研究簡介:抗生素耐藥性（AMR）已成為傳染病治療的最大障礙，對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。預(yù)計(jì)到2050年，全球?qū)⒂薪?000萬人死于抗藥性細(xì)菌感染，與AMR相關(guān)的全球經(jīng)濟(jì)損失將達(dá)100萬億美元。因此開發(fā)能夠克服AMR的新型抗菌藥物至關(guān)重要。抗菌肽(AMP)的出現(xiàn)為治療耐藥菌提供了另一種方法。AMPs或宿主防御肽(HDPs)具有強(qiáng)效和廣譜的抗菌活性，也適用于抗生素耐藥細(xì)菌。與傳統(tǒng)抗生素不同，AMPs通過穿透和破壞細(xì)菌細(xì)胞膜發(fā)揮其抗菌作用，這是一種進(jìn)化的宿主防御機(jī)制。抗菌肽(AMP)或宿主防御肽通過穿透和破壞細(xì)菌膜起作用，因此與傳統(tǒng)抗生素相比，不易產(chǎn)生抗菌素耐藥性(AMR)。然而，天然存在的AMPs在臨床應(yīng)用中仍然存在許多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究以確定AMPs的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其抗菌活性和選擇性之間的關(guān)系。研究人員設(shè)計(jì)了一系列的AMP衍生自Ponericin-W1（一種來自螞蟻的天然AMP）的化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性之間關(guān)系的研究。通過以系統(tǒng)方式修飾前導(dǎo)肽序列的疏水和親水區(qū)域來設(shè)計(jì)抗菌肽。代表性肽At5的抗菌活性也在皮膚傷口感染的小鼠模型中進(jìn)行了測(cè)試。研究了肽的物理化學(xué)性質(zhì)與其抗菌活性之間的關(guān)系。用疏水氨基酸取代肽疏水區(qū)的陽離子氨基酸增強(qiáng)了它們的抗菌活性，增加親水區(qū)陽離子氨基酸的數(shù)量降低了它們對(duì)人紅細(xì)胞的毒性，從而提高了它們對(duì)細(xì)菌的選擇性。

Kibron朗繆爾張力儀的應(yīng)用

使用4 mL內(nèi)置槽的DeltaPi朗繆爾張力儀（Kibron），研究了肽與磷脂單層的相互作用作為細(xì)菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜的體外模型。用4 mL去離子水填充槽，并通過使用Hamilton微注射器將DPPC或DPPG在氯仿(0.2 mg mL-1)中的溶液鋪展在水面形成脂質(zhì)單層。氯仿蒸發(fā)后，在空氣-水界面形成脂質(zhì)單分子層。在最終濃度為10μM的脂質(zhì)單層下注射抗菌肽溶液后，通過監(jiān)測(cè)脂質(zhì)單層表面壓力的變化（從28 mN m-1的起始?jí)毫Γ﹣硌芯侩呐c脂質(zhì)單層的相互作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究了基于源自天然螞蟻AMP Ponericin-W1的15個(gè)氨基酸序列設(shè)計(jì)了11個(gè)新序列（At2-At12）。通過分子設(shè)計(jì)和抗菌實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用疏水殘基取代疏水區(qū)的陽離子氨基酸殘基增強(qiáng)了多肽的疏水性和抗菌作用。增加親水區(qū)陽離子氨基酸殘基的數(shù)量可降低肽對(duì)人紅細(xì)胞的毒性，并增加肽對(duì)細(xì)菌的選擇性。在這一系列肽中，At3、At5、At8和At10對(duì)細(xì)菌的選擇性高于哺乳動(dòng)物宿主細(xì)胞，通過抗菌測(cè)定和溶血活性測(cè)試顯示。設(shè)計(jì)的肽對(duì)G?細(xì)菌多于G+細(xì)菌。掃描電鏡和熒光顯微鏡顯示肽的殺菌作用的主要機(jī)制是通過膜破壞。被認(rèn)為是通過肽與細(xì)菌細(xì)胞膜中的脂質(zhì)或LPS/LTA之間的靜電和疏水相互作用的組合來發(fā)揮的。通過分子設(shè)計(jì)和抗菌實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用疏水殘基取代疏水區(qū)的陽離子氨基酸殘基增強(qiáng)了多肽的疏水性和抗菌作用。增加親水區(qū)陽離子氨基酸殘基的數(shù)量可降低肽對(duì)人紅細(xì)胞的毒性，并增加肽對(duì)細(xì)菌的選擇性。

圖1、用于確定(A)大腸桿菌和(B)金黃色葡萄球菌中肽的最低殺菌濃度(MBC)值的細(xì)菌培養(yǎng)物。

圖2、設(shè)計(jì)肽的二級(jí)結(jié)構(gòu)和溶血特性。(A)水、(B)25 mM SDS、(C)兩性離子DPPC SUV(0.25 mg mL-1)和(D)帶負(fù)電荷的DPPG SUV(0.25 mg mL-1)中肽的CD光譜。所有四種肽（At3、At5、At8、At10）在水和DPPC SUV中均呈現(xiàn)無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，而在SDS和DPPG SUV中均采用螺旋結(jié)構(gòu)。肽濃度固定在0.1 mM。所有測(cè)量均在室溫下進(jìn)行。(E)DPPC和DPPG SUV中肽的α-螺旋含量。(F)肽的溶血活性。用不同濃度的肽處理人紅細(xì)胞(hRBC)并在37°C下孵育1小時(shí)。然后在OD540nm處測(cè)量吸光度。

圖3、設(shè)計(jì)的抗菌肽的疏水性由它們的HPLC保留時(shí)間確定，與它們對(duì)不同菌株(A)大腸桿菌、(B)銅綠假單胞菌、(C)金黃色葡萄球菌和(D)大腸桿菌的抗菌活性之間的關(guān)系。

圖4、（A和C）在亞相中注射抗菌肽后DPPC和DPPG脂質(zhì)單層的表面壓力變化。(B和D)分別在注射抗菌肽（AMP）后DPPC和DPPG脂質(zhì)單層表面壓力的增加與DPPC和DPPG中AMP的螺旋度之間的相關(guān)性。注射抗菌肽后兩性離子DPPC脂質(zhì)單層表面壓力的增加非常小，而陰離子DPPG脂質(zhì)單層表面壓力的增加相當(dāng)高。

圖5、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在37°C下用不同濃度的At5肽處理2小時(shí)前后的活/死染色（×100放大倍數(shù)，比例尺=10μm）。

結(jié)論與展望

本論文設(shè)計(jì)了11種新的AMP（At2–At12，方案1)是使用從螞蟻中發(fā)現(xiàn)的天然存在的AMP Ponericin-W1(At1)中提取的15個(gè)氨基酸序列作為設(shè)計(jì)模板進(jìn)行設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)研究了氨基酸類型、疏水性和親水性氨基酸的比例和位置、肽電荷密度和二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)AMPs對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌抗菌性能的影響。測(cè)定了肽的物理化學(xué)性質(zhì)，例如疏水性和表面活性，并評(píng)估了它們的溶血活性和AMR對(duì)設(shè)計(jì)的AMP的發(fā)展。所提出的基于天然抗菌肽的分子設(shè)計(jì)策略可以為開發(fā)具有增強(qiáng)抗菌活性和減少AMR機(jī)會(huì)的新AMP提供強(qiáng)大的工具。本研究的結(jié)果可以更好地理解AMP的選擇性抗菌活性所需的結(jié)構(gòu)特征，并可作為開發(fā)具有增強(qiáng)生物學(xué)特性的新AMP的指南。未來的研究將針對(duì)結(jié)構(gòu)修飾，以賦予肽更高的抗G+細(xì)菌抗菌活性，從而拓寬這些肽的抗菌活性譜。

芬蘭Kibron朗繆爾張力儀可監(jiān)測(cè)單分子層上的酶的作用；蛋白質(zhì)的二維結(jié)晶；測(cè)量藥物、肽/蛋白質(zhì)與磷脂單分子層的特殊相互作用；核酸（DNA、siRNA）和陽離子脂質(zhì)體的絡(luò)合物生成。用于檢測(cè)藥物、肽/蛋白質(zhì)和核酸對(duì)于特定磷脂構(gòu)成單分子層的結(jié)合和穿透，精確控制磷脂單分子膜的橫向堆積密度。磁力攪拌樣品的體積最低為150微升，可確保材料消耗非常低。例如，1毫克抗菌肽足以全面描述其脂質(zhì)結(jié)合特性。而且，材料的選擇排除了多余的非特異性表面效應(yīng)。