エグゼクティブサマリー

薬剤耐性は世界保健機関(WHO)が掲げる世界的な健康上の脅威トップ10の一つであり、2050年までには耐性菌による死者が年間最大1,000万人に達すると予測されています。

耐性は、細胞壁の透過性の変化や排出ポンプの活性化から、遺伝子変異や薬剤の酵素分解に至るまで、複数の内在的および獲得的メカニズムを通じて発生します。

新しい抗生物質の開発は、バイオフィルムやグラム陰性菌の防御機構、投資収益率の低さ、10〜15年という長い開発期間に阻まれ、耐性化のスピードに危険なほど遅れをとっています。

細菌ワクチン、抗菌ペプチド、バクテリオファージ、ストリンジェント応答阻害剤といった代替手段は、従来の低分子抗生物質に代わる有望な選択肢となります。

先端材料を用いたソリューションやAIを活用した新たな創薬手法は、開発期間を短縮し、従来の抗生物質への依存を減らす可能性を秘めています。2205年8月、MITの研究チームは、生成AIを用いて薬剤耐性淋菌および黄色ブドウ球菌に対する抗生物質を発明したと報告しました。

2026年5月の更新情報:FDAは、細菌の適応に対抗する抗生物質「Zaynich」を承認しました。これは単一ではなく3つの細菌タンパク質を同時に攻撃することで、これまで治療法がほとんどなかった薬剤耐性感染症に対して臨床医に新たな選択肢を提供します。

‍

世界保健機関(WHO)は、適切な治療を行っても死滅・不活化されない微生物を「耐性」と定義しており、耐性菌の増加には多面的な要因が絡んでいます。米国疾病予防管理センター(CDC)によると、毎年280万人以上が抗生物質耐性菌に感染し、3万5,000人以上が死亡しています。懸念すべきことに、世界銀行の予測では、この死者数は2050年までに年間1,000万人に増加する可能性があります。

こうした状況を受け、WHOは薬剤耐性を主要な健康上の懸念トップ10の一つと宣言しており、新たな解決策が緊急に求められています。

抗生物質耐性の多面的な要因

抗生物質耐性は、内在的要因と獲得的要因の両方から生じます。内在的要因には、細胞壁の透過性、薬剤標的の改変、排出ポンプの活性化、抗生物質の酵素分解が含まれます。獲得耐性は、生存を可能にする新たな遺伝物質の獲得や、細菌ゲノムの変異によって生じます。

 

Four common antimicrobial resistance mechanisms
図1. 変異や耐性プラスミドに起因する、細菌に見られる4つの一般的な抗菌薬耐性メカニズム。A. 細胞壁の透過性の変化:細菌への抗菌薬の侵入を減少または阻止する。B. 薬剤標的の改変・欠損:薬剤の結合を減少させ、効果を低下させる。C. 排出ポンプ:抗菌薬投与に応答して発現し、薬剤が作用する前に排出する。D. 酵素による分解:抗生物質を分解し、その効果を無効化する。

新たな抗菌治療の必要性

抗生物質には多くの種類が存在します。それぞれがその構造や、体内の細菌に作用する仕組みに基づいて分類されています。

Antibiotic class Structure
Aminoglycosides (e.g., streptomycin, 57-92-1) Aminoglycosides-image1
Beta-lactams (e.g., penicillin, 61-33-6) Beta-lactams-image2
Sulfonamides (e.g., sulfadiazine, 68-35-9)   Sulfonamides-image3
Amphenicols (e.g., chloramphenicol, 56-75-7) Amphenicols-image4
Polymyxins (e.g., polymixin B, 1404-26-8) Polymyxins-image5
Tetracyclines (e.g., tetracycline, 60-54-8) Tetracyclines-image6
Macrolides (e.g., clarithromycin, 81103-11-9) Macrolides-image7
Pyrimidines (e.g., sulfadiazine  68-35-9)  sulfadiazine
Rifamycins (e.g., rifampicin, 13292-46-1)  Rifamycins-image9
Quinolones and fluoroquinolones (e.g., nalidixic acid, 389-08-2) Quinolones-image10
Streptogramins (e.g., quinupristin, 120138-50-3) Streptogramins-image11
Lincosamides (e.g., lincomycin, 154-21-2) Lincosamides-image12
Pleuromutilins (e.g., lefamulin, 1061337-51-6) Pleuromutilins-image13
Oxazolidinones (e.g., linezolid, 165800-03-3) Oxazolidinones-image14

​表1. 抗生物質の分類

確立された治療法があるにもかかわらず、多くの感染症が既存の抗生物質に対して耐性を獲得しつつあります。これに関連する死亡者数の増加予測と相まって、細菌感染症への対処法を根本から見直す必要性が高まっています。

新規抗菌薬が直面する課題

抗菌薬耐性の増加は多面的な要因によるものですが、抗菌薬耐性が拡大するスピードに対し、新たな治療法の開発ペースが追いついていないことが、事態をより深刻にしています。

このことは、抗菌薬耐性に関する学術論文数と特許出願数の比率の低さ(図2)を見れば明らかです。これは、学術研究者が新規抗菌薬の開発においてより重要な役割を担いつつあることを示しており、こうした研究成果を商業的に利用可能な治療法へと橋渡しすることが不可欠です。

The number of journal and patent publications per year in the antimicrobial research
図2。 過去10年間(2012〜2022年)における抗菌薬研究分野の学術論文数と特許出願数(それぞれ青色と黄色の棒グラフで表示)。

これは、抗菌薬開発を困難にしているいくつかの要因によって説明できます。微生物が抗菌薬に対して用いる多くの先天的または後天的な耐性メカニズム(図1)に加え、開発を阻むより広範な要因(図3)が存在します。

細菌の抗菌薬に対する耐性能力と、開発にかかる高額なコストおよび長い期間(図3)が相まって、切迫したニーズがあるにもかかわらず、ここ数十年の間に市場に投入された抗生物質はごくわずかです。

Biofilms

Growing in a biofilm, or a layer of cells, allows bacteria to withstand antibiotic penetration. Biofilms can grow on catheters, pacemakers, joint prostheses, dentures, contact lenses, prosthetic heart valves, and implants. Growing in a biofilm, or a layer of cells, allows bacteria to withstand antibiotic penetration. Biofilms can grow on catheters, pacemakers, joint prostheses, dentures, contact lenses, prosthetic heart valves, and implants.

Outer layer of Gram-negative bacteria

Gram-negative bacteria are naturally resistant to various drugs that affect Gram-positive species due to their bilayer, outer membrane that is impenetrable to many drugs.

Return on investment

Low success rate of candidate molecules in combination with lesser return on investment are major challenges.

Timelines

It can take 10-15 years between initial molecule discovery to having a viable antibiotic reach the market.

 Figure 3. Factors that can confound antimicrobial development.

従来の抗生物質に代わる選択肢

新しい抗生物質を市場に投入することは時間のかかる課題(図3)であるため、抗菌薬耐性と闘うための代替手段が求められています。

Stringent response inhibition Long-term survival of bacteria in the host, often asymptomatically, can lead to reactivation and reinfection. These long-surviving bacteria are called “persister bacteria.” Stringent response is a mechanism through which bacteria counter extreme starvation, which is thought to contribute to the development of persistent infection. Inhibiting this process could lead to greater bacterial susceptibility to antibiotics.
Bacterial vaccines Preventing bacterial infections through vaccines leads to decreased antibiotic consumption and is likely to help with antibiotic resistance. A 2021 WHO report provided details of >60 and >90 vaccines in clinical and preclinical development, respectively.
Antimicrobial peptides Antimicrobial peptides are gaining popularity as alternatives to small-molecule antibiotics. They are typically short (<100 amino acids) peptides with a broad spectrum of antimicrobial activity. According to the Antimicrobial Peptide Database, there are over 3,000 antimicrobial peptides as of November 2022.
Glycopeptides Glycopeptides display antibacterial activity primarily against Gram-positive bacteria by inhibiting cell wall biosynthesis. Commonly used drugs in this group are vancomycin, teicoplanin, telavancin, dalbavancin, and oritavancin, but many new options are being developed, studied, and optimized.
Lipopeptides and lipoglycopeptides Daptomycin is the only lipopeptide currently used against Gram-positive bacteria and functions by disrupting the bacterial cell membrane. The antibacterial effect observed appears dependent on the presence of and binding with calcium. Due to their large size, they are poorly absorbed when taken orally and tend to be administered intravenously.
Bacteriophages Bacteriophages are viruses capable of infecting the bacteria cell and killing them by injecting viral DNA. The virus replicates within the cell and causes cell lysis as the replicas are released to find a new bacterial cell to infect. However, challenges still must be addressed to make bacteriophage therapy more viable, including poor in vivo efficacy for targeting bacterial species in the gut following oral administration.

Table 2. Alternatives to conventional antibiotics

抗菌薬の未来

材料科学を活用した高度なドラッグデリバリー手法は、局所的かつ持続的、あるいは刺激に応答した抗菌活性を実現します。従来の投与方法以外にも、抗菌薬を届ける方法はいくつか存在します。インプラントやカテーテルといった医療機器は感染源となる可能性がありますが、抗菌性材料を使用することでこれを予防できる可能性があります。同様に、多くの人が触れる表面に抗菌コーティングを施すことで、微生物の伝播を抑え、清掃の必要性を最小限に抑えることができます。

Hydrogels

Used together with antibiotics for drug delivery and wound healing. Hydrogels act in situ while being exposed to bodily cells and fluids to enable diffusible or gel-bound antibiotic agents such as antimicrobial peptides to be administered.

Nanoparticles

The small size of nanoparticles makes it easy for them to deliver drugs effectively. Surface modification can be used to tailor them for specific targets and locations, and the surface chemistry and composition control the timing of activity, drug release, and duration of action.

Composites

Composites use multiple materials together and are used for medical devices such as dental implants. The variety of materials capable of exerting antimicrobial activity have proven efficacy in both treating and preventing infection and transmission.

Films or coatings

Reducing the ability of medical devices to transmit infection would be an effective way to improve the health and survival of hospital patients. The ability to harness UV or visible light and generate reactive oxygen species that prevent microorganisms from adhering are two examples of effective films and coatings.

Scaffolds and implants

Useful for wound and bone healing, these typically have a high surface area-to-volume ratio and are more persistent than hydrogels. Implants with cationic polymers, copper nanoparticles, or nitric oxide-releasing agents have shown promising efficacy.

Figure 4. Materials and solutions that can reduce antibiotic usage

人工知能(AI)の進歩により、アルゴリズムを用いて新たな候補分子を特定する抗菌薬開発が加速しています。学術論文数は着実に増加していますが、それに対応する特許出願の急増は見られず、抗菌薬に関するAI研究の大部分は依然として学術的な段階にあることが示唆されます(図5)。

The rapid growth of publications and patents for antimicrobial development
図5。AIアプローチを取り入れた抗菌薬開発における論文数と特許数の急速な増加(論文:青、特許:黄)。

多剤耐性菌の増加は人類の健康に対する深刻な脅威であり、新規抗生物質や抗菌材料の開発は急務です。AIの広範な活用はまだ初期段階にありますが、将来的な開発プロセスの効率化と期間短縮に大きな期待が寄せられています。AIが化学に与える影響については、当社のインサイトレポートをご覧ください。また、大規模言語モデルの台頭や、バイオマテリアルが治療の現場でどのように活用され、多様な新しいアプローチを生み出しているかについても解説しています。

Q&A

抗生物質耐性とは何か

細菌が抗生物質に耐性を持つ原因は何か

抗生物質の主な分類は何ですか?

従来の抗生物質に代わる選択肢にはどのようなものがありますか?

関連するCASインサイト

手袋をはめた手でノーベル賞の金メダルを持っている様子。

ノーベル賞受賞者

超臨界CO₂:医薬品、発電などに活用される環境に優しい溶媒

ゲノムスケールの生成設計:AI言語モデルは何を記述し、なぜそれが機能したのか 

より迅速な進歩を実現するための新しい視点を、メールでお届けします。