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  耐藥陰性菌感染死亡率高，且近50年來(lái)未有新類別抗生素問(wèn)世，因此亟需開(kāi)發(fā)新型抗菌藥物應(yīng)對(duì)這一全球公共衛(wèi)生威脅。宿主防御肽（HDPs）及其模擬物因其不易誘導(dǎo)耐藥性的優(yōu)點(diǎn)，被視為極具前景的抗耐藥菌感染候選藥物，但在體內(nèi)環(huán)境中可能會(huì)與宿主細(xì)胞和負(fù)電荷生物大分子等發(fā)生非特異性相互作用，進(jìn)而引發(fā)溶血毒性等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)兼具高效體內(nèi)活性和良好生物相容性的HDP模擬抗菌化合物，對(duì)于耐藥細(xì)菌感染治療具有重要意義。

  本研究中，劉潤(rùn)輝教授課題組提出“感染病灶原位響應(yīng)抗菌聚合物前藥”策略。該策略通過(guò)2,3-二甲基馬來(lái)酸酐修飾聚合物側(cè)鏈氨基，屏蔽其正電荷，從而顯著提高生物相容性并延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間；在感染病灶的酸性微環(huán)境中，前藥可被激活并恢復(fù)正電荷，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抗菌和病灶部位富集。此外，這一設(shè)計(jì)還顯著拓寬了HDP類抗菌化合物的體內(nèi)應(yīng)用潛力，可將原本因毒性等問(wèn)題受限的抗菌化合物轉(zhuǎn)化為安全有效的治療候選藥物，大幅提高了抗菌藥物的開(kāi)發(fā)效率。基于此策略設(shè)計(jì)的HDP模擬聚（2-噁唑啉）前藥在皮下膿腫、中性粒細(xì)胞減少大腿感染、腎臟感染、肺部感染及腹膜炎等多種動(dòng)物感染模型中均展現(xiàn)出優(yōu)異的治療效果，且長(zhǎng)期使用未誘導(dǎo)耐藥性產(chǎn)生。該研究為設(shè)計(jì)新型抗菌藥物和治療耐藥微生物感染提供了創(chuàng)新策略。

  2025年6月4日，該研究成果以“A host defense peptide-mimicking prodrug activated by drug-resistant Gram-negative bacterial infections”為題發(fā)表在Science Translational Medicine，并被選為正封面文章（Sci. Transl. Med. 2025, DOI: 10.1126/scitranslmed.adl4870）。

  耐藥細(xì)菌感染因其發(fā)病率和死亡率高，已成為威脅人類生命健康的重大公共衛(wèi)生問(wèn)題。其中革蘭氏陰性菌是最棘手的臨床問(wèn)題之一，也是耐藥性感染死亡的主要原因。然而，由于陰性菌具有高度不可滲透的外膜屏障，導(dǎo)致針對(duì)陰性菌的候選藥物相對(duì)較少，且近50年來(lái)未能發(fā)現(xiàn)新類別抗生素。宿主防御肽及其模擬物具有廣譜抗菌活性和不易誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生耐藥性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是解決耐藥菌感染最有前景的治療候選藥物之一。然而，在復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境中，這些HDP類活性分子可能會(huì)與紅細(xì)胞等具有多陰離子膜結(jié)構(gòu)的宿主細(xì)胞以及血清蛋白等多陰離子大分子發(fā)生非特異性相互作用，從而導(dǎo)致體內(nèi)抗菌活性降低、溶血毒性等。這一長(zhǎng)期存在的科學(xué)挑戰(zhàn)，促使設(shè)計(jì)兼具高體內(nèi)活性和生物相容性的新型抗菌藥物，以治療全身性耐藥微生物感染。

  劉潤(rùn)輝教授課題組在前期研究中，提出了以優(yōu)異生物安全性的聚噁唑啉（多肽主鏈上酰胺鍵轉(zhuǎn)移至側(cè)鏈）模擬天然多肽，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了基于聚噁唑啉骨架的功能性多肽模擬，發(fā)現(xiàn)了體內(nèi)外高效抗耐藥細(xì)菌和耐藥真菌的聚噁唑啉活性分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6412，VIP論文，ESI高被引；Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200778，VIP論文；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 25753，JACS Spotlight；Nat. Microbiol. 2024, 9, 1325, ESI高被引）。本研究報(bào)告了一種 “酸響應(yīng)抗菌聚合物前藥”策略，并使用聚（2-噁唑啉）進(jìn)行了概念治療驗(yàn)證。通過(guò)用 2,3-二甲基馬來(lái)酸酐保護(hù)側(cè)鏈氨基以屏蔽正電荷，聚（2-噁唑啉）前藥可以在生理?xiàng)l件下隱形，并在感染部位激活。該前藥具有出色的生物相容性和延長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間，對(duì)耐藥陰性菌和生物被膜具有高活性，并在多種局部和全身感染動(dòng)物模型中展現(xiàn)出優(yōu)異的治療效果（圖1）。

圖 1：設(shè)計(jì)感染部位pH響應(yīng)型抗菌聚合物前藥。

  本研究首先通過(guò)2-噁唑啉單體共聚合成了不同親/疏水比例的HDP模擬聚噁唑啉分子庫(kù)，并探究了一系列聚噁唑啉的抗革蘭氏陰性菌活性和哺乳動(dòng)物細(xì)胞以及血紅細(xì)胞毒性。其中疏水性比例為70%的聚噁唑啉對(duì)多種陰性菌包括銅綠假單胞菌、大腸桿菌、鮑曼不動(dòng)桿菌和肺炎克雷伯菌均表現(xiàn)出高效抗菌活性，同時(shí)具有較好的生物相容性（圖2）。

圖2：聚（2-噁唑啉）的合成、表征和體外抗菌活性研究。

  以優(yōu)選抗菌聚（2-噁唑啉）NPrOx_0.3BuOx_0.7為模型，對(duì)“酸響應(yīng)抗菌聚合物前藥”策略進(jìn)行了概念驗(yàn)證。通過(guò)2,3-二甲基馬來(lái)酸酐酰胺化聚（2-噁唑啉）的側(cè)鏈氨基，可以顯著改善抗菌聚合物的生物相容性。聚（2-噁唑啉）前藥在小鼠中的最大耐受劑量高達(dá)50 mg/kg，且單次或多次給藥后對(duì)小鼠體重、血清生化指標(biāo)及肝腎組織均無(wú)明顯影響。此外DA修飾可降低聚（2-噁唑啉）與血漿蛋白的相互作用，同時(shí)血液循環(huán)半衰期延長(zhǎng)8倍。pH響應(yīng)性研究顯示，前藥在酸性條件下30分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)84%的DA基團(tuán)脫保護(hù)。通過(guò)羅丹明B和5-氨基熒光素兩種熒光染料分別標(biāo)記聚（2-噁唑啉）前藥的端基和酸響應(yīng)性基團(tuán)，熒光成像顯示酸響應(yīng)性基團(tuán)發(fā)生解離（5-氨基熒光素信號(hào)明顯衰減），而聚（2-噁唑啉）骨架（羅丹明B標(biāo)記）在病灶滯留，證實(shí)了前藥在感染部位的體內(nèi)轉(zhuǎn)化。進(jìn)一步的體內(nèi)分布實(shí)驗(yàn)顯示，熒光標(biāo)記聚（2-噁唑啉）在感染大腿的蓄積量達(dá)正常組織的4倍，表明其在細(xì)菌感染部位富集（圖3）。

圖3：聚（2-噁唑啉）前藥的合成、生物相容性和pH響應(yīng)特性。

  隨后對(duì)聚（2-噁唑啉）前藥的體外抗菌性能展開(kāi)研究。前藥顯示出優(yōu)異的pH響應(yīng)性殺菌動(dòng)力學(xué)特性，酸性條件下可分別在60和120分鐘內(nèi)完全殺滅大腸桿菌和銅綠假單胞菌，而相同時(shí)間內(nèi)在生理環(huán)境中無(wú)明顯殺菌效果。耐藥性研究表明，聚（2-噁唑啉）不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性和交叉耐藥性。此外，聚（2-噁唑啉）前藥還可有效根除陰性菌成熟生物被膜，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)抗生素多粘菌素E（圖4）。

圖4：聚（2-噁唑啉）前藥的體外抗菌性能。

  對(duì)聚（2-噁唑啉）的抗菌機(jī)制展開(kāi)研究。熒光示蹤顯示，聚（2-噁唑啉）首先富集于細(xì)菌膜表面，接著造成膜損傷，導(dǎo)致碘化丙啶進(jìn)入胞內(nèi)。進(jìn)一步研究顯示聚合物會(huì)引起明顯的細(xì)菌外膜通透性變化和內(nèi)膜去極化。雖然聚（2-噁唑啉）處理會(huì)輕微增加細(xì)菌胞內(nèi)ROS水平，但使用抗氧化劑NAC抑制ROS產(chǎn)生不影響其殺菌效果。SEM和TEM電鏡表征也顯示聚（2-噁唑啉）處理導(dǎo)致細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)破壞和胞質(zhì)內(nèi)容物泄漏。這些結(jié)果共同證實(shí)聚（2-噁唑啉）具有膜作用抗菌機(jī)制（圖5）。

圖5：聚（2-噁唑啉）前藥的抗菌機(jī)理研究。

  聚（2-噁唑啉）前藥在多種耐藥陰性菌感染模型中展現(xiàn)出出色的體內(nèi)抗菌療效。在皮下膿腫模型中，聚（2-噁唑啉）前藥靜脈注射使大腸桿菌和銅綠假單胞菌負(fù)荷分別降低0.9和1.9個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)，療效與美羅培南相當(dāng)。中性粒細(xì)胞減少大腿感染模型中，聚（2-噁唑啉）前藥治療組存活率提升，感染組織細(xì)菌負(fù)荷降低2.8個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)。在腎臟感染模型中，聚（2-噁唑啉）前藥使腎臟細(xì)菌負(fù)荷降低1.9個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)，并能有效緩解腎臟病理?yè)p傷。肺部感染模型中，聚（2-噁唑啉）前藥與左氧氟沙星分別使細(xì)菌負(fù)荷降低1.3和1.7個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)。在致死性腹膜炎模型中，單次靜脈注射聚（2-噁唑啉）前藥即可將鮑曼不動(dòng)桿菌感染小鼠的存活率提升83%，且在主要器官、血液和腹腔液中實(shí)現(xiàn)3.2-5.5個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)的細(xì)菌清除，顯著緩解各器官病變。這些結(jié)果顯示聚（2-噁唑啉）前藥在局部和全身性感染動(dòng)物模型中均具有明顯治療效果，與臨床一線抗生素相當(dāng)，為耐藥微生物感染治療提供了新的解決方案（圖6）。

圖6：聚（2-噁唑啉）前藥的體內(nèi)抗菌活性研究。

  華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生謝佳洋和周敏副研究員是該論文的第一作者，劉潤(rùn)輝教授是論文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等基金的資助。

  論文鏈接: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adl4870