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中科院长春应化所栾世方/殷敬华/石恒冲研究员团队 Angew VIP:模拟维生素U结构和高选择性的抗菌肽及其应对MRSA细菌感染
2023-12-26  来源:高分子科技

  抗生素滥用所导致的细菌耐药性问题已经对人类的生命健康构成了严重威胁。因此,针对耐药细菌的新型抗菌药物研发显得尤为紧迫。抗菌肽(AMPs)因其独特的抗菌机制,相较于抗生素更不易使细菌产生耐药性。然而,抗菌肽较高的毒性是限制其发展和应用的重要障碍因此,实现抗菌肽对细菌和正常细胞的更高选择性一直是广大研究者所不断追求的目标。


  鉴于此,中科院长春应化所栾世方/殷敬华/石恒冲研究员团队通过模拟维生素U的季锍盐结构,利用NCA开环反应合成了一系列星状季锍盐抗菌肽(图1)。获得的季锍盐抗菌肽G2-PM-1H+不仅具有广谱抗菌性能,而且对血细胞与细菌的选择性高达16000HC10/MIC)。此外,季锍盐抗菌肽可以通过调节侧链的阳离子化程度实现对革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的细菌种类选择性。针对MRSA相关抗菌实验中G2-PM-1H+相比于万古霉素可以迅速杀灭MRSA并且有效防止MRSA生物膜形成 


1. 维生素U结构启发的季锍盐抗菌肽的结构设计及其选择性与抗菌机制。


  与相似聚合度的星状聚赖氨酸相比,G2-PM-1H+具有更突出的抗菌性能和更低的溶血率及细胞毒性,这与其季锍盐中硫原子的静电势高于胺基中的氮原子以及分子链中较弱的疏水基团密切相关(图2d)。同时相比于季锍盐抗菌肽,聚赖氨酸对照组中胺基能与哺乳动物细胞膜脂质形成氢键,这也是导致毒性增加的原因之一。此外,该季锍盐抗菌肽不会诱导细菌产生耐药性。 


2 星状季锍盐抗菌肽的合成路线、选择性及抗菌性能。


  对G2-PM-1H+的抗菌机理进行研究(图3),该抗菌肽对金黄色葡萄球菌表现出较弱的膜破坏作用,但对大肠杆菌表现出较强的细胞膜破坏效果。此外,该抗菌肽还能通过结合细菌内的DNA产生活性氧(ROS)实现细菌杀灭。蛋白质组学分析进一步揭示了G2-PM-1H+对金黄色葡萄球菌内部深层杀菌机制的影响。通过对抗菌肽进入细菌后产生的差异蛋白进行富集通路分析后,发现核糖体是其主要作用位点之一,进而影响细菌的DNA转录和蛋白质合成 


3 G2-PM-1H+G2-PL-1对照组的抗菌机理研究。


 4 蛋白质组学分析G2-PM-1H+对金黄色葡萄球菌作用机理。


  目前,细菌感染的临床治疗在很大程度上取决于抗生素的全身给药,这可能会打破人体内微生物群落的自然平衡,因此针对特定细菌的特异性药物可以提高治疗效果。本工作中通过改变季锍化程度可实现对细菌种类的选择性。在混合细菌模型中,高季锍化程度(烷基化程度大于90%)的抗菌肽对金黄色葡萄球菌表现出更强的杀菌性,而低季锍化程度(烷基化程度小于50%)的抗菌肽则对大肠杆菌表现出更强的杀菌性。随后对这一现象进行了机理探究,发现G2-PM-2H+是通过较弱的膜破坏方式进入金黄色葡萄球菌,而G2-PM-2L+能造成大肠杆菌膜破坏、膜极化作用以及结合外膜中的脂多糖。 


5 G2-PM-2H+G2-PM-2L+在混合细菌环境中的选择性抗菌作用。


  耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)是导致院内感染的主要病原体之一,其传播性极强且缺乏有效的治疗药物。本工作中与万古霉素相比,G2-PM-1H+具有更快的杀灭MRSA效率,在2MIC浓度下30分钟内实现了90%以上的清除率(图6b),并且能够有效抑制MRSA生物膜的形成(图6c)。体内抗MRSA实验表明G2-PM-1H+能够有效降低皮肤感染的严重程度(6de);腹腔感染模型中,G2-PM-1H+相比于万古霉素对照组细菌数量下降了约30倍。此外,经过G2-PM-1H+注射的小鼠肝功能和肾功能没有发生损伤,证明其不会对脏器功能产生影响。 


6 G2-PM-1H+MRSA抗菌活性测试。


  该工作以“Structural Element of Vitamin U-Mimicking Antibacterial Polypeptide with Ultrahigh Selectivity for Effectively Treating MRSA Infections”为题发表在Angewandte Chemie International Edition,并被遴选为VIP论文(Very Important Paper)。该文第一作者为中科院长春应化所博士研究生张桢焱王晓丹博士,通讯作者为杨华伟副研究员,王磊副研究员和石恒冲研究员。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会优秀会员、吉林省科技发展计划和中科院威高计划等项目的资助。


  该工作是团队近期关于抗菌聚氨基酸的最新进展之一,团队自2017年起与苏州大学唐浩宇老师合作,在国家自然科学基金(51873213)支持下相继开展了聚氨基酸电荷复合物制备及医用涂层性能、抗菌聚氨基酸合成等研究(ACS Macro. Lett. 2023, 12, 428-432; Biomacromolecules 2021, 22, 4306-4315; Biomater. Sci. 2021, 10, 834-845; J. Mater. Sci. Technol. 2020, 59, 14-25; Chem. Eng. J. 2019, 360, 1030-1041等)。


  原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318011


作者简介

张桢焱一作者,在读博士生。2021 年进入中国科学院长春应用化学研究所攻读博士学位。主要研究方向为功能性抗菌肽合成。Angew. Chem. Int. Ed., Small等期刊发表论文6篇,以第一发明人授权发明专利2项。


王晓丹,共同第一作者中国科学院长春应用化学研究所、中国科学技术大学应用化学与工程学院2017级博士研究生。主要从事聚多肽合成、抗菌医用涂层及栓塞微球方面研究。以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.Prog. Polym. Sci.等期刊发表论文5篇,授权中国发明专利3项。


杨华伟,通讯作者,中国科学院长春应用化学研究所,副研究员,主要从事植介入医用高分子材料的制备和医疗器械应用研究。主持科技部国家重点研发计划课题、中科院重点部署项目、国家自然科学基金青年等项目,发表国内外论文10余篇,以第一发明人授权专利10余项。

王磊,通讯作者,中国科学院长春应用化学研究所,副研究员,吉林省高层次人才。主要开展医用高分子材料、纳米多孔材料等的研究工作。作为项目负责人,主持基金委、吉林省、中石化等多项项目。以通讯/一作身份在Angew Chem Int Ed, ACS Nano, Biomaterials期刊发表SCI检索论文30余篇,他人引用超过2500次,多篇论文入选ESI热点论文以及高被引用论文


石恒冲,通讯作者,中科院长春应化所研究员,博士生导师。中科院青年创新促进会优秀会员,吉林省中青年科技创新团队负责人。主要开展植介入器械及材料的基础研究-关键技术-产业化研发工作。以通讯/一作身份,在Nat CommunAngew Chem Int Ed等期刊发表SCI论文40多篇;授权中国发明专利30件;主持制定团体标准2项;与合作企业获批Ⅲ类医疗器械注册证3件;获中国产学研合作创新奖、中科院青年创新促进会优秀会员、吉林省拔尖创新人才、香港学者协会香江学者奖和中科院院地合作奖优秀产业化项目团队奖等奖励和荣誉;主要学术兼职:中国生物材料学会生物材料表界面工程分会委员会委员、《功能高分子学报》青年编委、《应用化学》青年编委。

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(责任编辑:xu)
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