以机理导向的高效抗耐药菌多肽化合物设计和发现

以机理导向的高效抗耐药菌多肽化合物

设计和发现

抗生素是人类对抗微生物感染的有利武器，然而抗生素的大量使用导致近年来耐药菌的不断涌现。宿主防御肽（Host Defense Peptides, HDPs）的发现为抗耐药菌感染带来了希望，但这类天然多肽容易被酶解体内稳定性差、合成繁琐、价格昂贵，导致其应用受限。因此，通过模拟HDPs设计和发现抗菌功化合物（包括多肽聚合物）是有效解决办法。近年来，通过设计主链/侧链的化学结构，研究人员已经发现了多种α−多肽聚合物、β−多肽聚合物、聚噁唑啉等HDPs模拟物，对耐药菌表现出高效的抗菌活性。因此，化学结构导向的设计思路成为开发活性HDPs模拟物的经典策略。

近日，华东理工大学的刘润辉课题组在Science Advances上发表题为“Switching from membrane disrupting to membrane crossing, an effective strategy in designing antibacterial polypeptide”的研究论文，提出了机理导向的抗菌多肽聚合物设计策略。研究发现手性β-多肽聚合物结构在与细菌膜作用时形成的α−螺旋结构更容易破坏细菌膜，而异手性β-多肽聚合物与细胞膜的相互作用很弱，能穿过细菌膜作用于细菌内部。这启发作者以改变抗菌机理为策略设计抗菌多肽聚合物；同时，通过在多肽聚合物中适当引入生物相容性好的的氨基酸残基，获得具有高效抗耐药菌活性和生物安全性的β−多肽聚合物。

刘润辉课题组使用外消旋β−赖氨酸内酰胺单体通过阴离子开环聚合获得异手性的β−赖氨酸多肽聚合物（poly-β-lysine），使用荧光分子标记的聚合物通过荧光共聚焦显微镜观察其杀菌过程。手性的β−赖氨酸多肽聚合物（poly-β-L-lysine）破坏了细菌的细胞膜；而poly-β-lysine穿过了细菌的细胞膜，作用在内部后引起了细菌的死亡。细菌的膜扰动实验和扫描电子显微镜的结果也证明poly-β-L-lysine引起了细菌膜的剧烈扰动，且破坏了细菌膜的完整性；而poly-β-lysine仅引起细菌膜的轻微扰动，细菌膜的结构没有被明显破坏。这表明打破多肽聚合物手性以转变破膜抗菌机理为穿膜抗菌机理设计β−多肽聚合物的策略是成功的。

通过转换抗菌机制来设计低毒性多β肽的策略，以应对感染性疾病的挑战。(A)通过改变肽和细菌膜之间的相互作用机制，设计具有有效抗菌活性和低毒性的聚β-肽。(B)通过上述策略优化的聚β-肽在多种体内MRSA感染模型中显示出优异的治疗潜力，包括全层伤口感染、角膜炎、中性粒细胞减少性大腿感染、肺部感染和全身性腹膜炎感染。实验过程通过建立五种鼠感染模型用作参照，通过实验步骤并记录实验结果，其中实验小鼠肺部感染造模是通过使用肺部雾化给药器来完成，其模型建立步骤如下：

同时，实验人员在poly-β-lysine中引入适当比例的β−甘氨酸残基，能有效地减少poly-β-lysine毒性而保留其抗菌活性。最终优选的β−多肽聚合物（βLys50HG50）对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）展现出高效的抗菌活性，同时具有低溶血毒性和低哺乳动物细胞毒性。在多种MRSA局部感染动物模型和系统感染模型中，βLys50HG50表现出高效的治疗感染效果。在小鼠MRSA全皮层伤口感染、角膜炎、粒细胞减少的大腿感染模型、肺炎感染模型和系统性腹膜炎感染模型中均显示出相当、甚至优于“最后一线”抗生素万古霉素的体内治疗感染的效果。

在这项工作中，论文作者详细报道了打破多肽聚合物手性以转变破膜抗菌机理为穿膜抗菌机理设计β−多肽聚合物的策略，为今后设计和发现新型抗菌多肽化合物提供了新思路。

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