抗微生物药物的滥用和过度使用导致细菌和其他病原体逐渐产生对药物的耐药性，这不仅使得传统抗生素失去效用，还引发了一场“隐形流行病”，威胁着人们对常见感染和医疗程序的有效治疗。为了对抗这一全球性的挑战，科学家们开始寻求新型的抗微生物药物，特别是那些不易引发耐药性的广谱和选择性抗微生物剂。在这个背景下，合成肽聚合物及其模拟物，尤其是结构纳米工程抗菌肽聚合物（SNAPPs），因其独特的特性而备受关注。这些抗微生物材料具有天然的可降解性、生物相容性和可调节的细胞相容性，有望成为应对抗微生物药物耐药性的新型治疗手段。
2024年1月2日，墨尔本大学GregG.Qiao和NeilM.O’Brien-Simpson以及新加坡南洋理工大学MaryB.Chan-Park等人，深入探讨了抗微生物肽聚合物的合成方法、多样性、物理化学特性以及其对细菌的杀菌机制。同时，对当前改善抗菌活性的策略以及抗菌肽聚合物在医学应用领域中的潜在应用进行了详细讨论。最后，提出了合成肽支化聚合物在生物医学工程中的挑战和未来应用前景。该论文以“Synthetic peptide branched polymers for antibacterial and biomedical applications”为题，发表在Nature Reviews Bioengineering上。第一作者是墨尔本大学的SadeghShabani。
【关键要点】
•由抗生素耐药病原体引起的传染病是全球医疗保健面临的最大挑战之一。
•通过N-羧酸酐氨基酸的环开聚合产生的合成肽支化聚合物具有精湛的抗微生物效力，同时保持了肽聚合物的优势，即高度生物相容性、可降解性和高效的抗微生物活性。
•结构纳米工程抗菌肽聚合物（SNAPPs）是这些合成肽支化聚合物的一个例子。
•SNAPPs和其他肽聚合物具有多种杀菌细菌的作用机制，这降低了细菌产生耐药性的能力。
•肽聚合物具有独特的合成优势，因为它们的生产成本比固相肽合成制备的抗微生物肽更具成本效益。它们也可以大规模生产，并且可以包含多种后修饰。
•合成肽支化聚合物可能被用于药物传递、基因治疗、组织工程、疫苗治疗学和其他生物医学应用。
【合成抗菌肽聚合物】
1.合成方法：
•NCA-ROP（N-羧酸酐环开聚合）：涉及亲核引发剂攻击NCA单体的C5位置，生成碳酸酰负离子中间体，随后释放CO2并转化为主要胺，进而引发另一个单体的环开合。NCA-ROP方法使聚合物的聚合过程得以精细控制，产生高单分散度（相同长度的链）的合成抗菌肽聚合物。
•β-内酰胺ROP：通过β-内酰胺的环开聚合制备复杂的抗菌肽聚合物。
•N-硫代羧酸酐ROP：采用N-硫代羧酸酐反应合成具有多种化学结构和独特功能的肽聚合物。
2.结构设计：
•前体选择：采用不同的氨基酸前体合成不同类型的抗菌肽聚合物。引入非蛋白氨基酸（例如d-氨基酸）可以减少蛋白水解，增加在体内的半衰期。
•修饰策略：包括含糖氨基酸、磷酸化氨基酸和硫代化氨基酸等修饰氨基酸，可用于增强抗菌肽聚合物的生物活性。
3.修饰策略：
• PEGylation（聚乙二醇化）：采用PEG改善抗菌肽的水溶性、生物相容性和循环半衰期。
• 多糖化：与多糖（如聚糖）连接以模拟细菌的肽聚糖结构，提高抗菌肽的生物相容性和活性。
• 聚磷酸酯化：与聚磷酸酯连接，提高抗菌肽的生物相容性和抗菌活性。
• 连接其他物质：包括抗生素等，以改善抗菌肽的生物利用度和活性。
图1|合成肽支化聚合物。A，合成肽聚合物。Aa，N-羧酸酐（NCA）单体的合成。Ab，通过NCA环开聚合（ROP）合成肽聚合物。Ac，β-内酰胺单体的合成。Ad，通过β-内酰胺ROP合成β-肽聚合物。合成块共肽聚合物。Ae，宏观引发剂方法。Af，从合成肽聚合物中聚合非肽聚合物块。Ag，结合两个独立块段。B，星型和刷型肽支化聚合物的合成。Ba，标准NCA-ROP方法，其中R是不同的氨基酸侧链，ROP是通过添加含胺基引发剂来启动的。Bb，添加单一或混合氨基酸NCA，然后进行ROP，以产生同源氨基酸臂聚合物或随机二嵌段或三嵌段氨基酸臂聚合物；或通过顺序添加氨基酸NCA来产生二嵌段或三嵌段氨基酸臂聚合物。Bc，核心优先的NCA-ROP方法。Bd，臂优先和交联的NCA-ROP方法。Be，从侧链聚合和接枝到NCA-ROP方法产生刷状SNAPP和星型SNAPP。
【抗菌肽聚合物的物理化学特性】
1.电荷和残留官能团：
• 对细菌细胞膜的正电荷功能团（如氨基酸赖氨酸或季铵盐基团）可通过静电作用与细菌细胞膜相互作用并破坏其结构。原子团的选择和电荷密度对细菌膜扰乱效果有显著影响。
• 不同类型的电荷功能团对细胞膜穿透能力有所不同，例如磷脂头基与季铵盐基团的结合力更强，表明阳离子功能对于膜靶向和破坏的重要性。
2.疏水性和两性结构平衡：
• 抗菌肽聚合物通常具有两性结构，含有正电和疏水组分。适度的两性性质对于设计低毒性的抗菌肽聚合物至关重要。
• 过多的疏水性可能导致抗菌肽聚合物溶解性不佳、细胞毒性和溶血活性高，因此需要平衡阳离子和疏水部分的两性性质。
3.分子大小和结构：
• 分子大小对抗菌性质有影响，不同类型的聚合物或肽聚合物具有最佳分子量范围以发挥最有效的抗菌活性。
• 分子结构或链结构对抗菌活性也有影响，例如，球状结构的聚合物比线性聚合物具有更高的抗菌活性，星形SNAPPs具有超强的抗菌活性。
4.构象特征和二级结构：
• 抗菌肽聚合物可呈现不同的构象，如α-螺旋和β-折叠，这些构象决定了其生物活性，包括与细胞膜的相互作用和抗菌性能。
• α-螺旋结构的抗菌肽聚合物比其随机卷曲的对应物具有更强的抗菌作用，同时对血液细胞的毒性更低。具有稳定的α-螺旋结构的抗菌肽聚合物在膜活性和功能化方面表现出更高的效率。
图2|个体SNAPP臂潜在二级结构的示意图。a，α螺旋；b，β折叠。
【抗菌肽聚合物的作用机制】
1.抗菌肽聚合物的机制：
• 大多数阳离子抗菌肽具有非特异性作用方式，通过静电和疏水相互作用来靶向细菌内外膜，主要通过扰乱细菌膜实现其抗菌活性。它们会与细菌的磷脂头基等部位发生静电作用，破坏细胞膜，导致细胞死亡。
• 与单一抗菌肽相比，抗菌肽聚合物（如SNAPPs）具有多种作用方式，可以在同一细菌内部产生多个形成孔道的特性，破坏革兰氏阴性细菌的外膜，结合胞内成分并招募免疫细胞到感染部位。
2.SNAPPs的抗菌活性：
• SNAPPs展现出多致病机制，例如，在革兰氏阴性细菌中，较长的SNAPP臂会使SNAPP对外膜的结合增强，从而加强对细菌的杀伤；而在革兰氏阳性细菌中，SNAPP对内膜的结合增强，减少其对细菌的渗透和插入。
• SNAPPs与内膜的相互作用导致多种作用机制，包括细胞膜去极化、细胞膜溶解、外排泵抑制、活性氧物质产生和凋亡样死亡途径的信号。这种多种作用方式降低了细菌产生抗药性的可能性。
3.抗病毒和抗真菌策略：
• 抗病毒肽不一定直接杀灭病毒，它们主要通过干扰病毒感染机制来发挥作用。一些抗病毒聚合物可以与宿主细胞受体结合，阻止病毒膜蛋白与受体的相互作用。
• 抗真菌策略通常基于小分子抗真菌药物，但合成抗菌肽可能成为一种有效的替代策略，一些抗真菌聚合物已显示出对多种真菌的活性。
图3|抗微生物肽和SNAPPs的抗微生物作用机制。a，抗微生物肽（AMPs）的细菌杀伤机制。阳离子抗微生物肽的直接杀菌机制是通过与带负电的脂质外膜相互作用，然后转移到带负电的内膜；随着抗微生物肽浓度的增加，内膜变得可渗透（通过形成孔），导致细胞内离子和代谢物的无序泄漏，并破坏生物合成，最终导致细胞死亡。b，结构纳米工程抗菌肽聚合物（SNAPPs）的细菌杀伤机制。SNAPPs破坏革兰氏阴性菌的外膜（以及与内膜的相互作用）。这种外膜破坏增强了SNAPPs与内膜的相互作用：SNAPPs跨越内膜并引起无序的离子通量。SNAPPs的积累导致孔的形成；膜的部分区段可以解离并与内部成分相互作用。此外，SNAPPs能够招募免疫细胞到感染部位。
【增强抗菌肽聚合物的抗菌活性】
1.抗菌肽聚合物的抗菌活性增强策略：
• 抗生素辅助治疗：将线性肽基聚合物或抗菌肽用作辅助剂与传统抗生素或非抗生素联合治疗，以提高治疗效果。例如，设计的多糖基阳离子嵌段聚合物（PAS8-b-PDM12）增加了利福平的细胞内浓度，提高了外膜通透性和抗性蛋白外流泵的抑制作用，从而提高对革兰氏阴性细菌的活性。
• 纳米材料的应用：利用具有大表面积的纳米材料增强肽聚合物与细菌的相互作用，并使其更有效地穿透细菌膜。例如，将银纳米颗粒（AgNPs）应用于聚合物中，增强了对细菌的杀菌效果，并通过增加膜通透性、破坏细菌膜并释放Ag+诱导ROS产生促进了细菌的凋亡。
• 生物结合和化学修饰策略：通过将药物或分子与聚合物结合，改善了生物活性和酶稳定性，并提高了抗菌聚合物的安全性。例如，设计了具有较强抗菌活性的聚合物，通过促进膜扭曲和增强细胞内抗生素浓度实现协同杀菌效果。
2.克服抗菌耐药性的机制：
• 多重作用机制：抗菌肽聚合物（尤其是SNAPPs）对抗传统抗生素耐药菌株表现出显著的作用，主要是因为它们通过靶向细菌内膜和革兰氏阴性细菌的外膜，避开了传统抗生素的常见抗药机制，例如细菌外流泵和目标修饰。
• 抗菌速度和浓度窗口：相较于抗生素，抗菌肽作用速度更快，从与细菌交互到细菌死亡的浓度窗口较小，因此耐药性的诱导更低。SNAPPs作用速度快，浓度窗口小，这或许是其耐药性低的原因之一。
图4|SNAPPs和其他聚合物的化学修饰。a，抗生素辅助治疗。合成抗微生物肽聚合物可以作为辅助剂与常规抗生素或非抗生素一起增加治疗效率，例如增加膜通透性以便细胞内摄取和抑制外流。左侧显示了载有银离子（Ag+）的结构纳米工程抗菌肽聚合物（SNAPP）星型聚合物和一种糖基-SNAPP刷型聚合物破坏革兰氏阴性细菌的外膜和内膜，并促进传统抗生素的内流，这是一种已知的抗生素辅助机制，增加或使细菌对传统抗生素产生敏感性。右侧显示了载有银离子（Ag+）的SNAPP星型聚合物和一种糖基-SNAPP刷型聚合物结合到外流泵，从而抑制抗生素的排泄，进而增加或使细菌对抗生素产生敏感性。b，生物共轭和化学修饰策略可以提高SNAPPs的生物活性和酶稳定性，并通过合并模拟基团的氨基酸（如吲哚或鸟氨酸）或阳离子聚合物基团，形成自组装超结构来增强安全性。
【合成肽支化聚合物的应用】
1.药物输送：NCA-ROP衍生的肽聚合物在药物输送领域取得了进展，用于传递物质以抑制生物化学或遗传过程，或用于抑制或杀死癌细胞。通过设计特定的肽聚合物，如32臂肽聚合物，可通过与siRNA相结合，有效地抑制基因信号通路并改善心肌缺血再灌注损伤。
2.基因治疗：阳离子肽聚合物（包括SNAPPs）作为基因传递平台，通过它们的正电单元与核酸高效结合。这些聚合物能够包裹DNA或mRNA，实现快速转染，有望成为基因治疗的新型纳米医学平台。
3.组织工程：肽聚合物可通过共价交联或超分子组装形成水凝胶，用作组织工程支架、细胞包裹和药物输送平台。它们被用于涂覆固体表面，如硅和钛表面，具有抗菌活性和预防感染的潜力，特别是在植入和导管应用中。
4.疫苗治疗：肽聚合物在疫苗设计和传递中的潜力：利用肽聚合物作为疫苗的佐剂和载体。它们可以改善疫苗的免疫原性，有助于提高疫苗的有效性，例如，形成高效的纳米乳剂佐剂。此外，对改性肽聚合物的研究也表明，通过修饰氨基酸侧链可以降低毒性并增强基因转染效率。
图5|合成肽支化聚合物广泛应用的示意图。a，合成肽聚合物微胶束的配方和药物载体递送。b，结构纳米工程抗菌肽聚合物（SNAPPS）与DNA、小干扰RNA（siRNA）或DNA/RNA质粒结合，用于体内基因递送。c，将SNAPPs连接或聚合到组织支架上，以增强细胞粘附和/或生长。d，SNAPPs可以嫁接到各种表面，例如钛植入物或导管用塑料，作为抗菌表面。e，合成肽聚合物疫苗的配方和疫苗载体递送。疫苗递送系统可以包括载有DNA的合成肽聚合物、载有蛋白质的合成肽聚合物或功能化的RNA载体合成肽聚合物，带有靶向配体以增加疫苗递送到特定免疫细胞的能力。载有蛋白质的合成肽聚合物被抗原提呈细胞（APC）吞噬，并通过主要组织相容性复合体（MHC）I或II向T细胞呈现其内含物。载有DNA或RNA的合成肽聚合物被细胞（通常是APC）吞噬或内吞，RNA和DNA逃逸囊泡并进入细胞质，在那里编码的蛋白质被产生。然后这种蛋白质被分泌和/或被APC内部处理，并向T细胞呈现。根据刺激的T细胞类型，产生的诱导免疫反应将通过B细胞激活产生抗体，或直接杀死癌细胞或病毒感染的细胞。
【未来展望】
1.应用潜力和优势：NCA-ROP策略在合成各种肽聚合物中展示出了巨大潜力。肽聚合物具有多样的成分、良好的自组装行为、生物相容性和可降解性等显著特性，吸引了药物和核酸传递、抗微生物耐药性和组织工程等领域的科学家的关注。
2.挑战和发展方向：仍然存在的挑战之一是选择性输送和靶向。需要研究选择性传递健康细胞和癌细胞或感染细胞之间的区别，以增强肽聚合物的抗感染和抗微生物潜力。另一个挑战是改善SNAPPs在药物和基因输送中的高位点选择性、转染效率和低细胞毒性。
3.未来发展方向：自动合成将简化实验室程序，提高结构精度，为更好或更优化的组合提供高通量，以便更好地适用于目标应用。将SNAPPs作为多重耐药病原体的抗生素替代品是开发和转化到临床的一个关键领域。
4.应用方向：将SNAPPs或类似的肽聚合物输送到表面，以提供抗菌功能是未来应用的一个直接而重要的方向。这种方法对于在医院或公共场所（如火车和公交车）生产长效抗菌表面可能非常重要。同时，SNAPPs也有望应用于医疗植入物的抗菌表面。
5.环境应用和可持续发展：SNAPPs也可能在动物生产和农业活动中替代其他长期毒性潜力较大的抗微生物化学物质，改善水质污染问题。另外，SNAPPs还具有在替代现有塑料方面的潜在应用，这些肽聚合物可通过自然过程快速降解，更具生物可利用性和生物降解性，甚至可能可堆肥，同时具备抗微生物、抗病毒、消毒、防污和释药等特性。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s44222-023-00143-4
来源：BioMed科技
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