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中科院長春應化所欒世方/殷敬華/石恒沖研究員團隊 Angew VIP:模擬維生素U結構和高選擇性的抗菌肽及其應對MRSA細菌感染
2023-12-26  來源:高分子科技

  抗生素濫用所導致的細菌耐藥性問題已經對人類的生命健康構成了嚴重威脅。因此,針對耐藥細菌的新型抗菌藥物研發顯得尤為緊迫。抗菌肽(AMPs)因其獨特的抗菌機制,相較于抗生素更不易使細菌產生耐藥性。然而,抗菌肽較高的毒性是限制其發展和應用的重要障礙因此,實現抗菌肽對細菌和正常細胞的更高選擇性一直是廣大研究者所不斷追求的目標。


  鑒于此,中科院長春應化所欒世方/殷敬華/石恒沖研究員團隊通過模擬維生素U的季锍鹽結構,利用NCA開環反應合成了一系列星狀季锍鹽抗菌肽(圖1)。獲得的季锍鹽抗菌肽G2-PM-1H+不僅具有廣譜抗菌性能,而且對血細胞與細菌的選擇性高達16000HC10/MIC)。此外,季锍鹽抗菌肽可以通過調節側鏈的陽離子化程度實現對革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌的細菌種類選擇性。針對MRSA相關抗菌實驗中G2-PM-1H+相比于萬古霉素可以迅速殺滅MRSA并且有效防止MRSA生物膜形成 


1. 維生素U結構啟發的季锍鹽抗菌肽的結構設計及其選擇性與抗菌機制。


  與相似聚合度的星狀聚賴氨酸相比,G2-PM-1H+具有更突出的抗菌性能和更低的溶血率及細胞毒性,這與其季锍鹽中硫原子的靜電勢高于胺基中的氮原子以及分子鏈中較弱的疏水基團密切相關(圖2d)。同時相比于季锍鹽抗菌肽,聚賴氨酸對照組中胺基能與哺乳動物細胞膜脂質形成氫鍵,這也是導致毒性增加的原因之一。此外,該季锍鹽抗菌肽不會誘導細菌產生耐藥性。 


2 星狀季锍鹽抗菌肽的合成路線、選擇性及抗菌性能。


  對G2-PM-1H+的抗菌機理進行研究(圖3),該抗菌肽對金黃色葡萄球菌表現出較弱的膜破壞作用,但對大腸桿菌表現出較強的細胞膜破壞效果。此外,該抗菌肽還能通過結合細菌內的DNA產生活性氧(ROS)實現細菌殺滅。蛋白質組學分析進一步揭示了G2-PM-1H+對金黃色葡萄球菌內部深層殺菌機制的影響。通過對抗菌肽進入細菌后產生的差異蛋白進行富集通路分析后,發現核糖體是其主要作用位點之一,進而影響細菌的DNA轉錄和蛋白質合成 


3 G2-PM-1H+G2-PL-1對照組的抗菌機理研究。


 4 蛋白質組學分析G2-PM-1H+對金黃色葡萄球菌作用機理。


  目前,細菌感染的臨床治療在很大程度上取決于抗生素的全身給藥,這可能會打破人體內微生物群落的自然平衡,因此針對特定細菌的特異性藥物可以提高治療效果。本工作中通過改變季锍化程度可實現對細菌種類的選擇性。在混合細菌模型中,高季锍化程度(烷基化程度大于90%)的抗菌肽對金黃色葡萄球菌表現出更強的殺菌性,而低季锍化程度(烷基化程度小于50%)的抗菌肽則對大腸桿菌表現出更強的殺菌性。隨后對這一現象進行了機理探究,發現G2-PM-2H+是通過較弱的膜破壞方式進入金黃色葡萄球菌,而G2-PM-2L+能造成大腸桿菌膜破壞、膜極化作用以及結合外膜中的脂多糖。 


5 G2-PM-2H+G2-PM-2L+在混合細菌環境中的選擇性抗菌作用。


  耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)是導致院內感染的主要病原體之一,其傳播性極強且缺乏有效的治療藥物。本工作中與萬古霉素相比,G2-PM-1H+具有更快的殺滅MRSA效率,在2MIC濃度下30分鐘內實現了90%以上的清除率(圖6b),并且能夠有效抑制MRSA生物膜的形成(圖6c)。體內抗MRSA實驗表明G2-PM-1H+能夠有效降低皮膚感染的嚴重程度(6de);腹腔感染模型中,G2-PM-1H+相比于萬古霉素對照組細菌數量下降了約30倍。此外,經過G2-PM-1H+注射的小鼠肝功能和腎功能沒有發生損傷,證明其不會對臟器功能產生影響。 


6 G2-PM-1H+MRSA抗菌活性測試。


  該工作以“Structural Element of Vitamin U-Mimicking Antibacterial Polypeptide with Ultrahigh Selectivity for Effectively Treating MRSA Infections”為題發表在Angewandte Chemie International Edition,并被遴選為VIP論文(Very Important Paper)。該文第一作者為中科院長春應化所博士研究生張楨焱王曉丹博士,通訊作者為楊華偉副研究員,王磊副研究員和石恒沖研究員。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院青年創新促進會優秀會員、吉林省科技發展計劃和中科院威高計劃等項目的資助。


  該工作是團隊近期關于抗菌聚氨基酸的最新進展之一,團隊自2017年起與蘇州大學唐浩宇老師合作,在國家自然科學基金(51873213)支持下相繼開展了聚氨基酸電荷復合物制備及醫用涂層性能、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)。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318011


作者簡介

張楨焱一作者,在讀博士生。2021 年進入中國科學院長春應用化學研究所攻讀博士學位。主要研究方向為功能性抗菌肽合成。Angew. Chem. Int. Ed., Small等期刊發表論文6篇,以第一發明人授權發明專利2項。


王曉丹,共同第一作者中國科學院長春應用化學研究所、中國科學技術大學應用化學與工程學院2017級博士研究生。主要從事聚多肽合成、抗菌醫用涂層及栓塞微球方面研究。以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.Prog. Polym. Sci.等期刊發表論文5篇,授權中國發明專利3項。


楊華偉,通訊作者,中國科學院長春應用化學研究所,副研究員,主要從事植介入醫用高分子材料的制備和醫療器械應用研究。主持科技部國家重點研發計劃課題、中科院重點部署項目、國家自然科學基金青年等項目,發表國內外論文10余篇,以第一發明人授權專利10余項。

王磊,通訊作者,中國科學院長春應用化學研究所,副研究員,吉林省高層次人才。主要開展醫用高分子材料、納米多孔材料等的研究工作。作為項目負責人,主持基金委、吉林省、中石化等多項項目。以通訊/一作身份在Angew Chem Int Ed, ACS Nano, Biomaterials期刊發表SCI檢索論文30余篇,他人引用超過2500次,多篇論文入選ESI熱點論文以及高被引用論文


石恒沖,通訊作者,中科院長春應化所研究員,博士生導師。中科院青年創新促進會優秀會員,吉林省中青年科技創新團隊負責人。主要開展植介入器械及材料的基礎研究-關鍵技術-產業化研發工作。以通訊/一作身份,在Nat CommunAngew Chem Int Ed等期刊發表SCI論文40多篇;授權中國發明專利30件;主持制定團體標準2項;與合作企業獲批Ⅲ類醫療器械注冊證3件;獲中國產學研合作創新獎、中科院青年創新促進會優秀會員、吉林省拔尖創新人才、香港學者協會香江學者獎和中科院院地合作獎優秀產業化項目團隊獎等獎勵和榮譽;主要學術兼職:中國生物材料學會生物材料表界面工程分會委員會委員、《功能高分子學報》青年編委、《應用化學》青年編委。

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(責任編輯:xu)
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