“药当饭吃”导致“超级细菌”

抗生素耐药感染如今可以说是一个非常严重的公共卫生问题。通常利用抗生素治疗细菌感染的过程中，大多数的抗生素都是通过靶向细菌内的特异位点来发挥抗菌作用的。而这种方式常常保留了细菌细胞的形貌，从而容易造成细菌耐药性。

在全世界范围内，抗生素滥用现象普遍，特别是在畜牧业，人们会把抗生素混入饲料中定期投喂牲畜，长期下来造就了耐药性极强的“超级细菌”，对公共卫生安全造成了重大的威胁。

要抗菌，也要保护正常细胞

为了解决细菌耐药的问题，研究人员提出了许多替代型抗菌策略。如研究人员发现一些生物体能够产生天然的抗菌多肽（AMPs），这些多肽通过静电相互作用与细菌细胞膜进行作用并实施溶菌等抗菌手段，因而不容易造成耐药性问题。

为了提高抗菌性能，常常需要在多肽中引入疏水基团，这会导致多肽溶血能力的增加，进而提高对正常细胞的毒性。相反地，多肽的亲水性提高虽然能够降低细胞毒性，却也会削弱抗菌活性。因此，设计在结构和性质上均高度可调的抗菌聚合物对于开发新型抗菌药剂来说非常关键。

抗菌多肽的替代物

聚类肽（polypeptoids）是N-取代的甘氨酸的低聚物，代表着一类非常重要的伪肽化合物（pseudo-peptides）。一方面，由于具有相同的骨架结构，聚类肽具有与多肽/蛋白质类似的生物学活性；而另一方面，聚类肽缺乏手性和链内/链间氢键，从而使其具有高度可调性。同时后修饰（post-polyperization）策略也为聚类肽的功能化提供了平台。因此，基于这些性质，聚类肽有望成为新型、颇具前景的抗菌药剂。

兼具耐药细菌杀伤能力和选择性的聚类肽硫鎓

近期，陈学思院士和孙静教授等人制备了一系列聚类肽硫鎓聚合物（polypeptoid sulfoniums），并研究了这些化合物的疏水片段对抗菌活性和选择性的影响。通过优化疏水/亲水平衡，研究发现氯基环氧丙烷（chlorepoxypropane）改性的硫鎓（PEG 2k-PNAG n-ET-Cl）既展现出了高的抗菌活性，也具有优异的选择性。这类聚合物能够快速根除金黄色葡萄球菌，同时在重复使用的情况下也不会使细菌产生耐药性。此外，硫鎓聚合物还能够显著抑制葡萄球菌生物膜，并发挥良好的活体抗菌效果。相关工作以“High Antibacterial Activity and Selectivity of the Versatile Polysulfoniums that Combat Drug Resistance”为题发表在Advanced Materials。

一、聚类肽硫鎓聚合物

含锍离子（sulfonium-ion-containing）化合物广泛存在与动植物中，其带有永久性的正电荷，在催化、表面活性等领域均有所应用。近来的研究显示，锍类化合物即可作为潜在的基因递送载体，还具有强化抗菌剂杀菌效力的作用。因此，有研究在氨基酸中引入锍类化合物，形成硫鎓聚合物（Polysulfoniums）用于生物医学研究。

而在该项研究中，作者通过开环聚合和后修饰功能化手段合成了一系列聚类肽硫鎓聚合物（图1）。首先作者制得了PEG 2k-PNAG n-ET作为聚类肽前驱体，再利用功能化环氧化合物对其进行烷基化获得硫鎓聚合物。根据不同环氧化合物疏水性的差异，可制备亲疏水性不同的多种硫鎓聚合物（按照疏水性从大到小PEG 2k-PNAG n-ET-Bn、PEG 2k-PNAG n-ET-Cl、PEG 2k-PNAG n-ET- OEG 1–3）。

图1具有抗菌活性的含锍离子聚类肽

二、抗菌性能和对正常细胞的选择性

随后，作者利用最低抑菌浓度（MIC，抑制细菌生长的最低浓度）和最低杀菌浓度（MBC，完全杀灭细菌的最低浓度）这类指数来评估各类硫鎓聚合物的抗菌活性。研究发现，所有的硫鎓聚合物对金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性菌）均表现出优异的抗菌性质，其中PNAG 25-ET-Cl具有最高的抗菌活性，其MIC值可低至3.9 μg mL −1。同时是否引入PEG对硫鎓聚合物MIC和MBC值的影响微不足道。然而，对于革兰氏阴性的大肠杆菌来说，不同硫鎓聚合物的MIC值差异较大，其中PNAG25-ET-Bn的MIC值可低至3.9 μg mL−1，但PNAGn-ET-OEG的MIC值（>250 μg mL−1）却没有很大的抗菌意义。MBC值的测定也展现出了与MIC值类似的趋势。综合这些结果，研究认为对于革兰氏阴性大肠杆菌来说，硫鎓聚合物的亲水性提高会削弱其抗菌性能，同时ζ电位也会影响聚合物抗菌表现；而对于革兰氏阳性金黄色葡萄球菌来说，比起疏水性来说，阳离子电荷的增加才是清除细菌的最重要因素。

图2各类聚合物的抗菌活性和溶血活性

进一步地，作者还评价了这些聚合物的溶血作用。作者采用HC10（此为造成红细胞10%溶血的聚合物浓度）与MIC的比值作为选择性指标。检测发现，由于疏水性会强化红细胞溶解能力，疏水性最高的PNAGn-ET-Bn具有最低的HC10值，因而展现出较低的选择性（尽管MIC值很高）。而PNAG n-ET-OEG 1-3和PNAG n-ET-Cl则展现出了不太显著的溶血活性（HC 10均大于1000 μg mL −1），结合MIC值可知PNAG n-ET-OEG 1-3和PNAG n-ET-Cl都展现出了良好的选择性，尤其是PNAGn-ET-Cl，其对革兰氏阳性/阴性微生物和哺乳动物正常细胞（红细胞）的选择性分别高于128和256，选择性在所有研究的聚合物中最为突出。

研究还进一步解释了这些聚合物的抗菌机制。作者认为，低浓度的硫鎓聚合物能够提高细菌膜的通透性，并造成其溶解（lysis）。通过调整亲疏水平衡可促使聚合物通过静电作用附着在细菌表面，破坏其细胞膜致使溶解发生。这一抗菌机制与抗菌多肽类似，其原因可能是硫鎓聚合物具有两亲性结构和与抗菌多肽一致的分子骨架。

三、破坏细菌生物膜与克服细菌耐药性

作者还检验了硫鎓聚合物对细菌生物膜的作用。实验发现，PNAG 81-ET-Cl可有效抑制金黄色葡萄球菌生物膜的形成，当聚合物的浓度增至2 × MIC时，生物膜细菌的存活率大幅降低至0.15%。而对于成熟的生物膜（mature biofilms）来说，PNAG 81-ET-Cl的浓度达到32 × MIC水平时，细菌的存活率只有14.05%，展现出了良好的清除生物膜效果。此外，硫鎓聚合物也能够有效克服细菌耐药性的问题。在针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抗菌实验中，PNAG n-ET-Cl的MIC和MBC值与对抗金黄色葡萄球菌的类似，说明PNAG n-ET-Cl在抗耐药菌方面具有同样优异的表现。而在使用商用抗生素时，也未观察到交叉感染的情况。

图3PNAG59-ET-Cl的耐药性研究

四、活体抗菌效果

最后，作者建立了MRSA小鼠模型，研究了硫鎓聚合物在活体伤口杀菌上的抗菌效率。在感染MRSA4小时后，伤口位点利用PNAG 25-ET-Cl（15 μL，1 mg mL −1）进行治疗。治疗24小时后，MRSA的菌落形成单位（CFU）约为3 log/g，伤口收缩速度也显著加快；而在第五天的时候，伤疤区域尺寸恢复到只有初始的30%。更多的表征也显示，治疗后伤口可观察到更多新生的胶原和血管，表明硫鎓聚合物在活体上展现出了优异的杀菌和伤口修复能力。

图4活体伤口感染模型的抗菌活性研究

结论：在这项研究中，基于开环聚合和后修饰功能化策略，作者发展了一种制备阳性聚类肽硫鎓聚合物的普适方法。同时，作者还进一步阐释了硫鎓聚合物的抗菌活性和选择性与亲疏水平衡高度相关。特别是对于氯基环氧化合物修饰的硫鎓聚合物来说，其展现出了对金黄色葡萄球菌的快速消杀作用，经过重复使用还不会致使细菌产生耐药性和与商用抗生素的交叉抗性。经过系统研究，作者认为硫鎓聚合物的抗菌机制与抗菌多肽类似，都是通过破坏细菌细胞膜来发挥抗菌作用。最后，在小鼠模型中，硫鎓聚合物也发挥了强效的抗菌性能。这些结果都说明，聚类肽硫鎓聚合物展现出了作为新型抗菌剂的巨大前景。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104402

来源：高分子科学前沿

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