JACS：具有破坏并抑制细菌膜生成作用的仿肽聚氨酯
The following article is from 吕华课题组 Author LH Group
80%以上的人类慢性细菌感染与细菌膜有关，细菌膜是一种膜状的细菌群落，细菌被包裹在其分泌的外多糖基质中，这种基质可以帮助细菌抵御化学伤害。使用抗生素无法消除细菌膜引起的持续慢性感染，并且会促进耐药菌株的出现，因此，研发可以抑制并破坏细菌膜的材料有重要的意义。
抗菌肽是非常有前景的抗细菌膜材料之一，但肽本身的pH敏感性和血清-蛋白相互作用使其临床转化存在困难。人工合成的仿肽聚合物能够克服抗菌肽的缺点，并具有类似的抗菌活性。
本文作者合成了一种水溶性的仿肽聚氨酯，可以破坏铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌建立的细菌膜，这些细菌对传统抗生素多粘菌素B和环丙沙星都有较强的耐受性。此外，该聚氨酯对浮游细菌的抗菌活性较差，但可以通过防止细菌的表面附着，并刺激细菌运动，来抑制亚抑菌浓度下革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌膜的形成，同时该聚氨酯对哺乳动物细胞没有毒性。
作者在先前报道过具有可调选择性和低细胞毒性的抗菌仿肽聚合物库，在本研究中作者探索了这些聚合物变体的结构性质关系，揭示了其抗菌特性背后的机制。为了模拟抗菌肽的两亲性结构，作者在聚氨酯中添加拟精氨酸和拟赖氨酸基团作为阳离子基团，又使用拟苯丙氨酸和丙氨酸作为悬垂基团，使聚氨酯具有两亲性。作者选择了60/40的电荷/疏水基团比例，使用N端功能化的二乙醇酰胺与1,6-己二异氰酸酯一锅法聚合得到目标聚合物，合成路线如图1所示。
作者通过1H-NMR确定了聚合物的组成，并确定聚氨酯的摩尔质量为9~10 kg/mol。由于聚合物的摩尔质量和疏水性直接影响其对哺乳动物细胞的毒性，所以作者通过合成较低分子量聚合物的办法降低聚合物的细胞毒性。
作者首先测试了聚氨酯对于三种常见细菌膜的抑制能力，分别是铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，并且总结了不同修饰的聚氨酯最小细菌膜抑制浓度MBIC（Minimum Biofilm Inhibitory Concentration）的差异（图2），并以多黏菌素B和环丙沙星作为对照。可以看出，聚氨酯的疏水性对MBIC影响不大，但拥有mArg修饰的聚氨酯对细菌膜的生成有更好的抑制作用。
作者又使用三种不同的培养基测试了各种聚氨酯对于浮游细菌的抗菌活性，结果如图3所示。曾有文献报道抗菌聚合物与培养基中的蛋白结合会导致抗菌活性的丧失，本研究结果与文献报道相符。
另外，作者还测试了各种聚氨酯对于已形成的细菌膜的破坏能力，实验步骤与结果如图4所示。通过共聚焦显微结果可以看出，环丙沙星和多黏菌素B不能完全破坏铜绿假单胞菌的细菌膜，同时环丙沙星还会导致长丝状细胞的出现，这些细胞与细菌耐药性增强相关，正是如此，持续的慢性感染难以使用抗生素治愈。然而聚氨酯mLys/mPhe和mLys/mAla能够在32 μg/mL浓度下破坏细菌膜，mArg/mPhe能在16μg/mL浓度下破坏细菌膜。此外，这些聚氨酯也可以破坏金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细菌膜，具有广谱的抗细菌膜效果。
考虑到细菌膜的形成是一个动态多步骤过程，细菌的丝状蛋白结构与表面的作用在细菌膜形成过程中起到关键作用，作者假设聚氨酯对细菌膜的抑制作用与这些表面作用相关，通过使用共聚焦显微手段探究了各种聚氨酯对于细菌表面附着和运动的影响，实验结果如图5所示，证明聚氨酯显著地抑制了细菌的表面附着。细菌通过静电吸引的作用在表面上附着，作者通过测定Zeta电势发现，聚氨酯可以快速改变细菌细胞表面的电荷，从而减少附着的发生。
作者还研究了各种聚氨酯对细菌抽搐和集群运动的影响，以及聚氨酯的溶血现象和细胞毒性等，证明了其作为药物的潜力。
综上所述，作者合成了一类仿肽聚氨酯，该类聚氨酯可以破坏细菌膜并抑制细菌膜的生成，同时对哺乳细胞没有毒性。作者探究了该类聚合物抑制细菌膜生成的机理，发现其阳离子基团有效地抑制了细菌-表面的相互作用，从而起到抑制细菌膜生成的作用。该研究结果为细菌膜抑制剂的开发提供了一种新的策略。
该研究以Peptidomimetic Polyurethanes Inhibit Bacterial Biofilm Formation and Disrupt Surface Established Biofilms 为题发表在JACS上。本文的通讯作者是来自美国阿克伦大学的Abraham Joy副教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c02324
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