Science：揭开磺胺类抗生素产生副作用的分子机制

磺胺类药（Sulfonamides）是一类具有对氨基苯磺酰胺结构药物的总称，有广谱抗菌性。对革兰阳性和革兰阴性菌均有良好的抗菌活性。

德国病理学与细菌学家格哈德·多马克经过试验证明这种物质对于治疗溶血性链球菌感染有很强的功效。1933年报道了用百浪多息治疗由葡萄球菌引起的败血症，引起世界瞩目。进一步研究发现这种染料实际上是一种前药，在体外没有任何活性，在体内由它转化得到有生理活性的化合物便是早期被忽略的对氨基苯磺酰胺。伴随着世界大战，这一发现在医学界引发了一场磺胺浪潮。

现在，瑞士EPFL大学的科学家揭示了磺胺类抗生素产生副作用的分子机制，将帮助医生们采取措施将副作用减到最低。

自1932年科学家发现Prontosil以来，磺胺类抗生素已被广泛用于对抗多种细菌感染，从痤疮、衣原体感染到肺炎。不过这类药物也有副作用，会引起严重的神经问题，例如恶心、头疼、头晕、出现幻觉甚至精神错乱等。EPFL大学的研究人员在本期的Science杂志上，首次向人们展示了，磺胺干扰患者神经系统的确切机制。

目前，人们已经对磺胺的作用机制有所了解，但仍然不清楚这种药物产生副作用的确切机制。 结果导致，研究者们很难对磺胺类药物作出调整，更好的患者提供治疗。所幸的是，EPFL大学Kai Johnsson领导的研究团队解决了这个问题。

此前研究显示，阻断一个特定酶（sepiapterin reductase）的活性，会影响一个重要分子——四氢生物喋呤BH4（tetrahydrobiopterin）在细胞内的水平。BH4对于serotonin和多巴胺等神经递质的生物合成非常关键，而且BH4缺乏会引起与磺胺副作用类似的神经学问题。

EPFL大学的科学家们首次证实，磺胺实际上能够与合成BH4的酶结合。研究人员利用高通量的药物筛选系统，发现有十种磺胺类药物会强烈抑制这种BH4合成酶。随后，研究人员解析了这种酶的分子结构，并且明确了磺胺与之结合的分子机制。

研究显示，在体外培养的人类细胞中增加磺胺药物的用量会减少BH4的浓度，说明磺胺的确作用于合成BH4的生化通路。而且除了BH4，磺胺类药物还减少了多巴胺的实际产量。研究人员给体外培养的人类神经细胞施以不同剂量的磺胺，发现天然多巴胺产量的减少与磺胺剂量成正比。此外，研究人员指出，不同的磺胺类药物对多巴胺生产的影响并不相同。

这项研究首次展示，磺胺类药物会干涉神经递质的生物合成，从而产生神经学副作用。同时，研究结果也揭示了药物活性与分子结构的关联，有望帮助人们改善磺胺类药物的临床应用。

“这项研究揭示了药物产生副作用的分子机制，在此基础上人们可以开发相应策略，来减少药物的副作用，”Kai Johnsson说。“磺胺类药物无疑是历史上最重要的药物之一，而新发现使我们能够更好的理解它们。”

Tetrahydrobiopterin Biosynthesis as an Off-Target of Sulfa Drugs
ABSTRACT
The introduction of sulfa drugs for the chemotherapy of bacterial infections in 1935 revolutionized medicine. Although their mechanism of action is understood, the molecular bases for most of their side effects remain obscure. Here, we report that sulfamethoxazole and other sulfa drugs interfere with tetrahydrobiopterin biosynthesis through inhibition of sepiapterin reductase. Crystal structures of sepiapterin reductase with bound sulfa drugs reveal how structurally diverse sulfa drugs achieve specific inhibition of the enzyme. The effect of sulfa drugs on tetrahydrobiopterin-dependent neurotransmitter biosynthesis in cell-based assays provides a rationale for some of their central nervous system–related side effects, particularly in high-dose sulfamethoxazole therapy of Pneumocystis pneumonia. Our findings reveal an unexpected aspect of the pharmacology of sulfa drugs and might translate into their improved medical use.