聚恶唑啉宿主防御肽模拟物对MRSA抗菌机制研究新进展

来源：CBG资讯

多肽是一种广泛存在于生命体内的生物功能大分子，在组织工程、药物开发以及生物材料等众多领域具有重要应用前景。然而，天然多肽易被蛋白酶水解、体内稳定性差、难以大量制备且合成价格昂贵等缺点限制了其广泛应用。在前期的研究工作中，刘润辉教授课题组首次用聚恶唑啉实现功能性多肽模拟，并以宿主防御肽（HDP）为模型首次展示了聚恶唑啉模拟HDP并获得高效抗菌功能，实现了对耐甲氧西林金葡菌（MRSA）的体外、体内高效抗菌活性（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 7240-7244，VIP 论文和封面论文）。本研究进一步探究了模拟HDP聚恶唑啉侧链结构变化对聚合物抗菌机理的影响，发现轻微改变侧链结构可以调控聚恶唑啉对MRSA的抗菌机理，即从不作用于细胞膜而是进入细胞并与细胞内部DNA结合产生ROS的作用机理转换为与直接作用于细胞膜的机理（Fig. 1.），并产生了不同的杀菌效率和对细菌形态不同程度的破坏。这种通过结构调控杀菌机理的发现对抗菌聚合物的结构设计具有指导意义。论文发表在国内科学期刊Journal of Materials Science & Technology，DOI: 10.1016/j.jmst.2020.06.006。

Fig. 1. Amphiphilicity induced antibacterial mechanism switch from DNA-targeting to membrane-targeting。

具有甘氨酸侧链的聚恶唑啉（简称Gly-POX20）可直接穿透细菌细胞膜并与细菌内DNA发生强相互作用，导致细菌产生大量活性氧自由基（ROS）从而杀死细菌。本文在Gly-POX20的基础上，进一步增加了侧链的疏水性，制备了具有γ-氨基丁酸侧链的聚恶唑啉（简称GABA-POX20）。首先，通过对比Gly-POX20和GABA-POX20对MRSA的细胞质膜去极化作用，发现Gly-POX20对MRSA细胞膜不具有去极化作用，即与细胞膜没有相互作用。GABA-POX20显示出对细胞质膜相对较强的去极化作用（Fig. 2.），意味着聚合物对细胞膜具有温和的相互作用。

Fig. 2. Cytoplasmic membrane depolarization of S. aureus USA 300 induced by GABA-POX20 at 2 × MBC and Gly-POX20 at 2 × MBC.

随后，通过测试Gly-POX20和GABA-POX20在相同的最低杀菌浓度（MBC）倍数浓度下对MRSA的抗菌动力学研究其杀菌效率。在2倍MBC浓度下，Gly-POX20只需10分钟即可杀死99%的细菌，而GABA-POX20则需要花费4小时；在5倍MBC浓度下，Gly-POX20仅需2分钟便即可杀死99%的细菌，而GABA-POX20则需要花费1小时（Fig. 3.）。综上，与MRSA细胞膜相互作用的GABA-POX20显示出比与MRSA细胞内DNA相互作用的Gly-POX20更缓慢的杀菌效率，这个结果也支持了GABA-POX20对细胞膜具有温和相互作用的抗菌机理的猜想。

Fig. 3. In vitro killing kinetics of GABA-POX20 and Gly-POX20 against S. aureus USA 300 at 2 × MBC and 5 × MBC respectively.

进一步，研究人员用扫描电子显微镜（SEM）表征了两种聚合物处理后的细菌形态的变化。1倍MBC浓度的Gly-POX20处理后的MRSA，细胞膜表面裂解，细菌失去了完整的细胞结构，这可能是因为其具有快速穿膜并与DNA结合从而快速产生大量ROS，从内部“爆破”杀菌所导致；而1倍MBC浓度的GABA-POX20处理后的MRSA，细菌细胞显示出轻微的变形且细胞膜出现凹陷（Fig. 4.），这可能是由于GABA-POX20从细菌外部开始扰动细胞膜继而杀菌的机理所致。作者推测，GABA-POX20具有的正电荷侧链中烷基结构增强了聚合物与细胞膜磷脂双分子层中脂质的相互作用，从而导致了抗菌机理和抗菌效率的改变。

Fig. 4. SEM characterization of untreated S. aureus, S. aureus treated with Gly-POX20 for 5 min at 1 × MBC, and S. aureus treated with GABA-POX20 for 20 min at 1 × MBC respectively. S. aureus USA 300 was used in this study.

华东理工大学材料科学与工程学院研究生代承志、周敏是该论文的共同第一作者，华东理工大学刘润辉教授为通讯作者。该研究得到了上海自然科学基金和国家自然科学基金等资助。