同济大学杜建忠、范震、贺石生教授团队：胶束增强抗生素抗菌活性

第一作者：陈灵珊、洪苑秀

通讯作者：贺石生、范震、杜建忠

通讯单位：同济大学附属上海市第十人民医院骨科；同济大学材料科学与工程学院高分子材料系；同济大学高等研究院；同济大学，先进土木工程材料教育部重点实验室

引用信息

陈灵珊, 洪苑秀, 贺石生, 范震, 杜建忠. 聚(ε-己内酯)-多肽共聚物胶束增强抗生素的抗菌活性. 物理化学学报, 2021,37 (10), 1910059.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201910059

Chen, L. S.; Hong, Y. X.; He, S. S.; Fan, Z.; Du, J. Z. Poly(ε-caprolactone)-Polypeptide Copolymer Micelles Enhance the Antibacterial Activities of Antibiotics. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (10), 1910059.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201910059

主要亮点

本文构建了一种抗菌肽共聚物胶束，研究了其对抗生素的负载、缓释效果与抗菌活性增强效应。该胶束负载抗生素后，将抗生素对大肠杆菌的最低抑菌浓度降低了一个数量级，为增强抗生素的抗菌效率、减少抗生素用量提供了新策略。

研究背景：意义、现状

细菌感染会导致炎症、流感等多种疾病，在临床上通常用抗生素进行治疗，但仍存在一些缺点。滥用抗生素还可能导致细菌耐药，从而产生“超级细菌”。因此，需要开发新的抗菌剂来提高抗生素的抗菌效率。为了解决该问题，人们研发了具有不同抗菌机制的抗菌剂，例如季铵阳离子聚合物，纳米银，壳聚糖衍生物，抗菌肽等。其中，抗菌肽共聚物可自组装形成多种抗菌纳米材料，例如囊泡，胶束等。负载抗生素后，有望延长药物作用时间，并提高其抗菌活性，从而降低抗生素用量。

核心内容

1  合成抗菌肽聚合物胶束

首先，通过氨基酸环内酸酐和ε-己内酯开环聚合，制备了多肽基的聚合物[PCL₃₄-b-PGA₃₀-b-P(Lys₁₆-stat-Phe₁₂)]。该聚合物可以自组装成聚合物胶束，其中疏水嵌段PCL构成胶束核，亲水嵌段PGA₃₀-b-P(Lys₁₆-stat-Phe₁₂)构成胶束外冠。其中，PGA₃₀带负电荷，可负载带正电的抗生素。P(Lys₁₆-stat-Phe₁₂)具有良好的抗菌作用。

图1  (a，b) 聚合物胶束的透射电子显微镜图；(c) 胶束的动态光散射结果。

2  胶束的性能研究

合成胶束后，对胶束的临界胶束浓度、细胞毒性和缓释性能进行研究。该胶束的临界胶束浓度为25.6 μg·mL^–1。

采用CCK-8来测试了胶束对于L02细胞的细胞毒性。实验表明，在37.5–600 μg·mL^–1的浓度范围内，胶束没有显示出明显的细胞毒性。当浓度小于300 μg·mL^–1时，包载妥布霉素的胶束也未显示出明显细胞毒性。

将包载妥布霉素的胶束在去离子水中透析，通过用荧光光谱仪测量透析后的溶液，证实妥布霉素已成功地装载在胶束中。该聚合物的PGA嵌段含有带负电的羧基，妥布霉素含有带正电的氨基；由于静电吸附作用，妥布霉素主要被吸附在聚合物胶束的PGA外冠上。其载药效率和载药量分别为24.3％和5.2％。缓释曲线表明，8 h后，释放率为85％，证明该聚合物胶束具有较好的抗生素缓释性能。

图2  (a) 聚合物的临界胶束浓度；(b) 不同浓度聚合物胶束的对于L02细胞的细胞毒性；(c) 不同浓度的包载妥布霉素的聚合物胶束对于L02细胞的细胞毒性；(d) 包载妥布霉素的聚合物胶束的缓释曲线。

3  胶束与聚合物协同抗菌

未包载抗生素时，该聚合物胶束带负电(−26.7 mV)，与细菌表面相斥，难以粘附在细菌表面上。但是，该胶束对带正电的妥布霉素具有很好的负载性能，负载妥布霉素的胶束对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)分别为7.8和18.2 μg∙mL^–1。游离妥布霉素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC分别为3.9和1.0 μg∙mL^–1。由于胶束的载药量为5.2％，因此包载在胶束中的妥布霉素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC分别为0.4和0.9 μg∙mL^–1。这表明该胶束可以大幅提升抗生素的抗菌效率，可将抗生素对大肠杆菌的最低抑菌浓度降低一个数量级。

表1  妥布霉素、包载妥布霉素的胶束和未包载妥布霉素的聚合物胶束对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(μg∙mL^–1)。上表中数据为妥布霉素换算后的浓度。

4  胶束提升抗生素抗菌活性的机理

细菌在人体内会生成一个酸性的微环境，而胶束上的PGA嵌段在酸性环境下构象会发生变化，产生收缩。同时，在酸性环境中，羧基侧链质子化，胶束的疏水性增加，这导致胶束整体收缩，抗生素在释放时的阻力增大，停留在外冠上，导致抗生素释放缓慢。另一方面，P(Lys-stat-Phe)嵌段本身具有抗菌活性，该嵌段可以插入并穿透细菌细胞膜，导致细胞内容物泄漏，最终导致细菌死亡。因此，这种胶束可以与抗生素协同作用，显著减少抗生素的用量。

结论与展望

本文研究了一种ε-己内酯和氨基酸环内酸酐的开环聚合而成的两亲性三嵌段共聚物[PCL₃₄-b-PGA₃₀-b-P(Lys₁₆-stat-Phe₁₂)]，并将其自组装形成胶束，以提高抗生素的抗菌效果。其中PCL构成胶束核；PGA构成胶束冠并负载带正电的抗生素；抗菌肽P(Lys₁₆-stat-Phe₁₂)可协同抗菌。实验证明，载药胶束在300 μg·mL^–1以下对L02细胞没有明显的细胞毒性，但对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌有着很好的抗菌效果，且将抗生素对大肠杆菌的最低抑菌浓度降低一个数量级。总之，本文为增强抗生素的抗菌效率，减少抗生素用量提供了新策略。

☎作者介绍

 杜 建 忠 

出生于1975年，理学博士，同济大学长聘特聘教授、博导、学术委员会委员，国家杰出青年科学基金获得者(2019)，英国皇家化学会会士(FRSC，2017)，同济大学高分子系、附属第十人民医院教授，主要研究领域为高分子化学与物理、生物材料，近5年以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等著名期刊发表SCI论文50多篇。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201910059