以機理導向的高效抗耐藥菌多肽化合物

設計和發現

抗生素是人類對抗微生物感染的有利武器，然而抗生素的大量使用導致近年來耐藥菌的不斷涌現。宿主防御肽（Host Defense Peptides, HDPs）的發現為抗耐藥菌感染帶來了希望，但這類天然多肽容易被酶解體內穩定性差、合成繁瑣、價格昂貴，導致其應用受限。因此，通過模擬HDPs設計和發現抗菌功化合物（包括多肽聚合物）是有效解決辦法。近年來，通過設計主鏈/側鏈的化學結構，研究人員已經發現了多種α−多肽聚合物、β−多肽聚合物、聚噁唑啉等HDPs模擬物，對耐藥菌表現出高效的抗菌活性。因此，化學結構導向的設計思路成為開發活性HDPs模擬物的經典策略。

近日，華東理工大學的劉潤輝課題組在Science Advances上發表題為“Switching from membrane disrupting to membrane crossing, an effective strategy in designing antibacterial polypeptide”的研究論文，提出了機理導向的抗菌多肽聚合物設計策略。研究發現手性β-多肽聚合物結構在與細菌膜作用時形成的α−螺旋結構更容易破壞細菌膜，而異手性β-多肽聚合物與細胞膜的相互作用很弱，能穿過細菌膜作用于細菌內部。這啟發作者以改變抗菌機理為策略設計抗菌多肽聚合物；同時，通過在多肽聚合物中適當引入生物相容性好的的氨基酸殘基，獲得具有高效抗耐藥菌活性和生物安全性的β−多肽聚合物。

      劉潤輝課題組使用外消旋β−賴氨酸內酰胺單體通過陰離子開環聚合獲得異手性的β−賴氨酸多肽聚合物（poly-β-lysine），使用熒光分子標記的聚合物通過熒光共聚焦顯微鏡觀察其殺菌過程。手性的β−賴氨酸多肽聚合物（poly-β-L-lysine）破壞了細菌的細胞膜；而poly-β-lysine穿過了細菌的細胞膜，作用在內部后引起了細菌的死亡。細菌的膜擾動實驗和掃描電子顯微鏡的結果也證明poly-β-L-lysine引起了細菌膜的劇烈擾動，且破壞了細菌膜的完整性；而poly-β-lysine僅引起細菌膜的輕微擾動，細菌膜的結構沒有被明顯破壞。這表明打破多肽聚合物手性以轉變破膜抗菌機理為穿膜抗菌機理設計β−多肽聚合物的策略是成功的。

通過轉換抗菌機制來設計低毒性多β肽的策略，以應對感染性疾病的挑戰。(A)通過改變肽和細菌膜之間的相互作用機制，設計具有有效抗菌活性和低毒性的聚β-肽。(B)通過上述策略優化的聚β-肽在多種體內MRSA感染模型中顯示出優異的治療潛力，包括全層傷口感染、角膜炎、中性粒細胞減少性大腿感染、肺部感染和全身性腹膜炎感染。

實驗過程通過建立五種鼠感染模型用作參照，通過實驗步驟并記錄實驗結果，其中實驗小鼠肺部感染造模是通過使用肺部霧化給藥器來完成，其模型建立步驟如下：

同時，實驗人員在poly-β-lysine中引入適當比例的β−甘氨酸殘基，能有效地減少poly-β-lysine毒性而保留其抗菌活性。最終優選的β−多肽聚合物（βLys50HG50）對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）展現出高效的抗菌活性，同時具有低溶血毒性和低哺乳動物細胞毒性。在多種MRSA局部感染動物模型和系統感染模型中，βLys50HG50表現出高效的治療感染效果。在小鼠MRSA全皮層傷口感染、角膜炎、粒細胞減少的大腿感染模型、肺炎感染模型和系統性腹膜炎感染模型中均顯示出相當、甚至優于“最后一線”抗生素萬古霉素的體內治療感染的效果。

在這項工作中，論文作者詳細報道了打破多肽聚合物手性以轉變破膜抗菌機理為穿膜抗菌機理設計β−多肽聚合物的策略，為今后設計和發現新型抗菌多肽化合物提供了新思路。

相關文獻：

Haodong Zhang, Qi Chen, Jiayang Xie, Zihao Cong, Chuntao Cao, Wenjing Zhan,Donghui Zhang, Sheng Chen, Jiawei Gu, Shuai Deng, Zhongqian Qiao, Xinyue Zhang,Maoquan Li, Ziyi Lu, Runhui Liu. "Switching from membrane disrupting to membrane crossing, an effective strategy in designing antibacterial polypeptide".  [J].Science Advances,9, eabn0771 (2023) 25 January 2023