华东理工大学刘润辉教授课题组：模拟宿主防御肽的β多肽聚合物构筑高效抗菌表面
医疗器械和植入生物材料表面引发的微生物感染一直是临床中的头疼问题。近年来，随着抗生素耐药微生物的快速出现，这一问题成为更加严峻的挑战。华东理工大学刘润辉教授课题致力于解决这一难题，发现了基于β多肽聚合物修饰的高效抗菌表面。这一成果于2018年4月24日在线发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
为了克服传统抗生素容易导致微生物产生耐药性的固有缺点，科研人员近些年密切关注和研究存在于生物体内的天然宿主防御肽（Host Defense Peptide， HDP）及其模拟物，并取得了初步成果。刘润辉教授等人近年来通过β多肽聚合物模拟HDP，发现了具有高效和广谱活性的抗菌多肽聚合物，且未发现细菌对这类聚合物产生耐药性（Acta. Polym. Sin. 2016, 1300-1311特约专论）。这些前期成果都是基于在溶液体系中的多肽聚合物抗菌研究，且对代表性的β多肽聚合物抗菌机理研究揭示了聚合物自由跨越E. coli (大肠杆菌) 细胞外膜并首先破坏细胞内膜的机理。本成果中，科研人员致力于研究和实现这类聚合物修饰表面的抗菌功能，因此接枝到基材表面的聚合物被束缚且无法实现溶液中自由状态下的跨膜行为。这类β抗菌多肽聚合物接枝到表面后未知是否仍然具有抗菌功能，且可能的抗菌机理必定与溶液体系不同。
本成果的核心贡献在于证明β多肽聚合物作为潜在多功能生物材料可同时具有抗菌和促细胞生长功能，具体贡献体现在以下三个方面：
1）证明了β抗菌多肽聚合物接枝到表面后仍然可以具有高效抗菌功能（包括耐药菌）；
2）揭示了β多肽聚合物修饰表面通过置换/夺取细菌细胞膜上起到稳定细胞膜重要功能的二价Ca2+、Mg2+，获得抗菌功能的机理；
3）发现本文所研究的β多肽聚合物SH-(DM0.5CH0.5)18，在具有高效抗菌功能的同时，未观察到溶血和细胞毒性，且支持哺乳动物细胞在修饰表面的粘附和快速生长。
研究人员合成了端基为巯基的短链β多肽聚合物：SH-(DM0.5CH0.5)18，并在金表面修饰了单分子层的多肽聚合物。，发现该表面对于E. col及MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)都具有高效的杀菌活性（图1）。而作为对照的天然抗菌肽magainin 2(马盖宁)修饰表面只对大肠杆菌有效，对于MRSA活性很差，表明β多肽聚合物修饰表面具有更优异的抗菌性能。通过SEM表征接触表面前后的细菌，发现细菌接触β多肽聚合物修饰表面后细胞膜明显受损，提示了表面作用于细胞膜的机理。
图1. β多肽聚合物表面抗菌性能及细菌与表面作用前后SEM图片。(A，B)分别为多肽聚合物表面对E. coli（大肠杆菌）和MRSA（耐药性金黄色葡萄球菌）的抗菌活性；(C，D)分别为多肽聚合物表面与E. coli和MRSA作用前后的细菌表面形貌。（**p < 0.01 和 *p < 0.05）.
这一聚合物修饰表面不但具有高效的抗菌功能，而且对血红细胞无溶血（细胞形态健康），对哺乳动物细胞无毒性且有效促进细胞粘附和快速生长。（图2）。
图2. β多肽聚合物表面溶血活性及哺乳细胞毒性评价。(A) β多肽聚合物表面的溶血活性（**p < 0.01），(B) β多肽聚合物表面与红细胞作用前后的SEM图片；(C) 哺乳细胞在β多肽聚合物表面粘附（2小时）及生长（2 天）情况的死活染色评价，其中红色/绿色荧光代表死/活细胞。
椭圆偏振表征确认，表面修饰的聚合物层湿态厚度为6.39 nm；这样较短的β多肽聚合物分子，不足以穿透46 nm厚的大肠杆菌或者40 nm厚的金黄色葡萄球菌的整个细胞膜结构，即此表面抗菌不通过直接破膜使得细胞内容物流出继而导致细胞死亡。进一步研究发现，外加钙镁离子可显著降低聚合物修饰表面的抗菌活性，这暗示表面可能通过置换/夺取细菌细胞膜上起到稳定细胞膜重要功能的二价Ca2+、Mg2+实现抗菌功能。进一步在此研究体系中加入二价离子螯合剂EDTA（乙二胺四乙酸）后，聚合物修饰表面的抗菌活性显著增强。这一结果进一步验证和支持了聚合物修饰表面通过置换/夺取细菌细胞膜上起到稳定细胞膜重要功能的二价Ca2+、Mg2+实现抗菌功能的抗菌机理（图3）。
图3. β多肽聚合物表面抗菌机理研究。(A). 钙镁离子的加入对β多肽聚合物表面抗菌性能的减弱；(B) 体系中加入螯合剂EDTA后β多肽聚合物表面抗菌性能的回复，其中以不加EDTA时表面的抗菌活性作为100%；(C) β多肽聚合物表面抗菌机理研究过程示意图。（**p < 0.01, ##p < 0.01 and #p < 0.05）
β多肽聚合物可通过一锅法聚合制备，合成容易、结构可变性大、价格便宜、生物相容性好，适合作为医疗器械和植入生物材料表面的抗菌修饰材料。
华东理工大学的这一成果近期发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，文章第一作者为博士研究生钱宇芯，通讯作者为青年千人刘润辉教授。该研究得到国家重点研发计划（2016YFC1100401）和自然科学基金（No. 21574038, 21774031）等科研基金的资助。
论文链接:
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.8b01117
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