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西工大李鵬教授課題組 Sci. Adv.:可選擇性殺滅ESKAPE耐藥菌的含氟兩親性陽(yáng)離子聚合物
2024-09-01  來(lái)源:高分子科技

  近年來(lái)多重耐藥細(xì)菌的迅速傳播已演變成為全球性的醫(yī)療危機(jī),臨床上常見(jiàn)的高毒力、高耐藥性致病菌如屎腸球菌(E. faecium)、金黃色葡萄球菌(S. aureus)、肺炎克雷伯菌(Kpneumoniae)、鮑曼不動(dòng)桿菌(A. baumannii)、銅綠假單胞菌(P. aeruginosa)和腸桿菌屬(Enterobacter spp.),因其傳統(tǒng)抗生素的治療而被稱為“ESKAPE”菌。在全球范圍內(nèi),ESKAPE菌是醫(yī)院感染的主要原因,世界衛(wèi)生組織將它們定義為需要關(guān)鍵/高度優(yōu)先應(yīng)對(duì)的病原體,這6種病菌中有2種為革蘭氏陽(yáng)性菌,4種為革蘭氏陰性菌。相比革蘭氏陽(yáng)性菌,革蘭氏陰性菌由于更復(fù)雜的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和高度活躍的外排泵系統(tǒng),導(dǎo)致其更易產(chǎn)生耐藥性。目前,新抗生素的開(kāi)發(fā)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于細(xì)菌耐藥性的發(fā)展速度,已超過(guò)50年無(wú)新的抗生素類別被批準(zhǔn)用于治療革蘭氏陰性細(xì)菌感染。因此,亟需研發(fā)具有高選擇抗菌活性且不易引發(fā)耐藥的新型抗菌劑,以應(yīng)對(duì)廣泛蔓延的革蘭氏陰性ESKAPE菌感染。


  西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院李鵬教授課題組長(zhǎng)期聚焦于應(yīng)對(duì)耐藥菌感染的生物材料與柔性器件研究,近期該課題組合成了一類新型含氟兩親性陽(yáng)離子聚合物,其能夠選擇性地殺滅多重耐藥的革蘭氏陰性ESKAPE病原體,同時(shí)延緩耐藥性的產(chǎn)生。受具有陽(yáng)離子兩親性結(jié)構(gòu)的天然抗菌肽啟發(fā),該課題組利用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合技術(shù)(RAFT)合成了一系列含氟兩親性陽(yáng)離子聚合物,通過(guò)可控聚合調(diào)控陽(yáng)離子單體(2-氨基乙基甲基丙烯酸酯鹽酸鹽,AEMA;2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯,DMAEMA)和疏水單體(2,2,3,3,4,4,4-七氟丁基甲基丙烯酸酯,HFBMA)之間的配比,優(yōu)化分子生物活性(圖1)。相比傳統(tǒng)的疏水烷基,含氟基團(tuán)具有更優(yōu)的疏水、疏油以及生物相容性,可提升陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性并降低溶血性。這項(xiàng)研究表明,PAmHFn系列聚合物具有廣譜抗菌性能,而PDmHFn系列聚合物則具有針對(duì)革蘭氏陰性菌的選擇殺菌性,可有效殺滅多種革蘭氏陰性ESKAPE耐藥菌株,同時(shí)具有良好的哺乳動(dòng)物細(xì)胞相容性和低溶血性,為革蘭氏陰性菌感染的治療藥物研發(fā)提供了一種新的研究思路。


1含氟兩親性陽(yáng)離子抗菌聚合物的合成和設(shè)計(jì),所合成的PAmHFn系列聚合物具有廣譜殺菌性,PDmHFn系列聚合物具有革蘭氏陰性菌選擇殺菌性


  研究結(jié)果表明,共聚物中含氟鏈段的增加,能夠顯著提升兩親性陽(yáng)離子抗菌聚合物的抗菌能力。其中,最優(yōu)的含氟兩親性聚合物(PD45HF5)對(duì)于多重耐藥革蘭氏陰性ESAKPE病原體的最小抑菌濃度可低至4-32 μg/mL,甚至對(duì)于多重耐藥的鮑曼不動(dòng)桿菌(multidrug resistance A.baumanniiMDRAB)和產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶腸桿菌extended-spectrumβ-lactam E. coli,ESBL-EC抗菌性能最小抑菌濃度可低至4 μg/mL優(yōu)于一線抗生素左氧氟沙星。最優(yōu)的PD45HF5聚合物不僅對(duì)多重耐藥革蘭氏陰性的ESKAPE病原體具有高效的抗菌活性,同時(shí)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性(半溶血濃度>4096 μg/mL),細(xì)胞選擇性(半溶血濃度/最小抑菌濃度)超過(guò)1000(圖2)。


2PAmHFnPDmHFn的細(xì)胞選擇性。a-b: PAmHFn對(duì)于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和臨床耐藥ESAKPE病原體的細(xì)胞選擇性;c-d: PDmHFn對(duì)于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和臨床耐藥革蘭氏陰性ESAKPE病原體的細(xì)胞選擇性。


  為了研究?jī)捎H性含氟陽(yáng)離子聚合物的抗菌機(jī)理,膜去極化結(jié)果表明兩親性含氟聚合物可穿透細(xì)菌細(xì)胞膜,從而釋放出較強(qiáng)的熒光信號(hào)。同時(shí)當(dāng)兩親性含氟聚合物與細(xì)菌共孵育后,細(xì)胞膜表面出現(xiàn)了不同程度的褶皺、凹陷甚至穿孔,綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)兩親性含氟聚合物主要以膜破壞的機(jī)制發(fā)揮抗菌作用(圖3)。


3PAmHFnPDmHFn的抗菌機(jī)理。a-b: PAmHFnPDmHFn的膜去極化作用;c: PA40HF10PD45HF5左氧氟沙星對(duì)ESBL-EC的細(xì)菌殺傷動(dòng)力學(xué);d-e: 細(xì)菌與不同聚合物共孵育后的形貌變化


  此外,兩親性含氟聚合物在延緩耐藥性方面也展現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn)。在連續(xù)傳代培養(yǎng)超過(guò)100代的條件下,ESBL-EC對(duì)傳統(tǒng)抗生素左氧氟沙星產(chǎn)生了明顯的耐藥性,而在同樣條件下未對(duì)兩親性含氟聚合物產(chǎn)生耐藥性。為了研究PD45HF5的革蘭氏選擇性抗菌性能,該課題組利用脂多糖抑制試驗(yàn)進(jìn)行了探索。與革蘭氏陽(yáng)性菌不同,脂多糖作為革蘭氏陰性菌外膜的獨(dú)特組成部分,結(jié)果表明PD45HF5與脂多糖共孵育會(huì)以濃度依賴性方式對(duì)其抗菌效果造成顯著影響,這可能歸因于PD45HF5與革蘭氏陰性菌表面的脂多糖具有一定的親和作用。因此PD45HF5更易與革蘭氏陰性菌的脂多糖進(jìn)行結(jié)合,從而具有針對(duì)革蘭氏陰性菌的選擇殺菌性(圖4)。


4:細(xì)菌耐藥性測(cè)試脂多糖抑制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。


  該課題組進(jìn)一步評(píng)估了最優(yōu)PD45HF5的體內(nèi)抗感染療效,結(jié)果表明在傷口感染和腹膜炎動(dòng)物模型中均顯示出相當(dāng)于抗生素的體內(nèi)治療效果,其顯著降低了感染部位的細(xì)菌負(fù)荷,展示了其在抗革蘭氏陰性耐藥菌感染方面的治療潛力(圖5。綜上,含氟兩親性聚合物可作為一種有前景的抗菌劑以特異性針對(duì)多重耐藥革蘭氏陰性的ESKAPE細(xì)菌感染,在緩解耐藥性方面具有巨大潛力。


5:體內(nèi)腹膜炎感染模型。a-d: 腹腔積液、肝、脾、腎細(xì)菌計(jì)數(shù);e: 不同材料處理后腹部器官的蘇木精-伊紅染色染色圖像


  相關(guān)工作以Fluoroamphiphilic polymers exterminate multidrug-resistant Gram-negative ESKAPE pathogens while attenuating drug resistance為題發(fā)表在Science Advances上。西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院李鵬教授為本文通訊作者,2023屆博士生畢業(yè)生周倩和2022屆碩士畢業(yè)生李琨鵬為共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。


  論文信息:

  Qian Zhou?, Kunpeng Li?, Kun Wang, Weilin Hong, Jingjie Chen, Jin Chai, Luofeng Yu, Zhangyong Si, Peng Li*. Fluoroamphiphilic polymers exterminate multidrug-resistant Gram-negative ESKAPE pathogens while attenuating drug resistance. Science Advances, 2024, 10(35), eadp6604.

  文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp6604

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