分享一篇近期发表在Biomacromolecules上的研究进展，题为：Highly Efficient Thiol-Michael Addition Post-Modification toward Potent Degradable Antibacterial Polyesters with Guanidine Moiety。该工作的通讯作者是来自北京大学的李子臣、杜福胜和南华大学附属第二医院的张小团。
细菌感染是全球公共卫生的重大威胁，多重耐药菌的出现使传统抗生素面临失效风险，亟需新型抗菌策略。模拟天然抗菌肽的聚合物因其膜破坏机制难以诱导耐药性而受到关注。近年来，富含胍基的可降解抗菌聚合物逐渐成为研究热点。这类聚合物能高效穿透细胞膜且具有良好的抗菌活性。然而，现有聚合物常因主链不可降解或降解速率过快而限制其在体内的应用。此外，其抗菌机制尚不完全明确。为解决这些问题，研究者致力于通过简便高效的合成手段，开发结构多样、性能可调的胍基可降解聚合物，以实现高效、安全、可持续的抗菌治疗。
本文通过对3-亚甲基-1,5-二氧杂庚-2-酮（MDXO）进行可控开环聚合（ROP）合成一类新型反应性聚(α-亚甲基酯)（PMDXO），优化了PMDXO的硫醇-迈克尔加成后修饰条件，合成了一系列胍基功能化的脂肪族聚酯。作者研究了聚合物结构（包括聚合度、胍基与主链之间的间隔长度、链端类型等）对抗菌性能的影响及其抗菌机制。最终获得具有低溶血性、高广谱杀菌能力的阳离子聚酯，对六类临床分离的多重耐药病原菌表现出强效杀菌作用。
图1. 抗菌聚合物的合成与初步表征
首先，作者筛选了PMDXO的硫醇-迈克尔加成后修饰条件，设计了一系列带有胍基侧链的PMDXO衍生聚酯（Pn-mC），其中“n”和“m”分别表示聚合度和间隔链长。 作者评估了体外抗菌活性与细胞相容性，结果表明，P20-2C具有广谱、强效的抗菌活性，优于大多数现有的可降解抗菌聚合物。(图1)
图2. 抗菌作用机制研究
随后，作者研究了生物性能最佳的P20-2C和间隔链最长的P20-6C的抗菌作用机制。通过膜通透性变化检测、膜电位检测，作者认为P20-2C和P20-6C的杀菌机制为膜破坏型，并通过扫描电镜（SEM）验证了这一结论。作者进一步探索了聚合物的靶向位点并检测细菌活性氧（ROS）水平变化，发现聚合物首先通过静电作用吸附在细胞表面，扰乱外膜，然后破坏细胞质膜，继而诱导ROS上调，最终导致细菌死亡。 (图2)
图3. 降解行为及结构改性
接下来作者进行了聚合物降解实验。P20-2C和P20-3C在pH 7.4（磷酸盐缓冲液）或pH 5.0（醋酸缓冲液）中于37℃降解，与已报道的含胍基聚碳酸酯相比，这两种聚合物在相同条件下降解更慢。作者发现仅约3%的降解程度就显著降低了P20-3C的溶血活性，推测在聚合物降解过程中生成的亲水性末端基团在显著改善血液相容性方面起到了关键作用。验证这一假设，作者设计了HG-Pn-mC，使其两端均为亲水性的羟基基团，并对其抗菌活性和溶血性进行了测试。结果表明，末端基团对抗菌活性影响不大；然而，当末端基团从疏水性变为亲水性时，溶血活性显著降低， DP越低，溶血性的下降越明显。(图3)
图4. 小鼠腹膜炎模型中的体内疗效与安全性
接着，作者通过小鼠腹膜炎模型测试P20-2C的体内疗效与安全性。结果表明其急性毒性较低且未诱导明显的免疫反应，对肝肾毒性较低。H&E染色的组织切片显示，P20-2C处理组主要器官无明显组织损伤，而相同剂量的LPS处理组则表现出明显的肺组织损伤。作者进一步评估了P20-2C在三种细菌感染模型中的体内治疗效果，P20-2C处理显著降低了炎症因子水平，且除肺外的主要器官中细菌载量比美罗培南组或生理盐水组低1−3个数量级，证实其强大的体内抗菌能力。(图4)
图5. 皮肤脓肿和创伤模型中的局部抗菌效果
最后，作者使用皮下脓肿和创伤感染模型评估P20-2C对MRSA感染小鼠的治疗潜力。菌落计数显示，对照组细菌负荷仍高，而P20-2C和万古霉素处理组明显下降。P20-2C处理使脓肿快速消退，至第六天基本吸收；而生理盐水组仍有持续性脓性病灶。虽然万古霉素处理组无明显脓性病灶，但其创面大于P20-2C组，新生血管及病灶未完全吸收。(图5)
综上，作者通过高效巯基-迈克尔加成后修饰策略，在PMDXO平台聚合物上简便合成胍基功能化可降解聚酯，灵活调整这些含胍聚合物的间隔基、末端基团以及聚合度（DP），系统研究聚合物结构与其生物性能之间的关系，开发的Pn-mC聚合物具有简便合成、成本低、可降解、良好生物相容性及广谱抗菌活性等特性。
作者：ZXY 审校：ZHR
DOI: 10.1021/acs.biomac.5c00461
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c00461
