理由の一つは、代謝産物の生産量が多く、その生物変換プロセス、リグノセルロースやキチンの分解能力、有機物の生物学的循環における基本的な役割などから、最も数が多く最も汎用性の高い土壌微生物の一つであるためである10。 S. griseusは、抗生物質ストレプトマイシンの工業生産に使用された最初のストレプトマイセスであり、S. coelicolorは、遺伝子研究に最も広く使用されている種である。 表1.2240＞＜5888＞＜5888＞＜1997＞Streptomycesとそのゲノム配列。

S. coelicolorのゲノムは、例えば、60のプロテアーゼ、13のキチナーゼ／キトサナーゼ、8のセルラーゼ／エンドグルカナーゼ、3のアミラーゼ、2のパクタトリアーゼなど多数の分泌タンパク質（819）をコードしている。 また、ストレプトマイセスは有機物の初期分解にも重要であり、そのほとんどが腐生菌である11

ほとんどの抗生物質の生産は種特異的であり、ストレプトマイセス属は接触しうる他の微生物、あるいは同じ属内でも競争できるように、これらの二次代謝産物が重要である。 抗生物質の生産に関わるもう一つの重要な過程は、抗生物質が植物を病原体から守り、植物の滲出物が放線菌の発達を可能にするという放線菌と植物の共生である12。文献上のデータから、いくつかの抗生物質はシグナル分子として起源を持ち、ストレス反応とは無関係ないくつかの遺伝子の発現変化を誘導することができることが示唆されている11。

抗生物質

抗生物質の発見が成功し、その製造方法が進歩したにもかかわらず、感染症は依然として世界の死因の第2位であり、細菌感染症は主に子供と高齢者に影響を与え、年間約1700万人が死亡している。 ストレプトマイセス由来の抗生物質の歴史は、1942年のストレプトトリシンの発見に始まり、その2年後のストレプトマイシンの発見により、科学者は同属の抗生物質の探索を強化するようになった。 今日、抗生物質の80％は放線菌属から供給されており、放線菌は最も重要である16。このことは、Fig. 1.

Mechanism of action of antibiotics

この作用の分子基盤はよく分かっており、主要標的もよく分かっている。 それらは、細菌の増殖を抑制する基本原理である必須細胞機能を標的とした抗生物質の相互作用によって分類される17。これは、分子とその特定の標的との物理的相互作用に始まり、生化学的、分子的、構造的変化を伴う複雑なプロセスであり、次のような複数の細胞内標的に作用する。 1）DNA複製、2）RNA合成、3）細胞壁合成、4）タンパク質合成（図2）

DNA replication

DNA gyrase (topoisomerase) は切断パターンとDNA結合を触媒してDNAのトポロジーを制御している。 この反応はDNA合成とmRNAの転写に重要であり、キノロン・トポイソメラーゼ-DNAの複合体切断は複製を妨げ、細菌の死をもたらす18-20

RNAの合成

原核生物においてDNA依存性RNAポリメラーゼは転写過程を仲介し、遺伝子発現の主制御因子である。 この酵素過程は細胞の成長に不可欠であるため、抗生物質の魅力的なターゲットとなっている。 リファマイシンは、RNA/DNAチャネルのβ-サブユニットと親和性の高い安定な接続を利用してRNAの合成を阻害し、転写の開始を阻害して活性部位を分離し、リボヌクレオチド鎖の成長経路をブロックする18-20。 ペプチドグリカンの生合成は3段階あり，第1段階は細胞質で行われ，低分子量の前駆体が合成される。 第2段階では、膜結合型酵素によって細胞壁合成が触媒される。第3段階では、細胞壁酵素のβ-ラクタムや糖鎖合成の重合を阻害し、トランスペティドに作用することで抗生物質が働く18-20

タンパク質合成

mRNAの翻訳過程は、開始、伸長、終結という3段階を経て細胞質リボソームや他の構成要素が関与して起こる。 リボソームは2つのサブユニット（50Sと30S）から構成されており、これらはタンパク質合成を阻害する主な抗生物質の標的である。 マクロライドは50Sサブユニットをブロックしてペプチド鎖の形成を妨げることにより作用する。30SサブユニットのテトラサイクリンはアミノアシルtRNA-リボソームのアクセスをブロックすることにより作用し、スペクチノマイシンはリボソームと結合するペプチジルtRNAの安定性を阻害し、ストレプトマイシン、カナマイシン、ゲンタマイシンなどは30Sリボソームサブユニットの一部である16S rRNAに作用する18。-20

細胞質膜

細胞質膜は、水、イオン、栄養分の拡散バリアーとして働く。 輸送系は主に脂質、タンパク質、リポタンパク質で構成されている。 Daptomycinはカルシウム依存的に細菌の細胞質膜に挿入してイオンチャネルを形成し、細胞内のカリウムを放出する引き金となる。 いくつかの抗生物質は、膜の破壊を引き起こすことができる。 これらの薬剤は、カチオン性、アニオン性、および中性に分けられる。 最もよく知られた化合物はポリミキシンBとコリステメテート（ポリミキシンE）である。 2006年にメルク社から発売された最新の抗生物質（プラテンシマイシン）は、細菌の細胞膜に必要な脂肪酸の生産に重要な酵素であるβ-ケトアシル合成酵素I/II（FabF/B）を阻害することにより作用するため、従来のものとは異なるメカニズムを持っている13。

耐性

二階堂20によると、年間10万トンの抗生物質が生産され、農業、食品、健康などに使用されている。 その使用は細菌の集団に影響を与え、抗生物質耐性を誘発する。 この耐性は、突然変異などの遺伝的変化や水平伝播による耐性遺伝子の獲得によるものと考えられ、異なる分類の生物で起こることが多い21,22。突然変異は、薬の作用部位に変化をもたらし、抗生物質の作用を妨げる23。耐性遺伝子の多くは、抗生物質の生合成遺伝子と同じクラスターに存在している24。 自然界では、抗生物質の主な機能は競争相手の阻害であり、化学修飾（加水分解）、作用部位の変化、膜透過性の変化により、これらの化合物を不活性化するように誘導される25。 都市土壌から採取した放線菌を用いて行った研究によると、ほとんどの株が複数の抗生物質に耐性を持っており、この環境ではこれらの遺伝子が頻繁に発現していることが示唆されている20。多くの耐性遺伝子はプラスミド（プラスミドA）上に存在し、感受性株との抱合によって受け渡される。これらのプラスミドは安定で、耐性遺伝子を発現することができる26。 特定の抗生物質に対する感受性は、細菌の生理学的状態や抗生物質の濃度に影響されることがある。このことは、バイオフィルムにおいて、パーシスター形成として知られるメカニズムによって観察されることがある。つまり、細菌の小さな亜集団は、特定の耐性メカニズムを持たずに抗生物質の致死濃度を生き延びているが、このメカニズムは高レベルの耐性はもたらさない27

バイオフィルムで増殖する微生物は慢性および反復性のヒト感染と関連し、抗菌剤に対する耐性を持っている28。 耐性株の蔓延は、抗生物質の使用だけでなく、人の移動も関係しており、抗生物質の使用が非常に制限されている遠隔地のコミュニティの人々の間で耐性株が拡散している。24 新しい抗生物質の入手が困難なため、医薬品業界は既存の抗生物質に変更を加えている。これらの半合成体はより効率がよく、耐性の原因となる酵素による不活性化の影響を受けにくくなっている。 29,30

ゲノムと新しい抗生物質

多くの病原体のゲノムが入手可能になり、何百もの遺伝子が新しい抗生物質の標的として評価されるようになった。 遺伝子は、その遺伝子が不活性な間は細菌が生存できない場合に必須であると認識され、低分子化合物がその活性を変化させることができる場合にターゲットとなりうる31。遺伝子解析は、ある細菌では重要だが別の細菌ではそうでない機能をコードしている場合があることを示している32。 グラクソ・スミスクライン社は、バクテリアが耐性を獲得するのを防ぐために、トポイソメラーゼIIに作用する抗生物質GKS299423の研究を行いました35

用途

抗菌剤（抗生物質）に対する世界の需要は確実に伸びています。 20世紀に発見されて以来、抗生物質は感染症の脅威を大幅に減少させた。 この「奇跡の薬」の使用は、衛生、住宅、食糧の改善、集団予防接種プログラムの出現と相まって、かつて蔓延し、しばしば致命的であった病気による死亡を劇的に減少させることにつながった。 長年にわたり、抗生物質は何百万人もの命を救い、苦しみを和らげてきた。

病原菌の耐性化が進み、治療が困難な重症感染症が発生し、カルバペネム耐性肺炎菌36,37やその他の微生物のように、状況はさらに複雑になっています38。耐性菌による感染症は治療に反応せず、病気の長期化と死の危険性が高くなるのです。 39

細菌が第一世代の抗生物質に耐性を持つようになると、治療は第二世代または第三世代の薬剤に変更しなければなりませんが、それらはしばしばはるかに高価で、時には毒性もあります。 たとえば、多剤耐性肺炎球菌、黄色ブドウ球菌、肺炎桿菌、結核菌の治療に必要な薬剤は、非耐性型の治療に使われる第一世代の薬剤の 100 倍の値段になることがあります。 最も心配なのは、事実上すべての抗生物質に対する耐性が増加していることです。

製薬業界は、使用中の薬に代わる新しい薬の開発努力を強化していますが、現在の傾向では、今後10年以内に有効な治療法がなくなる感染症もあると考えられています。 40,41 抗生物質の使用は耐性を獲得するための重要な要素である。逆説的ではあるが、抗生物質へのアクセス不足や不十分な治療による使用不足は、過剰使用と同じくらい重要な役割を果たす可能性がある。 これらの理由から、耐性菌の出現と蔓延を防ぐためには、適切な使用が優先されます。 抗生物質の不適切な使用の主な原因は、患者に関連する要因である。 例えば、多くの患者は、新薬や高価な薬剤は古い薬剤よりも効果があると信じている。

不必要な支出を引き起こすことに加え、この認識は、これらの新薬やそのクラスの古い薬剤に対する耐性の選択を促進する42。抗生物質の自己投薬も、患者が十分な量の薬剤を服用しない場合があるので、耐性化を促進する重要な要因である。 43

医師は、適切な適応症がない場合でも、患者の期待に応えるために、あるいはメーカーの影響によって、抗生物質を処方するよう圧力をかけられることがある。 一部の医師は、ウイルス感染を治すために抗生物質を処方する傾向があり、他の感染症には効果がない。 文化的背景によっては、注射で投与される抗生物質が経口剤よりも効果的と考えられている。 病院は、世界的に抗菌薬耐性問題の重要な構成要素となっています。14,44 高い感受性を持つ患者、重症感染症患者、抗生物質の強力かつ長期的な使用が組み合わさり、制御困難な高度耐性院内感染が発生し、病原菌の根絶には高い費用がかかります。

世界保健機関（WHO）は2001年9月に、抗菌薬の出現と拡散による重大問題に対処すべく初の世界戦略を打ち出しました。 この戦略は「抗菌薬耐性抑制のためのWHO世界戦略」45と呼ばれ、抗菌薬耐性がすべての国で取り組むべきグローバルな問題であることを認識している。 この戦略は、抗菌薬耐性が世界的な問題であり、すべての国で取り組むべきものであると認識しています。 その責任の多くは各国政府にあり、抗生物質の開発、認可、流通、販売を管理する法律や政策の導入に関わる戦略と介入に特に注意が必要である46

細菌耐性に対して有効な新しい抗生物質を見つけることは不可能ではないが、それは複雑で難しい研究分野である。 また、抗生物質は一般的に投資のリターンが比較的低いため、近年、製薬業界の主要な焦点となっていない分野であり、医薬品開発の高い水準もこの関心の低さに影響している。

抗生物質の世界市場の成長傾向が期待されるものの、その長期的成功は主に二つの主要因-耐性と後発品競争-によって影響される。 抗生物質耐性は使用量の削減を余儀なくされる。 抗生物質耐性の増加は、感染症の治癒を困難にしています。 また、新しい抗生物質を見つけるのが難しいということも大きな欠点です。 大企業は、新しい抗生物質の開発において、a) 標的が明確である、b) 研究方法が効果的に確立されている、c) モニタリング用のバイオマーカー、d) 投与を研究するための高度なツール、e) 規制機関による承認の迅速化などの利点を持っているが、抗生物質の投資に対するリターンは低く、450億ドルの市場を代表しながら、心血管問題や中枢神経系の薬に次ぐものだから、他の病気を優先させてきた47。 キュービストが開発しリリーにライセンスされたダプトマイシンのように、大企業が新しい抗生物質の開発の責任を中小企業に転嫁しているケースもある49

Perspectives

こうしたシナリオにもかかわらず、一部の企業は新しい抗生物質の開発を維持する社会的立場と責任を確立している。 その一例が、結核との闘いにおけるこうしたパートナーシップの可能性である。 今日、多剤耐性結核は毎年50万人が罹患し、治療には2年かかり、治癒するのはその半分で、主に人間開発指数の低い地域で発生しています。

新しい治療法の開発を加速させるため、重要な協力組織である結核アライアンスは、臨床試験の最終段階の支援と創造的資金提供メカニズムを模索しています。 もう一つの重要な活動は、新しい物質の単離のために、海洋環境などの異なる環境における微生物の収集である。これらの研究は、これらの環境放線菌を評価する重要な結果を達成している30,50。 また、アマゾン・バイオテクノロジー・センター（CBA）は、アマゾン地域の微生物を研究している。この地域は、微生物の多様性が高く、新しい抗生物質を生産する能力があるため、主に結核菌に関して優れた結果が得られている。 主な課題は、抗生物質開発の商業的な実行可能性を確保するための解決策を見つけるために、規制のレベルで残っています。 これらの企業の合併は、競合する研究開発グループの数を減らすという直接的な影響を与えます。このような変化は、しばしば研究開発の治療分野の戦略的見直しを引き起こし、新しい抗生物質の開発は、より商業的に魅力的である他の分野と競争しなければならなくなるのです。

最初の抗生物質が市場に導入されるまで分子的な作用機序が不明であったのとは対照的に、技術の進化（機能ゲノミクス）により、抗生物質標的の作用機序と細菌の特異的耐性発現の相互作用を評価することが可能になった51,52。 技術的な観点からは、新しい技術を用いた新しい抗生物質の研究に専念し続ける企業が成功を収めるだろう。