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  抗药性细菌所带来的感染问题已经成为一个全球性的健康威胁。而在化学结构上模拟了抗菌肽结构的聚合物型的抗菌剂,由于其导致这种抗药性的几率更低而受到了越来越多的关注。在聚合物链上面分布的阳离子和憎水官能团,是抗菌行为的主要功能来源。

  抗微生物肽(AMPs)存在于各种生物体中,它具有短的阳离子生物肽,是生物主体产生内在反应的重要部分。和传统的抗生素相比,AMP具有广谱的杀菌能力,而且会减少抗药性的产生。AMP是通过和细菌膜的负电表面相结合而导致膜溶解来破坏细胞膜完整性,从而达到杀菌的效果。虽然AMP是一种有效的抗微生物剂,但AMP的商业化却受到其高制造成本和其固有蛋白质降解的限制。因此采用合成高分子的方法来模拟AMP的方法就越来越受到重视。这种AMP模拟的方法(抗微生物聚合物)相对于天然的AMP,具有低成本、药效长、代谢稳定性好,和容易进行化学改性等优点。


  对于这一聚合物材料制作的第一步,是首先采用醛化合物和2-羟基乙基丙烯酸酯(2-HEA)通过Baylis–Hillman反应得到一个聚酯结构的二醇(图1)。这里的醛化合物分别为丁醛、苯丙醛,和癸醛。  这种模拟AMP的合成聚合物,就是在聚合物链上引入亲水的阳离子基团和憎水基团来达到的。以往的方法大多是通过自由基共聚的方式来引入在聚合物链上面随机分布的阳离子基团和憎水基团,美国阿克伦大学(University of Akron)的Chao Peng等人,采用光固化的方法,制作了一个阳离子基团和憎水基团均匀分布在聚合物链上的聚酯型聚氨酯材料,得到了具有很好抗菌效果的聚合物材料。


图1 通过Baylis–Hillman反应合成聚酯多元醇

  然后再采用这个聚酯多元醇和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)反应,得到一个聚氨酯结构的预聚体。采用低生物毒性的Irgacure 2959(2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮)作为光引发剂,在350nm的紫外光照射下,该预聚体再和半胱胺盐酸盐发生硫醇-烯点击反应,在主链上引入阳离子基团,从而得到目标聚合物(图2)。根据最初所使用醛化合物的不同,分别被命名为P1(丁醛),P2(苯丙醛),和P3(癸醛)。


图2 从聚酯多元醇制备目标聚合物的合成线路

  为了检测这些聚合物是否具有抑菌或杀菌作用,通过对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)24小时的生存情况检测显示,三种聚合物对于大肠杆菌均具有很好的杀菌效果,而且聚合物中悬挂基团的憎水性增加时,杀菌能力越好(图3(a))。但当聚合物浓度增加时,杀菌比例反而有所降低(图3(b))。


图3 对对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)进行的24小时杀灭实验

  对这些聚合物的生物毒性评估采用了红细胞的溶血试验。导致10%溶血的聚合物浓度被定义为HC10值,这一值被广泛用于反应聚合物的生物毒性。HC10值越低,意味着越高的生物毒性。从图4中可以看出,悬挂基团的憎水性越强,其毒性越大,尽管其抗菌效率也更好。


图4 P1,P2和P3的溶血行为

  采用扫描电镜(SEM)对聚合物处理过细菌的性能研究发现(图5),聚合物处理过的细菌细胞表现出皱褶的表面(b,c,d),而未处理过的细菌细胞则表现出相对光滑得多的表面(a)。这说明聚合物对细菌膜造成了很大的破坏。


图5 大肠杆菌的扫描电镜图。处理前(a),和采用16μg/mL的P1 (b),P2 (c)和P3 (d) 处理30分钟后。比例尺为1μm

  对于这三个聚合物的膜渗透实验,细菌膜去极化实验和细菌膜破坏实验,也发现这三个聚合物表现出很好的效果。


  阿克伦大学Chao Peng等人的工作表明,通过Baylis–Hillman反应首先制作得到聚酯多元醇,再制备出聚酯型聚氨酯,最后采用硫醇-烯点击反应在采用光固化的方法引入亲水的阳离子基团,可以得到具有很好杀菌效果的具有表面活性剂功能的聚合物材料。

  这一聚合物材料对于大肠杆菌,金黄色葡萄球菌,铜绿假单胞菌和表皮葡萄球菌都有很好的杀菌性能。聚合物的亲水-憎水平衡对于膜破坏能力有关,悬挂憎水基团的憎水性越强,对细菌膜的破坏能力越强,杀菌能力也就越强。渗透性测定显示所制备的三个抗菌聚合物均能渗透进入大肠杆菌的内层和外层细胞膜,金黄色葡萄球菌的细胞壁也不能阻止聚合物对其细胞质膜的破坏。三个聚合物均可以导致这些有害细菌细胞的死亡。

  这一研究工作中对于结构-性能关系以及机理的深入研究,可以对改善抗微生物性能和细胞相容性的新型抗微生物聚合材料的设计和开发,起到很好的指导作用。

参考资料

  • Peng, C., Vishwakarma, A., Mankoci, S., Barton, H. A., & Joy, A. (2019). A structure-activity study of antibacterial poly(ester urethane)s with uniform distribution of hydrophobic and cationic groups. Biomacromolecules.

  • Peng, C., & Joy, A. (2014). Baylis–Hillman Reaction as a Versatile Platform for the Synthesis of Diverse Functionalized Polymers by Chain and Step Polymerization. Macromolecules, 47(4), 1258–1268.