【人物与科研】郑州大学张恩课题组EJMC：双芳香族核连接抗菌肽模拟物的开发：取代基位置显著影响抗菌活性和溶血毒性

导语

细菌对抗生素的耐药是一个重大的全球公共卫生问题，因此迫切需要开发新的抗菌药物。宿主防御肽（Host defense peptide, HDPs）由于其广谱的抗菌活性和安全性，作为潜在的抗生素替代品受到越来越多的关注。但是，它们的临床应用受到了高制造成本和体内稳定性差的限制。药物化学家受HDPs的启发，基于其阳离子和两亲性的结构特性，设计并合成了一些具有良好活性的小分子阳离子抗菌肽模拟物（AMPs）。
印度Halder等报道了一系列由两个亲水基团和三个疏水基团组成的小阳离子分子，化合物I具有较低的红细胞毒性，同时保持良好的抗菌活性。在此基础上，作者在前期工作中用苯醚基团取代中间烷基连接基团，合成了一系列模拟肽化合物。作者发现使用联苯醚作为linker可以提高化合物II的抗菌活性，降低红细胞毒性。最近，郑州大学张恩课题组设计并合成了一系列各种芳香核linker连接的对称性二氨基酸化合物。构效研究表明，中间芳香族连接剂对二氨基酸类化合物的毒性有显著影响。化合物III和IV具有相同的亲水性二氨基酸链和疏水性烷基链，但由于取代基位置的不同，它们的毒性差异很大，如图1所示。相关研究成果以“Development of biaromatic core-linked antimicrobial peptide mimics: Substituent position significantly affects antibacterial activity and hemolytic toxicity”为题发表在Eur. J. Med. Chem.（DOI: 10.1016/j.ejmech.2022.115029）。

图1. 抗菌肽模拟物的结构（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）

前沿科研成果

在本研究中，作者合成了一系列具有不同连接剂的季铵盐阳离子小分子，研究不同连接剂对抗菌活性和毒性的影响。由于在作者之前的研究中联苯和双萘linker对活性影响明显，作者选择了不同取代基的联苯基团和不同手性的双萘基团作为linker，希望能发现性能优越的新化合物（图2）。

图2. 抗菌肽模拟物3a-3p的合成（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）

化合物3a-3p对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的最低抑制浓度（MICs）进行药敏试验，并对这些化合物对绵羊红细胞的毒性进行了评估。总的来说，这些化合物对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出抗菌活性。从构效关系评价，筛选出3e作为先导化合物。3e对包括MRSA在内的金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，且溶血毒性低。杀菌动力学表明3e可以快速杀灭病原体（图3）。

图3. 杀菌动力学研究（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）

此外，化合物3e不会引起金黄色葡萄球菌耐药以及抗生素之间的交叉耐药（图4）。

图4. 3e诱导耐药实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）

3e通过破坏细胞膜而发挥抗菌作用，扫描电镜和荧光染色都说明了3e对细菌膜的破坏。（图5）

图5  电镜和荧光染色实验（图片来源Eur. J. Med. Chem.）

抗菌机制揭示，化合物3e针对细菌细胞膜上的PG和CL，破坏细胞膜，引起物质泄漏，导致细菌死亡。内源性ROS的积累也对3e的抗菌活性有显著贡献（图6）。

图6. 抗菌机制研究（图片来源Eur. J. Med. Chem.）

3e在小鼠MRSA皮下感染模型中表现出良好的疗效，与万古霉素相比具有更好的效力。这些结果表明，化合物3e有可能在未来用作抗菌药物（图7）。

图7. 体内实验（图片来源：Eur. J. Med. Chem.）

总结： 细菌对大多数具有临床意义的药物产生耐药性，使得用常规抗生素治疗细菌感染变得更加困难。作为正在进行的抗菌肽模拟物研究的一部分，作者设计并合成了一系列具有不同linker的季铵阳离子化合物，其中一些化合物对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌具有较高的抗菌活性。构效研究表明，取代基的空间位置对抗菌活性和溶血毒性有显著影响。最佳化合物3e在哺乳动物体液中稳定，很少诱导细菌耐药。机制研究表明，膜作用方式可能是其潜在的杀菌机制，它能有效地引起细胞内活性氧的积累以杀灭细菌。重要的是，3e能有效降低耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在小鼠皮肤中的负荷，体内杀菌效率高于万古霉素。这些发现强调了季铵盐阳离子作为抗菌肽模拟物的意义，以及这些阳离子治疗细菌感染的潜力。
本篇工作通讯作者为郑州大学的张恩副教授和秦上尚副教授。郑州大学的硕士研究生李森为该论文的第一作者，硕士研究生王梦为第二作者。上述研究工作得到国家自然科学基金项目（No. 21702190）、河南省科技厅项目（No. 222102310010）、郑州大学项目（No. 222102310010）资助。

张恩副教授简介

2004年本科毕业于兰州大学，2009年获兰州大学有机化学专业理学博士学位，导师涂永强院士；2010年至今在郑州大学药学院工作；2019-2020在美国南佛罗里达大学访问学习。工作以来主持国家自然科学基金项目2项，中国博士后基金及教育部项目5项，河南省教育厅项目2项，科技厅项目2项，郑州大学引进人才科研启动资金1项；横向项目5项。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Commun.等国内外 SCI 期刊发表论文26 篇；第一发明人授权发明专利 12项。是Chem. Sci.、Adv. Sci.等杂志审稿人。

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