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华东理工大学刘润辉教授课题组与上海瑞金康复医院合作:发现模拟宿主防御肽的多肽聚合物对临床分离的多药耐药细菌显示广谱高活性
2020-02-05  来源:高分子科技
关键词:抗菌 多肽聚合物

  青霉素的发现和应用无疑是药物开发历史上一个重要的里程碑。但是,抗生素的过度使用,导致多药耐药性(multidrug resistance, MDR)细菌的出现和传播,使抗生素在细菌感染治疗中的效果不断下降。因此,迫切需要研发出具有高效抗菌活性且不易使细菌产生耐药性的新型抗菌剂。针对这一全球性挑战,华东理工大学刘润辉教授课题组前期通过模拟宿主防御肽(host defense peptides, HDPs),合成并发现了具有高效抗菌活性的多肽聚合物(Biomater. Sci., 2019, 7, 2144–2151)。在此基础上,本研究通过与上海市瑞金康复医院合作,继续研究优选化合物对临床多药耐要菌的活性。

  研究者从住院病人化验样本中分离、鉴定了45株临床细菌菌株。药敏分析发现大多数菌株对多种抗菌药物具有不同程度的耐药性;相当一部分菌株甚至对所有测试抗生素均具有耐药性,佐证了多药耐药性细菌感染的紧迫形势。刘润辉教授课题组前期研究中优选的抗菌多肽聚合物80:20 DM:Bu不仅在合成上具有很好的可重复性和可控性,且对上述临床分离的MDR细菌菌株仍表现出快速、广谱以及高效的体外抗菌活性,兼具较低的溶血毒性和细胞毒性。在铜绿假单胞菌感染的大鼠全皮层伤口感染模型中,该多肽聚合物具有与多粘菌素B相当的体内抗菌活性。这些特性都展示了该抗菌多肽聚合物在多药耐药临床细菌感染治疗方面的潜力。该研究成果以题为“Host Defense Peptide Mimicking Peptide Polymer Exerting Fast, Broad Spectrum, and Potent Activities toward Clinically Isolated Multidrug-Resistant Bacteria”发表在《ACS Infectious Diseases》杂志上。

  首先,研究人员探究了不同批次多肽聚合物在化学结构以及抗菌生物活性等方面的可重复性(图1)。GPC和NMR表征以及最低抑菌浓度(MIC)、溶血测试都表明不同批次聚合物在化学结构和抗菌生物活性等方面具有很好的可重复性。

图1.(a)多肽聚合物80:20 DM:Bu的合成;(b,c)不同批次多肽聚合物80:20 DM:Bu的凝胶渗透色谱(GPC)和核磁共振(NMR)表征。

  接着,研究人员从取自病人的样本中分离得到45株临床菌株。临床菌株的药敏分析表明,大多数临床菌株对多种抗菌药物都有耐药性(图2)。在45株临床分离的菌株中,有41株(91.1%)对一种或多种抗菌药物有耐药性。此外,有6株临床分离的细菌对所有测试的13种抗菌药物均具有耐药性,这表明了细菌耐药性的严峻形势。

图2. 临床分离菌株的抗生素敏感性。(a)金黄色葡萄球菌和溶血葡萄球菌;(b)铜绿假单胞菌和大肠杆菌;(c)肺炎克雷伯氏菌和鲍曼不动杆菌。

  接下来,研究人员以氨苄青霉素和链霉素作为对照测试了该多肽聚合物对这些临床分离菌株的体外抗菌活性(表1)。结果表明,大多数临床分离的菌株对氨苄青霉素和链霉素均具有高水平的耐药性。然而多肽聚合物对所有这些临床分离的细菌菌株均具有有效的活性,其MIC值的范围为3.13-50 μg/mL,除了对于某些肺炎克雷伯氏菌的MIC值为100 μg/mL,这显示了多肽聚合物的广谱抗菌活性,为其今后的广泛应用打下坚实的基础。

表1. 多肽聚合物80:20 DM:Bu及抗生素对临床分离菌株的MIC分布。

  进一步杀菌动力学研究发现,多肽聚合物可实现超快速杀菌(图3),在 2 倍 MIC 的浓度下 10分钟内杀死约99%的溶血葡萄球菌,而链霉素在相同浓度下10分钟内对溶血葡萄球菌几乎没有作用。对于鲍曼不动杆菌,多肽聚合物在2分钟内杀死了近99.9%的鲍曼不动杆菌。然而,即使在90分钟后,链霉素对鲍曼不动杆菌也几乎没有作用。

图3. (a,b)多肽聚合物80:20 DM:Bu以及链霉素的时间杀菌曲线。(a)溶血葡萄球菌1005;(b)鲍曼不动杆菌0504。

  最后,研究人员在铜绿假单胞菌感染的大鼠全皮层伤口感染模型中评估多肽聚合物的体内抗菌功效(图4)。结果表明,与生理盐水组相比,多肽聚合物治疗组在伤口处的菌落浓度显著降低(降低大约3.4 log),与药物多粘菌素B(降低大约3.1 log)活体抗菌活性相当。

图4. (a)大鼠全皮层损伤感染模型示意图;(b)经生理盐水、多肽聚合物80:20 DM:Bu和多黏菌素B处理后伤口菌落数分析。

  多肽聚合物的简便合成、可重复性,结构的多样性与高效的体外、体内抗菌活性,显示了其在临床多药耐药细菌感染治疗方面的发展潜力和价值。

  该论文的共同第一作者为华东理工大学硕士研究生陈胜和上海市瑞金康复医院邵晓彦医生,华东理工大学刘润辉教授,上海市瑞金康复医院戴屹东医生以及上海交通大学附属瑞金医院费健教授为论文共同通讯作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委等基金的资助。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsinfecdis.9b00410

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(责任编辑:xu)
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