臨床上可用的抗真菌藥物稀缺，加上副作用頻發和真菌耐藥性的加速出現，導致耐藥真菌感染成為全球公共衛生安全的嚴峻威脅，亟需研究新型抗真菌藥物。由于納米結構的獨特優勢，宿主防御肽組裝體是抗真菌藥物的理想替代品之一，但其在體內穩定性、生物安全性、簡易合成及批次間一致性方面仍面臨挑戰。因此，亟需有效策略克服上述挑戰，設計并合成兼具生物安全性和體內抗耐藥真菌感染能力的宿主防御肽模擬物組裝體。
針對上述挑戰，劉潤輝教授課題組設計并合成了一種聚肌氨酸功能化宿主防御肽模擬物組裝體，并開發了一種類嵌段聚-β-多肽的一鍋法簡便合成策略。合成的聚-β-多肽組裝體通過細胞器破壞和產生高水平活性氧的多靶點作用機制，展現出對耐藥真菌的強效抗菌活性，可有效清除生物被膜，同時兼具優異的生物安全性和體內抗真菌療效。該工作為設計自組裝抗真菌劑和治療耐藥真菌感染提供了新思路。
2025年5月6日，該研究成果以“Self-assembled poly(sarcosine) functionalized host defense peptide-mimicking poly-β-peptides for combating drug-resistant fungal infection”為題發表在Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2025, 2424125. DOI: 10.1002/adfm.202424125）。
作者通過整合聚-β-多肽和聚（肌氨酸）的優勢，設計了自組裝聚（肌氨酸）功能化宿主防御肽模擬物，并建立了類嵌段聚-β-多肽的單鍋敞口合成方法。合成的聚-β-多肽組裝體具有出色的批次間重現性，對耐藥真菌具有高抗菌活性和高選擇性，能有效根除成熟生物被膜，并表現出出色的生物安全性和體內抗真菌功效。值得注意的是，由于具有與細胞器破壞和高水平活性氧生成相關的多靶點作用機制，真菌無法對組裝體產生耐藥性（圖1）。
圖1：用于抗耐藥真菌感染的聚肌氨酸功能化自組裝聚-β-多肽的設計與合成策略。
以4-叔丁基芐胺為引發劑，在CHCl3/H2O（95/5）體系中，通過Sar NNCA與β-NTAs的單鍋敞口共聚，可成功制備聚肌氨酸（Psar）功能化聚-β-多肽。動力學研究表明，Sar NNCA反應活性顯著高于β-NTA單體（如Bn-β3-LCHG NTA），形成類嵌段結構。考慮到HDP通常具有正電荷/疏水性關鍵結構，進一步引入帶有側鏈NHCbz取代基的Cbz-β2-DAP NTA單體，證實該聚合方法可用于快速合成聚肌氨酸功能化HDP模擬聚-β-多肽。通過調節單體進料比，成功構建分子量可控、分散度較窄且單體比例可調的Psar-聚-β-多肽庫，表明聚合可控性（圖2）。
圖2：Sar NNCA與β-NTAs的單鍋敞口共聚。
以tBuBn-Psar10-b-P(Bn-β3-LCHG)10為模型，研究了類嵌段Psar-聚-β-多肽自組裝成納米結構的能力。兩親性類嵌段共聚物可在H2O/DMSO（70/30）中自組裝形成納米膠束，并在15天測試期間內保持穩定。五批次聚合產物GPC曲線高度重合，分子量及分散度幾乎相同，證明聚合具有出色的重現性。這一結果表明，該聚合策略可用于合成類嵌段Psar-聚-β-多肽，可進一步通過自組裝形成納米結構，在藥物封裝和遞送等多種應用中具有巨大潛力（圖3）。
圖3：類嵌段聚（肌氨酸）功能化聚-β-多肽的自組裝研究。
隨后，作者通過模擬HDP設計并合成了一種熒光染料標記的聚肌氨酸功能化聚-β-多肽組裝體（Dye-Psar10-b-Pdap10 NPs）。該納米膠束展現出出色的抗真菌性能，對白念珠菌和新型隱球菌的MIC值為0.2-1.56 μg/mL，與臨床抗真菌藥物兩性霉素 B（AmpB）的活性相當；對臨床耐藥菌株以及其他耐藥念珠菌，包括格拉布氏念珠菌和熱帶念珠菌保持高效活性。殺菌動力學顯示2×MFC濃度下2小時即可完全完全根除白色念珠菌。此外，膠束還具有優異的生物相容性，抗真菌選擇性指數遠高于AmpB，表明其出色的治療潛力（圖4）。
圖4：聚（肌氨酸）功能化HDP模擬聚-β-多肽組裝體的制備與抗真菌活性研究。
進一步評估Dye-Psar10-b-Pdap10 NPs的抗生物被膜活性。實驗顯示，50 μg/mL的聚合物膠束即可根除白色念珠菌成熟生物被膜，顯著優于臨床藥物卡泊芬凈和氟康唑（200 μg/mL仍無明顯效果）。活/死染色熒光共聚焦成像表明該材料能破壞生物被膜結構并殺滅內部真菌，而傳統藥物處理后仍有大量活菌殘留。SEM表征同樣顯示NPs能有效破壞生物膜的結構完整性，并根除生物膜中的菌絲和真菌細胞。上述實驗結果證明了聚-β-多肽膠束在根除成熟生物被膜和治療生物被膜相關感染方面的潛力（圖5）。
圖5：聚-β-多肽組裝體的抗生物被膜活性研究。
對Dye-Psar10-b-Pdap10 NPs的抗真菌機制展開研究。延時熒光共聚焦成像顯示，NPs能直接穿透真菌細胞膜進入胞質，而沒有在細胞膜上富集。膜去極化實驗表明NPs與細胞膜沒有明顯的相互作用。進入細胞內部后，NPs破壞了真菌細胞核、線粒體等關鍵細胞器的完整性，同時導致胞內ROS水平顯著升高。ROS清除劑NAC可使其MIC值從1.56 μg/mL升至800μg/mL，證實高水平ROS是其殺菌的關鍵因素。掃描電鏡觀察顯示，NPs處理后的真菌細胞膜僅出現輕微形變，膜完整性保持完好。上述實驗結果共同表明，NPs具有與細胞器破壞和高水平活性氧生成相關的多靶點作用機制。與傳統抗真菌藥物氟康唑相比，這種多模式抗真菌機理使NPs不易誘導真菌產生耐藥性（圖6）。
圖6：聚-β-多肽組裝體的抗真菌機理研究。
在皮膚擦傷感染模型中，NPs處理使感染皮膚的真菌負荷明顯降低，并顯著減少組織菌絲入侵和炎性細胞浸潤，與抗真菌藥物咪康唑療效相當。肺部感染模型中，NPs和AmpB處理都能顯著減少感染器官的真菌負荷。值得注意的是，靜脈注射劑量高達120 mg/kg的NPs，小鼠的血清生化指標和組織學分析均未觀察到肝腎毒性。這些結果表明Dye-Psar10-b-Pdap10 NPs兼具出色的體內抗菌效果和生物安全性，具有治療耐藥真菌感染的巨大潛力。
圖7：聚-β-多肽組裝體的體內抗真菌功效及生物安全性研究。
華東理工大學博士畢業生謝佳洋是該論文的第一作者，華東理工大學周敏副研究員和劉潤輝教授是論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部等基金的資助。
論文鏈接: https://doi.org/10.1002/adfm.202424125
