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中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所欒世方/殷敬華/石恒沖研究員團(tuán)隊(duì) Angew VIP:模擬維生素U結(jié)構(gòu)和高選擇性的抗菌肽及其應(yīng)對(duì)MRSA細(xì)菌感染
2023-12-26  來(lái)源:高分子科技

  抗生素濫用所導(dǎo)致的細(xì)菌耐藥性問(wèn)題已經(jīng)對(duì)人類的生命健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此,針對(duì)耐藥細(xì)菌的新型抗菌藥物研發(fā)顯得尤為緊迫?咕模AMPs)因其獨(dú)特的抗菌機(jī)制,相較于抗生素更不易使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。然而,抗菌肽較高的毒性是限制其發(fā)展和應(yīng)用的重要障礙,因此,實(shí)現(xiàn)抗菌肽對(duì)細(xì)菌和正常細(xì)胞的更高選擇性一直是廣大研究者所不斷追求的目標(biāo)。


  鑒于此,中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所欒世方/殷敬華/石恒沖研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬維生素U的季锍鹽結(jié)構(gòu),利用NCA開環(huán)反應(yīng)合成了一系列星狀季锍鹽抗菌肽(圖1)。獲得的季锍鹽抗菌肽G2-PM-1H+不僅具有廣譜抗菌性能,而且對(duì)血細(xì)胞與細(xì)菌的選擇性高達(dá)16000HC10/MIC)。此外,季锍鹽抗菌肽可以通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)鏈的陽(yáng)離子化程度實(shí)現(xiàn)對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌與革蘭氏陰性菌的細(xì)菌種類選擇性。針對(duì)MRSA相關(guān)抗菌實(shí)驗(yàn)中,G2-PM-1H+相比于萬(wàn)古霉素可以迅速殺滅MRSA,并且有效防止MRSA生物膜形成 


1. 維生素U結(jié)構(gòu)啟發(fā)的季锍鹽抗菌肽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其選擇性與抗菌機(jī)制。


  與相似聚合度的星狀聚賴氨酸相比,G2-PM-1H+具有更突出的抗菌性能和更低的溶血率及細(xì)胞毒性,這與其季锍鹽中硫原子的靜電勢(shì)高于胺基中的氮原子以及分子鏈中較弱的疏水基團(tuán)密切相關(guān)(圖2d)。同時(shí)相比于季锍鹽抗菌肽,聚賴氨酸對(duì)照組中胺基能與哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜脂質(zhì)形成氫鍵,這也是導(dǎo)致毒性增加的原因之一。此外,該季锍鹽抗菌肽不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。 


2 星狀季锍鹽抗菌肽的合成路線、選擇性及抗菌性能。


  對(duì)G2-PM-1H+的抗菌機(jī)理進(jìn)行研究(圖3),該抗菌肽對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出較弱的膜破壞作用,但對(duì)大腸桿菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的細(xì)胞膜破壞效果。此外,該抗菌肽還能通過(guò)結(jié)合細(xì)菌內(nèi)的DNA產(chǎn)生活性氧(ROS)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌殺滅。蛋白質(zhì)組學(xué)分析進(jìn)一步揭示了G2-PM-1H+對(duì)金黃色葡萄球菌內(nèi)部深層殺菌機(jī)制的影響。通過(guò)對(duì)抗菌肽進(jìn)入細(xì)菌后產(chǎn)生的差異蛋白進(jìn)行富集通路分析后,發(fā)現(xiàn)核糖體是其主要作用位點(diǎn)之一,進(jìn)而影響細(xì)菌的DNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成 


3 G2-PM-1H+G2-PL-1對(duì)照組的抗菌機(jī)理研究。


 4 蛋白質(zhì)組學(xué)分析G2-PM-1H+對(duì)金黃色葡萄球菌作用機(jī)理。


  目前,細(xì)菌感染的臨床治療在很大程度上取決于抗生素的全身給藥,這可能會(huì)打破人體內(nèi)微生物群落的自然平衡,因此針對(duì)特定細(xì)菌的特異性藥物可以提高治療效果。本工作中通過(guò)改變季锍化程度可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌種類的選擇性。在混合細(xì)菌模型中,高季锍化程度(烷基化程度大于90%)的抗菌肽對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出更強(qiáng)的殺菌性,而低季锍化程度(烷基化程度小于50%)的抗菌肽則對(duì)大腸桿菌表現(xiàn)出更強(qiáng)的殺菌性。隨后對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理探究,發(fā)現(xiàn)G2-PM-2H+是通過(guò)較弱的膜破壞方式進(jìn)入金黃色葡萄球菌,而G2-PM-2L+能造成大腸桿菌膜破壞、膜極化作用以及結(jié)合外膜中的脂多糖。 


5 G2-PM-2H+G2-PM-2L+在混合細(xì)菌環(huán)境中的選擇性抗菌作用。


  耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)是導(dǎo)致院內(nèi)感染的主要病原體之一,其傳播性極強(qiáng)且缺乏有效的治療藥物。本工作中,與萬(wàn)古霉素相比,G2-PM-1H+具有更快的殺滅MRSA效率,在2MIC濃度下30分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)了90%以上的清除率(圖6b),并且能夠有效抑制MRSA生物膜的形成(圖6c)。體內(nèi)抗MRSA實(shí)驗(yàn)表明,G2-PM-1H+能夠有效降低皮膚感染的嚴(yán)重程度(6de);腹腔感染模型中,G2-PM-1H+相比于萬(wàn)古霉素對(duì)照組細(xì)菌數(shù)量下降了約30倍。此外,經(jīng)過(guò)G2-PM-1H+注射的小鼠肝功能和腎功能沒(méi)有發(fā)生損傷,證明其不會(huì)對(duì)臟器功能產(chǎn)生影響。 


6 G2-PM-1H+對(duì)MRSA抗菌活性測(cè)試。


  該工作以“Structural Element of Vitamin U-Mimicking Antibacterial Polypeptide with Ultrahigh Selectivity for Effectively Treating MRSA Infections”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition,并被遴選為VIP論文(Very Important Paper)。該文第一作者為中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所博士研究生張楨焱王曉丹博士,通訊作者為楊華偉副研究員,王磊副研究員和石恒沖研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃和中科院威高計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于抗菌聚氨基酸的最新進(jìn)展之一,團(tuán)隊(duì)自2017年起與蘇州大學(xué)唐浩宇老師合作,在國(guó)家自然科學(xué)基金(51873213)支持下相繼開展了聚氨基酸電荷復(fù)合物制備及醫(yī)用涂層性能、抗菌聚氨基酸合成等研究(ACS Macro. Lett. 2023, 12, 428-432; Biomacromolecules 2021, 22, 4306-4315; Biomater. Sci. 2021, 10, 834-845; J. Mater. Sci. Technol. 2020, 59, 14-25; Chem. Eng. J. 2019, 360, 1030-1041等)。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318011


作者簡(jiǎn)介

張楨焱,一作者,在讀博士生。2021 年進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位。主要研究方向?yàn)楣δ苄钥咕暮铣伞?/span>Angew. Chem. Int. Ed., Small等期刊發(fā)表論文6篇,以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。


王曉丹,共同第一作者中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)與工程學(xué)院2017級(jí)博士研究生。主要從事聚多肽合成、抗菌醫(yī)用涂層及栓塞微球方面研究。以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.Prog. Polym. Sci.等期刊發(fā)表論文5篇,授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)。


楊華偉,通訊作者,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所,副研究員,主要從事植介入醫(yī)用高分子材料的制備和醫(yī)療器械應(yīng)用研究。主持科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年等項(xiàng)目,發(fā)表國(guó)內(nèi)外論文10余篇,以第一發(fā)明人授權(quán)專利10余項(xiàng)。

王磊,通訊作者,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所,副研究員,吉林省高層次人才。主要開展醫(yī)用高分子材料、納米多孔材料等的研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,主持基金委、吉林省、中石化等多項(xiàng)項(xiàng)目。以通訊/一作身份在Angew Chem Int Ed, ACS Nano, Biomaterials期刊發(fā)表SCI檢索論文30余篇,他人引用超過(guò)2500次,多篇論文入選ESI熱點(diǎn)論文以及高被引用論文


石恒沖,通訊作者,中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所研究員,博士生導(dǎo)師。中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員,吉林省中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。主要開展植介入器械及材料的基礎(chǔ)研究-關(guān)鍵技術(shù)-產(chǎn)業(yè)化研發(fā)工作。以通訊/一作身份,在Nat CommunAngew Chem Int Ed等期刊發(fā)表SCI論文40多篇;授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利30件;主持制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng);與合作企業(yè)獲批Ⅲ類醫(yī)療器械注冊(cè)證3件;獲中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員、吉林省拔尖創(chuàng)新人才、香港學(xué)者協(xié)會(huì)香江學(xué)者獎(jiǎng)和中科院院地合作獎(jiǎng)優(yōu)秀產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù);主要學(xué)術(shù)兼職:中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物材料表界面工程分會(huì)委員會(huì)委員、《功能高分子學(xué)報(bào)》青年編委、《應(yīng)用化學(xué)》青年編委。

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