第一章：Aspergillus 的發現與人類歷史
Aspergillus是1729 年義大利牧師兼植物學家 Pier Antonio Micheli 發現的。
他用顯微鏡看黴菌孢子時，發現那個形狀長得很像天主教神父灑聖水用的器具——叫
aspergillum，於是取名Aspergillus。
中文翻作麴菌，這個麴字，最早出現在先秦時期《尚書，說命下》是目前最早提到麴的記載，「若作酒醴，爾惟麴糵，若作和羹，爾惟鹽梅。」麴糵=麴，梅=醋，這句指的是君王雖然有美質，還是需要賢臣的輔佐，才可以成為有德行的君王，就像酒需要麴和醋的幫助，才能成為美酒。用米麴釀酒是西元前1000-2000年(商周時代)就有的技術。麴菌應該是1880年代日本學習西方知識後創造的詞彙 麹菌（こうじきん），中文又把他拿來用，概念跟和製漢語: 社會、經濟、自由、科學…都一樣
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門 |
Zygomycota (接合菌門) |
Ascomycota (子囊菌門) |
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菌絲 |
Non-septate cell wall, multi nuclei  |
Septate cell wall, one nucleus per cell |
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無性生殖 |
孢子囊(sporangium)中分裂增生 |
分生孢子梗(conidiophores)頂端分裂出大量分生孢子(Conidia) |
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有性生殖 |
接合孢子(Zygospores)
+ -  |
子囊孢子(Ascospores)  |
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基本結構 |
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Examples |
Rhizopus stolonifera (根黴菌=黑麵包黴菌) |
Aspergillus fumigatus (麴菌) |
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圖片 |
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Aspergillus麴菌有分成好多不同種類，有名的黃麴菌A.
flavus喜歡生長在溫暖潮濕的環境，富含碳水化合物與脂質的物質表面，如腐葉、穀物、畜牧飼料。只有特定基因型的黃麴黴（Aspergillus flavus）及寄生麴黴（Aspergillus parasiticus）會產生高毒性的黃麴毒素B1 (Aflatoxin B1) ，通常產毒的環境條件為:
l 環境溫度：25–33°C
l 濕度>85%
l 有足夠碳源（如澱粉、油脂）
l 氧氣充足（在密封缺氧環境下反而抑制產毒）
l 植株或種子受損（蟲害或裂開）時最容易感染黃麴菌與產毒
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黃麴毒素（Aflatoxin）  *類似低溫滅菌環氧乙烯(ethylene oxide)，C-O-C鍵角只有60°，正常SP3結構鍵角109.5°，就算有兩個孤對電子也該104.5°，故EtO環張力極大，容易被負電的分子(Nu: nucleophiles)攻擊而開環，執行烷化反應alkylation   目前臺灣食品衛生標準裡，針對食品中真菌毒素限量標準如下：
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但並非所有的aspergillus都有害，比如A. oryzae就是「被人類馴化」的麴菌，用於製造味噌、清酒、醬油。
牠的祖先其實就是 A. flavus，幾千年前，人類在釀造中不斷篩選出「不產毒、香氣好」的株系，可能也死過不少人，最終才人擇出「安全版的A.
oryzae」利用澱粉酶（amylase）與蛋白酶（protease）來分解稻米，將澱粉分解成麥芽糖、葡萄糖；蛋白質分解成胺基酸。
再利用釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）在無氧環境(無氧呼吸)將葡萄糖分解為酒精…於製造出味噌、清酒…之後專門作一集介紹「製麴（こうじづくり）」的並行複式発酵（へいこうふくはっこう）
第二章：從「無藥可醫」到 大Azole時代
l Aspergillus
在古埃及、希臘、甚至中世紀的病理記載中，有一些「肺腐爛、咳出黑痰、鼻竇壞死」的描述，很可能就是 Aspergillus 感染。古埃及木乃伊的肺部曾發現「真菌孢子樣結構」。二戰期間，士兵因在潮濕碉堡中長期吸入孢子，有不少「鼻竇壞死」與「肺部壞疽」個案，後來證實是 aspergillosis——當時沒有藥，只能切除整個鼻竇或肺葉，或是藥草等傳統療法。直到1927年penicillin研發，陸續其他細菌抗生素問世，殺了細菌黴菌的議題逐漸浮出，加上1920-30年 HIV-1由黑猩猩傳到人類，AIDS免疫低下、化療、器官移植、皮質類固醇使用比例漸增，麴菌感染逐漸重要…
l 傳統療法（pre-modern medicine）
用草藥、香料（如沒藥、乳香、蒜、薑黃）熏蒸或塗敷。
有時會進行「燒灼」、「放血」來“排膿”或“淨化血液”。
若是外耳道或皮膚感染（例如 A. niger 引起的 otomycosis），會用油、酒、醋、蜂蜜等清洗，某些真有部分抑菌效果（例如蜂蜜與酒精的滲透壓與酸性可略減真菌生長）
l 近代初期（19世紀）
當時已能用顯微鏡看到「黴菌絲」，但仍不懂致病意義。治療仍是「切除壞死組織」「碘酒、石炭酸」等外用藥。若為鼻竇型、肺部型
aspergillosis，只能外科手術清創、抽膿、或祈禱
l 直到20世紀中期
l Nystatin: 早期黴菌感染多半只注意到皮膚或局部感染（如癬tinea、念珠菌口腔炎Candida…），靈感來自selman
waksman挖土致富，紐約州衛生廳的Elizabeth Lee Hazen
、Rachel Fuller Brown大量收集世界各地的土，分離細菌分泌的物質，看看能否殺死真菌，毒性太強。兩人於1950年某天挖了朋友Walter B. Nourses花園的土，居然從分離出的鏈黴菌分離出毒性不高但能殺真菌的物質 (培養皿上黴菌抑菌圈)，於是以朋友之名將該細菌命名為Streptomyces
noursei，殺菌成分就叫做NYStatin(1954年)，紀念他們的城市紐約州(NY
state)，是謂廣義上的第一個人用抗真菌藥物(口服懸液)，是polyene結構，結合在黴菌的細胞膜ergosterol上，造成穿孔，用於治療鵝口瘡、皮膚癬…主要是Candida，對aspergillus沒效 (Now也適用於漱口預防鵝口瘡或食道candida)。照這邏輯，如果在台北市發現的新黴菌藥，該命名…TPcitin~
l amphotericin B:
1955年施貴寶(Squibb)研究員從委內瑞拉Orinoco河中土讓找出結節鏈黴菌( Streptomyces nodosus)中提取了殺真菌成分，因為具有酸性羧基、鹼性羥基與氨基，故命名為兩性黴素(amphotericin)，結構意外的跟Nystatin類似對吧~其中amphotericin B藥效最強，in vitro表現最好，機轉與Nystatin類似，結合真菌細胞膜上的 ergosterol使其穿孔肚破腸流，膜電位消失，細胞死亡…
l 1960-1970黴菌感染比例漸增：
n 骨髓移植、器官移植技術發展 → 使用強效免疫抑制劑（如azathioprine、cyclosporine）。
n 癌症化療與白血病治療 → 嚴重neutropenia感染黴菌
n 廣效抗生素濫用 → 抑制細菌競爭，真菌乘虛而入。
l 1944 紐約洛克菲勒大學的生化學家D.W. Woolley描述到Benzimidazole具有抗黴菌活性
l 1958 德國格蘭泰藥廠(Grünenthal)研發了第一個人用Benzimidazole
base抗黴菌藥物 chlormidazole，透過抑制黴菌位於內質網上的酵素14-α-demethylase (CYP51)抑制其ergosterol的結構修飾與合成，達到殺菌效果，但抑制人類荷爾蒙、肝毒性、神經毒性，口服吸收差，所以只能外用殺皮癬、甲癬…現在仍有乳膏產品使用。
l 1960年代imidazole陸續研發: clotrimazole(德國Bayer), miconazole 與econazole(比利時Janssen Pharmaceutica)…都是含有兩個N的五員環imidazole，但一樣的，因為脂溶性太高、肝臟首渡代謝太強、肝毒性…所以只能外用
l 1981 Janssen研發了二代imidazole: Ketoconazole，第一個可口服的抗黴菌藥被FDA核准，往後10年內作為chronic mucocutaneous
candidiasis首選藥物；以及繼AmB之後替代藥物治療blastomycosis → 芽生菌病、histoplasmosis → 組織胞漿菌病、paracoccidioidomycosis → 副球黴菌病。但ketoconazole有以下不完美處，因此科學家繼續尋找並修改藥物結構(希望安全、水溶性、更廣效、更少DDI、長效、可PO可IV的藥物)，要求很多，但還真給他們找到了(雖然還不能治療aspergillus)，fluconazole的研發開啟了口服治療的時代…
n 口服 ketoconazole 的吸收個體差異大，且受到胃酸 pH 值顯著影響
n 沒有IV劑型
n 穿透BBB能力很差，不建議用於真菌性腦膜炎
n 對Candida為抑菌劑，對Aspergillus無效，在免疫低下者效果差
n 有嚴重腸胃道副作用(腹痛、腹瀉、便秘、消化不良…)、肝炎
n >400mg/day會抑制testosterone、cortisol造成adrenal insufficiency
n 因為抑制3A4，有許多DDI，如cyclosporine
n 代謝快速，濃度不足
l 1986輝瑞科學家研發了 Fluconazole，1990 (Diflucan®)上市，作為首個triazole黴菌藥，但太水溶，只對candida較有效
n 將imidazole ring改成triazole ring與F取代基，溶液與H2O產生偶極共價鍵(類似氫鍵)，大幅增加了水溶性…可以做成IV溶液了
n 雖然水溶性高，但因為分子量小(306 Da<500)，且pKa=2生理pH下不帶電，很容易被動擴散穿過BBB、腎臟…全身各處濃度皆足夠
n 兩個triazole
ring作為鉗子chelate住CYP51的heme鐵離子…親和性更高，殺菌力↑
n triazole ring對黴菌14α-demethylase (CYP51)親和性上升>>對人類CYP450 enzymes…肝毒性降低(較不影響人體荷爾蒙合成)、DDI減少
n 苯環上兩個高電負度的F，使F-C鍵結強韌，穩定分子結構不易被代謝掉，半衰期拉長(至少~30hr) 相比keto 2-8hr…可以放心QD給藥
n
為何fluconazole可以治療Candida但治不了aspergillus?
1.
Aspergillus細胞壁有更厚更複雜的β-D-glucan
與幾丁質(chitin)，水溶性的fluconazole穿不透
2.
Aspergillus細胞膜上的efflux pump
(ABC and MFS)將小分子藥物打出去
3.
Candid只有一種CYP51 (稱作Erg11p)、aspergillus有CYP51A、CYP51B結構都不一樣，fluconazole無法chelate全部
→ 需要更脂溶性、更好chelate上CYP51 heme的藥物、或是分子更大不會被打出去的藥物
n
為何C. krusei and C. glabrata可能對fluconazole產生抗藥性?
1.
C. krusei的CYP51結構較不同，fluconazole卡不上去，先天無效…甚至有人認為這隻的DNA序列與其他candida差異較大，應該改名為Pichia kudriavzeveii…這啥潲? 連唸都唸不出來了@@
2.
C. glabrata則是transcription
factor PDR1突變，大量表現efflux
pump如ATP-binding cassette (ABC) ，主要是CgCDR1
and CgCDR2蛋白，所以會把進入的fluconazole打出去，這也是為何給高劑量fluconazole可以硬幹打死這隻菌。從名字就可以看得出來C. glabrata (C. 搞不好她…有效)
n
為何echinocandin對aspergillus是抑菌性、azole對aspergillus是殺菌性?
1.
Echinocandin抑制 細胞膜上的β-1,3-D-glucan synthase，無法合成細胞壁，但azole可以緊急調派chitin synthase，增加幾丁質產量，作為臨時支撐物，勉強維持細胞壁不至於崩塌死亡，但也僅僅是努力撐著不死而已。Candida也會增加幾丁質，但加不夠，所以直接壁毀菌亡~
2.
Azole對aspergillus是殺菌性，因為aspergillus的菌絲要生長，其尖端菌絲的細胞膜需要大量延伸，如果抑制CYP51，lanosterol無法變成 麥角固醇（ergosterol）而是變成毒性中間產物（14-methyl-sterol）累積，膜不穩定，延伸時容易崩壞，就像「魯伯特之淚」（Prince
Rupert’s Drop）一端壞死，整段接續死亡。但azole對上candida只會讓她無法出芽生殖，無法致死。雖然機轉不明確但總之aspergillus相較之下對ergosterol的依賴性似乎更高~
l 1992年 Janssen研發了Itraconazole (Sporanox®)，非常廣效包括Candida spp., Aspergillus spp., Cryptococcus neoformans,
Coccidioides immitis, Histoplasma capsulatum, Blastomyces dermatitidis,
Paracoccidioides brasiliensis, Sporothrix schenckii，是第一個能治療Aspergillus的口服azole。她增加了分子量、增加了脂溶性，其結構剛好可以卡死azole的CYP51A、51B。但缺點是口服吸收率差，需要高油脂食物才能幫助吸收…台灣曾經有IV，但溶解度不太好，現在只剩下口服膠囊 (懸浮液不知道是否尚生產?)並且作為體癬、甲癬等治療，或是chronic
pulmonary aspergillosis (CPA) 長期口服治療 (這邊口服vori與itra同為首選，但vori副作用較多，所以優先選itra)、或是vori無法使用的2-3線aspergillus治療藥物
l 2002年輝瑞voriconazole上市
她用fluconazole的小分子骨幹修改，增加了一定程度脂溶性、在pyrimidine上的F有更強的活性、多出的甲基讓她剛好更牢固地卡進CYP51A，結果是更廣效，且對 Aspergillus產生效果，治療存活率甚至優於AmB，故IDSA將她列為治療aspergillus首選
l 2006年Merck posaconazole上市
他們說那我也要老藥改造，將itra進化成一個更穩定、吸收更好的藥物。她也是將Cl置換成F (看來電負度大也許穩定了結構，同時產生的偶極共價鍵更能與CYP51A作用)、tetrahydrofuran也有貢獻，抗菌普也是很廣。最後posa被IDSA建議作為長期預防aspergillus感染高風險者的首選藥物(通常是hema、myelodysplastic syndromes (MDS)、AML化療病人、allogeneic HSCT +GvHD使用類固醇、器官移植後免疫低下者、neutropenia)，以及治療aspergillus的2線藥物。
l 2015年輝瑞isavuconazole上市
到了 2000 年代，大家開始發現：Voriconazole 肝毒性 & 視覺副作用太困擾、Posaconazole 需要吃油脂食物＋吸收很不穩（舊懸浮液劑型）、DDI還是惱人。所以科學家想研發一種「毒性副作用更低、吸收更穩定、有IV/PO劑型、DDI少、抗菌普又廣」的藥。
這個唯一的prodrug isavuconazonium sulfate便誕生了
n 鹽基所以水溶性好，IV劑型穩定
n 不會QT prolong反而會QT shorten
n 跟其他人都不一樣的特殊側鏈，與多種黴菌的CYP51A/B都有很好的親和力，抗菌普更廣，如Mucor
n 口服吸收率98%不受食物影響
n 治療aspergillus效果不劣於vori，兩者皆為一線治療選擇
n 毒性、DDI都比vori更少
n 唯一缺點就是貴
n 不能/不用/不知如何作TDM
第三章：現今的診斷與治療實務
l 如何診斷aspergillus infection: possible,
probable, proven
l IDSA治療建議
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