Small:用于治疗多重耐药菌感染的阳离子聚多糖基抗菌材料

在全球范围内,细菌感染是导致死亡主要原因之一。抗生素的过度使用导致了细菌抗生素耐药性和超级细菌的出现,已经对人类健康构成了严重威胁。因此,迫切需要开发新型抗菌剂用于治疗多重耐药菌感染以及缓解细菌抗生素耐药性。

无抗生素策略抗菌

为了解决细菌抗生素耐药的问题,研究人员提出多种无抗生素策略(Antibiotic-free strategies)应对当前困境。例如,天然抗菌多肽、模拟多肽以及天然聚多糖基抗菌材料。天然聚多糖如甲壳素来源广泛,生物相容性极佳,非常适合用来制备天然阳离子聚多糖基抗菌材料。

阳离子聚多糖抗菌材料的结构设计与优化

为了提高抗菌性能,同时具有优异的生物相容性,需要对甲壳素及其最重要的脱乙酰化衍生物壳聚糖进行分子设计和性能优化,得到抗菌性优异和选择性良好的抗菌材料。然而,甲壳素和壳聚糖的性质稳定,如何采用高效、绿色的溶剂体系对甲壳素和壳聚糖进行均相改性,制备得到取代均一、结构可调、性质稳定的季铵化聚多糖抗菌材料一直是人们面临的挑战。近期,武汉大学蔡杰教授与武汉大学蒋卫教授和华东理工大学刘润辉教授合作,利用课题组前期开发的甲壳素新溶剂均相合成一系列不同脱乙酰度和阳离子取代度的季铵化甲壳素(QC)和季铵化壳聚糖(QCS)衍生物。

图1 在KOH/尿素体系中均相合成季铵化甲壳素/壳聚糖衍生物、胶束形成以及体内抗感染治疗的示意图

具耐药细菌杀伤能力和生物相容性的阳离子聚多糖衍生物

作者发现合适的脱乙酰度和阳离子取代度是平衡阳离子聚多糖抗菌活性和生物相容性的关键因素。随着脱乙酰度和阳离子取代度的增加,阳离子聚多糖的抗菌性均得到增强;然而增加阳离子取代度会带来相应的细胞毒性,脱乙酰度的增加不会影响材料的细胞相容性。最终确定抗菌性优异、高选择性的季铵化壳聚糖(QCS-2)为最优的抗菌剂,并研究其生物相容性、抗菌机制、抗生物膜活性以及体内对抗耐药细菌感染能力。

图2. 季铵化聚多糖的抗菌性和生物相容性

破坏细菌细胞膜和克服细菌耐药性

抗生素通过抑制DNA复制和修复、蛋白质合成等特定的生物合成途径发挥抗菌作用,从而使细菌产生耐药性。与之不同的是,研究发现季铵化壳聚糖衍生物通过静电相互作用与细菌细胞膜结合,残留的乙酰氨基和糖骨架本身的疏水性促进QCS-2的高效渗透,并破坏细胞膜的完整性,导致跨膜电位的高效断裂和细胞的渗透裂解,最终导致细菌死亡,因此QCS-2不容易产生细菌耐药性。研究人员进一步通过耐药性实验评估QCS-2对细菌耐药性的发展趋势,并与抗生素的结果进行比较。研究发现在分别培养565代和400代,S. aureus和PAO1很快对甲氧西林和莫西沙星产生耐药性。相反,即使分别经过954代和1134代培养,S. aureus和PAO1都没有对QCS-2产生耐药性,表明阳离子聚多糖衍生物在缓解抗生素耐药性问题上具有巨大的潜力。

图3. 破坏细菌细胞膜和克服细菌耐药性

抑制细菌生物膜的形成和破坏成熟的生物膜

作者还评价了季铵化壳聚糖对细菌生物膜的作用。研究发现QCS-2可有效抑制S. aureus 和耐甲氧西林葡萄球菌(MRSA)生物膜的形成。当QCS-2的浓度增加到3 × MIC 和6 × MIC 时,S. aureus 和 MRSA细菌生物膜可以达到几乎完全抑制。而对于成熟的细菌生物膜来说,QCS-2浓度为 24 × MIC和48 × MIC时,能有效清除S. aureus 和 MRSA细菌生物膜。

图4. 抑制细菌生物膜的形成和破坏成熟的生物膜

体内抗耐药菌感染效果和生物安全性评价

研究人员通过MRSA感染的小鼠伤口模型对QCS-2的体内抗菌效果进行了评估。研究发现,QCS-2可以降低伤口处细菌总量,并且能够有效清除细菌生物膜,降低伤口炎症反应,促进伤口血管化、胶原蛋白富集、再上皮化以及新生毛囊的生成,从而显著促进MRSA感染伤口的愈合。通过记录伤口愈合过程中小鼠的体重变化,检测主要内脏的组织学状态、血常规以及肝肾功能,证明QCS-2具有良好的生物安全性。

图5. QCS-2体内抗耐药菌感染效果和伤口愈合情况

图6. 体内生物安全性评价

本研究中构建的阳离子聚多糖基抗菌材料可以作为安全有效的新型抗菌材料,不仅为临床慢性感染伤口提供新的治疗策略,而且有望降低感染伤口治疗对抗生素的依赖性,降低耐药菌产生的风险。

相关工作并被选为封面论文。武汉大学蔡杰教授、蒋卫教授和华东理工大学刘润辉教授为论文共同通讯作者。

论文信息:

Quaternized Polysaccharide-Based Cationic Micelles as a Macromolecular Approach to Eradicate Multidrug-Resistant Bacterial Infections while Mitigating Antimicrobial Resistance

Fang Xie, Lai Jiang, Ximian Xiao, Yiwen Lu, Runhui Liu*, Wei Jiang*, Jie Cai*

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DOI: 10.1002/smll.202104885

文章链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104885