AFM：基于超分子肽水凝胶的膜破坏和免疫调节级联效应治疗超级细菌感染

如果抗生素治疗无效，来自抗菌素耐药病原体的感染被认为是对人类健康的致命威胁。抗菌肽(AMPs)通过膜破坏机制显示出对耐药菌株的广谱抗菌活性，而不会产生进一步的耐药性，是抗耐药微生物的潜在候选者。然而，目前开发的小分子AMPs具有较弱的抗菌效果和潜在的细胞毒性。为此，中国科学院过程工程研究所闫学海、袁成前研制了一种基于超分子自组装的抗菌剂AMPs水凝胶。该水凝胶具有很强的抗菌活性，对耐药微生物具有很高的效力。它还具有较高的细胞相容性和免疫调节活性。这种协同作用使其显著治愈了由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染引起的皮肤脓肿。本研究不仅为超分子AMPs水凝胶的设计策略和免疫相关抗菌作用的研究提供了新的思路，也为自组装肽平台的发展提供了新的思路。该研究以题为“Treatment of Superbug Infection through a Membrane-Disruption and Immune-Regulation Cascade Effect Based on Supramolecular Peptide Hydrogels” 的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

该研究开发了一种超分子自组装AMPs平台，它具有一系列细菌膜破坏和免疫调节的协同作用，并具有高生物利用度和生物相容性。当接触到带负电荷的细菌膜时，阳离子AMPs从纳米纤维中释放出来，破坏细菌膜并杀死细菌。在MRSA感染期间，吞噬细胞(如单核巨噬细胞)被招募到感染部位吞噬MRSA，伴随着一系列具有细胞因子风暴副作用的促炎细胞因子。应用自组装AMPs水凝胶后，MRSA细菌被杀死，促炎症细胞因子被抑制。因此，炎性损伤得到缓解，传染病的治愈率加快。通过使用MRSA感染的皮肤脓肿模型，AMPs水凝胶显示出显著的治疗效果。

方案1.由自组装的AMPs形成的抗菌水凝胶的示意图，以及在治疗抗菌素耐药MRSA感染引起的皮肤脓肿中的应用

【AMPs的制备】

该该研究以前已经开发了一系列基于IIKK序列和同源物重复单元的𝛼-螺旋AMPs。在这些AMPs中，G(IIKK)₃I-NH₂(G₃)具有较强的广谱抗菌活性，具有相对良性的细胞毒性。G₃比许多设计的AMPs和天然AMPs显示出显著的治疗效果。额外的烷基链增强了AMPs的疏水性，而不加剧其细胞毒性，同时促进了自组装倾向。因此，开发了C₈-G(IIKK)₂i-NH₂(C₈G₂)和C₁₂-G(IIKK)₂i-NH₂(C₁₂G₂)来制备自组装AMPs。

图1. AMPs的自组装特性

【AMPs的抗菌活性和细胞毒性】

超分子自组装C₁₂G₂水凝胶具有特殊的分子结构，显著降低了细胞毒性，并具有很强的抗菌活性，使其具有更高的生物选择性和更高的生物医学应用指数。针对所研制的C₁₂G₂水凝胶抗菌活性强、细胞毒性低的优点，进行了体内动物实验。感染金黄色葡萄球菌的皮肤脓肿是常见的皮肤病，尤其是MRSA相关感染的发生率加剧。因此，建立了MRSA感染的小鼠脓肿模型，以评价所生产的AMP溶液和水凝胶的体内治疗潜力。

图2. AMPs的抗菌活性和细胞毒性

【用小鼠脓肿模型和抗炎实验评价AMPs的治疗效果】

皮下注射G₃、C₈G₂液和C₁₂G₂水凝胶治疗MRSA感染所致皮肤脓肿。以抗生素万古霉素和甲氧西林溶液为对照，比较AMPS的治疗效果。将对照药物溶解在PBS缓冲液中。C₁₂G₂组的体内杀菌和脓肿恢复效果最好，第1天脓肿量最小，第15天脓肿量恢复最快。G₃组的皮肤脓肿量到第9天才减少，表明其恢复速度相对慢于C₈G₂和C₁₂G₂组。第9天后，所有实验小鼠均加速创面愈合。第17天，G₃组和C₈G₂组创面均完全闭合。由于万古霉素组对MRSA具有良好的抗菌活性，其疗效几乎与C₁₂G₂组相当。由于MRSA菌株对甲氧西林耐药，甲氧西林组小鼠表现出缓慢的恢复过程，与对照组相似。在抗菌治疗7天后，收集皮肤组织进行H&E染色实验，以评估其组织形态。结果表明，与G₃和C₈G₂水凝胶相比，自组装C₁₂G₂水凝胶可以显著减少皮肤脓肿体积和炎症部位的坏死区，从而加快伤口愈合速度。在感染和损伤时，免疫细胞(以单核巨噬细胞为代表)被激活，产生炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子和白介素6(IL-6)。C₁₂G₂水凝胶可以抑制巨噬细胞对M1表型的过度极化，并分别以降低肿瘤坏死因子-𝛼、IL-6和NO水平为代表，阻止促炎细胞因子风暴。鉴于C₁₂G₂水凝胶可以抑制炎症损伤时免疫反应的过度激活，它比万古霉素更适合治疗MRSA感染。

图3.用小鼠脓肿模型和抗炎实验评价AMPs的治疗效果

【小结】

该研究开发了一种基于AMPs自组装的可注射抗菌水凝胶，以对抗耐药病原体的感染。C₁₂G₂自组装形成超分子纳米纤维网络和稳定的水凝胶。其剪切稀释性和可逆性意味着水凝胶可以注射并嵌入细菌感染部位，用于抗菌和伤口愈合。在体内治疗MRSA感染的皮肤脓肿的实验表明，所使用的C₁₂G₂水凝胶具有高效的抗菌和抗炎活性。C₁₂G₂水凝胶在根除MRSA感染和防止脓肿形成方面与万古霉素一样有效。由于自组装的AMPs水凝胶具有很强的抗菌活性，降低了细胞毒性和免疫调节活性，因此它对耐药微生物的抗菌应用更有效，副作用也更少。这项工作揭示了一种具有膜破坏和免疫调节级联效应的超分子多肽水凝胶对抗耐药细菌的新策略，并为免疫调节辅助抗炎和伤口愈合提供了重要的机制见解。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202305726