研究簡介:抗生素耐藥性（AMR）已成為傳染病治療的最大障礙，對人類健康構(gòu)成嚴重威脅。預計到2050年，全球?qū)⒂薪?000萬人死于抗藥性細菌感染，與AMR相關(guān)的全球經(jīng)濟損失將達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)具有強效和廣譜的抗菌活性，也適用于抗生素耐藥細菌。與傳統(tǒng)抗生素不同，AMPs通過穿透和破壞細菌細胞膜發(fā)揮其抗菌作用，這是一種進化的宿主防御機制。抗菌肽(AMP)或宿主防御肽通過穿透和破壞細菌膜起作用，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在臨床應用中仍然存在許多挑戰(zhàn)，需要進一步研究以確定AMPs的化學結(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)計了一系列的AMP衍生自Ponericin-W1（一種來自螞蟻的天然AMP）的化學結(jié)構(gòu)與生物活性之間關(guān)系的研究。通過以系統(tǒng)方式修飾前導肽序列的疏水和親水區(qū)域來設(shè)計抗菌肽。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行了測試。研究了肽的物理化學性質(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)量降低了它們對人紅細胞的毒性，從而提高了它們對細菌的選擇性。

Kibron朗繆爾張力儀的應用

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菌和哺乳動物細胞膜的體外模型。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)測脂質(zhì)單層表面壓力的變化（從28 mN m-1的起始壓力）來研究肽與脂質(zhì)單層的相互作用。

實驗結(jié)果

研究了基于源自天然螞蟻AMP Ponericin-W1的15個氨基酸序列設(shè)計了11個新序列（At2-At12）。通過分子設(shè)計和抗菌實驗發(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)量可降低肽對人紅細胞的毒性，并增加肽對細菌的選擇性。在這一系列肽中，At3、At5、At8和At10對細菌的選擇性高于哺乳動物宿主細胞，通過抗菌測定和溶血活性測試顯示。設(shè)計的肽對G?細菌多于G+細菌。掃描電鏡和熒光顯微鏡顯示肽的殺菌作用的主要機制是通過膜破壞。被認為是通過肽與細菌細胞膜中的脂質(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)計和抗菌實驗發(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)量可降低肽對人紅細胞的毒性，并增加肽對細菌的選擇性。

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)值的細菌培養(yǎng)物。

圖2、設(shè)計肽的二級結(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。所有測量均在室溫下進行。(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胞(hRBC)并在37°C下孵育1小時。然后在OD540nm處測量吸光度。

圖3、設(shè)計的抗菌肽的疏水性由它們的HPLC保留時間確定，與它們對不同菌株(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個氨基酸序列作為設(shè)計模板進行設(shè)計的。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、肽電荷密度和二級結(jié)構(gòu)對AMPs對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌抗菌性能的影響。測定了肽的物理化學性質(zhì)，例如疏水性和表面活性，并評估了它們的溶血活性和AMR對設(shè)計的AMP的發(fā)展。所提出的基于天然抗菌肽的分子設(shè)計策略可以為開發(fā)具有增強抗菌活性和減少AMR機會的新AMP提供強大的工具。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)具有增強生物學特性的新AMP的指南。未來的研究將針對結(jié)構(gòu)修飾，以賦予肽更高的抗G+細菌抗菌活性，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)測單分子層上的酶的作用；蛋白質(zhì)的二維結(jié)晶；測量藥物、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。用于檢測藥物、肽/蛋白質(zhì)和核酸對于特定磷脂構(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。