摘要:病菌感染嚴重威脅著全人類的生命健康,由于抗生素的濫用導(dǎo)致耐藥菌不斷滋生,傳統(tǒng)抗生素藥物開發(fā)遲滯,迫切需要開發(fā)新型抗菌分子。利用化學(xué)方法構(gòu)建抗菌高分子材料或抗菌藥物的遞送體系,是對抗耐藥菌的有力武器。本文重點介紹了近年來各類抗菌高分子材料在設(shè)計、合成方面的研究進展,以及在對抗病菌耐藥性危機中的應(yīng)用方向和前景。
細菌遍布于我們的生存環(huán)境中,其中大部分可以與人類和平相處,但仍有眾多致病菌會引起各類疾病,在漫長的人類歷史中,這些隱藏在人類身邊的殺手通過一道小小的傷口便能導(dǎo)致致命感染。直到1928年,AlexanderFleming發(fā)現(xiàn)青霉素,并于20世紀40年代投入臨床使用,我們進入“抗生素時代”,各類抗生素藥物相繼問世,使人類擁有了抵抗病菌感染的有力武器[1] 。然而好景不長,人類對抗生素長期過量和不恰當?shù)氖褂?急劇加速了病菌耐藥性突變的發(fā)生,各類耐藥菌不斷出現(xiàn),最終,具有多重耐藥性的“超級細菌”問世,使細菌感染的治療難度增大[2] 。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)2019年發(fā)布的報告,全球目前每年至少有70萬人死于耐藥性病菌感染,若以目前的趨勢繼續(xù)發(fā)展,到2050年全球每年死于耐藥菌感染的人數(shù)可能會增加到1000萬人/年[3] 。據(jù)世界銀行計算,以現(xiàn)在趨勢到2050年,抗生素耐藥性問題造成的全球經(jīng)濟損失每年將超過2萬億美元[4] ,對糧食和飼料的生產(chǎn)、貿(mào)易等方面的影響更是不可估量。
然而根據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)的數(shù)據(jù)顯示,自1980年之后鮮有新抗生素藥物進入市 場[5] ,一方面是迅速發(fā)展的病菌耐藥性使得已有抗生素失效,另一方面是新藥研發(fā)的艱難和遲緩。2014年,WHO宣布人類已進入“后抗生素時代”[5] 。除了加強政府監(jiān)管與宣傳,引導(dǎo)衛(wèi)生系統(tǒng)、農(nóng)牧業(yè)和公眾 正確看待并科學(xué)使用抗生素之外,迫切要求研究者們積極探索新的抗菌材料和方法來應(yīng)對這一危機。近 年來,基于高分子材料的新型抗菌材料和藥物遞送體系逐漸成為研究熱點,通過天然高分子修飾、合成抗 菌多肽及其高分子類似物、抗菌藥物遞送載體、光動力抗菌療法等可以有效殺滅病菌,阻止/減緩耐藥性 的發(fā)生。本文將對上述基于高分子的抗菌材料和方法進行總結(jié)和概括,以期為尋找破解病菌耐藥性危機 可行方案提供啟示。
1 天然抗菌肽及其作用機制
1974年,瑞典科學(xué)家G.Boman等從眉紋天蠶蛾蛹(samiacynthia)提取出一種具有抗菌活性的多 肽:天蠶素(Cecropins)———這是世界上最早發(fā)現(xiàn)的天然抗菌肽(Antimicrobialpeptides,AMP)之一[6, 7] 。之后大量研究發(fā)現(xiàn),多種多樣的抗菌肽廣泛存在于動物、植物和微生物的免疫/防御系統(tǒng)中,因此也被稱為宿主防御肽(Host-defensepeptides,HDP),截止到目前,已經(jīng)有3000余種抗菌肽被報道[8] 。這類抗菌肽被稱為“新一代的抗生素”。不同于傳統(tǒng)抗生素的是,抗菌肽在長期(幾千甚至數(shù)萬年)發(fā)揮作用的同時,并沒有引起病菌的耐藥性,有科學(xué)家認為這與抗菌肽與細菌細胞膜作用的獨特抗菌機制有密切的關(guān)聯(lián)。
雖然目前已發(fā)現(xiàn)了3000余種抗菌肽,但是真正應(yīng)用于臨床的卻很少。這是由于一部分抗菌肽在作用劑量下對原核生物和真核生物都會體現(xiàn)毒性,對哺乳動物會產(chǎn)生溶血等毒害作用。另外,抗菌肽在動物體內(nèi)容易被蛋白酶水解,在高鹽環(huán)境、二價陽離子等影響下會形成聚集體;并且抗菌肽的提取和純化較為困難且昂貴。為克服抗菌肽的這些缺點,研究者們致力于通過化學(xué)方法模擬抗菌肽的結(jié)構(gòu)和功能,來人工合成抗菌聚肽、類肽和它們的高分子模擬物;大量研究也已經(jīng)表明,化學(xué)方法可以以低成本合成出具有廣譜抗菌性和高選擇性的抗菌肽及其類似物[15] 。
2 抗菌高分子材料
近年來,隨著對抗菌材料的研究不斷深入,高分子材料逐漸突顯出其優(yōu)勢。我們將從抗菌聚多肽/聚氨基酸、抗菌天然高分子及其衍生物、抗菌肽的高分子模擬物、基于高分子的抗菌藥物遞送體系以及光動力抗菌高分子材料這幾個方面,綜述近年來抗菌高分子材料的研究進展。
除上述采用NCA法合成抗菌肽之外,科研工作者還不斷開發(fā)出新的抗菌肽合成方法。中科院應(yīng)化所陶友華等開發(fā)出一種內(nèi)酰胺合成多肽的方法,并成功合成了傳統(tǒng)NCA法無法合成的ε-聚賴氨酸(ε-PL)抗菌肽,解決了無法使用化學(xué)方法合成直鏈ε-PL這個公認性難題[25] 。
自然界中存在大量的天然高分子化合物,其中一些具有一定的抗菌性能。最常見的天然抗菌高分子 如殼聚糖,是一種帶正電荷的直鏈型多糖,由甲殼素經(jīng)濃堿處理脫去乙酰基后得到的,主要來源于蟹殼、蝦殼、貝殼等甲殼類殼體。殼聚糖的氨基可以在低pH下被質(zhì)子化而帶正電性,具有一定的抗菌效果。但是在中性生理條件下,殼聚糖溶解性很差,很難發(fā)揮其抗菌效果,所以需要對其進行化學(xué)修飾,從而得 到抗菌活性高、溶解性好的殼聚糖衍生物。
殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的羥基和氨基,具有很高的反應(yīng)活性,通過季銨鹽化、季鏻鹽化、胍基化等方式與其它化合物的改性修飾,制備得到不同的殼聚糖抗菌衍生物[32~34] 。Li等報道了以癸基二甲基胺殼聚糖(高度季銨化)接枝聚甲基丙烯酸乙二醇酯(DMDC-Q-g-EM)和聚二丙烯酸乙二醇酯為基礎(chǔ)的抗菌水凝膠(如圖4所示)。該凝膠對銅綠假單胞菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、腐皮鐮孢霉菌等都具有良好的抗菌效果,并提出了一種物理抗菌機制,陰離子細菌膜部分像負離子海綿一樣被吸進水凝膠的內(nèi)部納米孔中,導(dǎo)致微生物膜破壞,進而導(dǎo)致微生物死亡。此外,動物實驗表明,DMDC-Q-g-EM水凝膠涂層與家兔結(jié)膜具有良好的生物相容性,對上皮細胞和底層基質(zhì)無毒性[34] 。
El-Newehy以氯乙�；弯逡阴；瘹ぞ厶菫樵虾铣闪艘幌盗屑句@鹽和季鏻鹽,并研究了它們對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和真菌的抗菌活性,在相同的反負離子條件下,季鏻鹽改性殼聚糖對所測微生物的抗菌活性高于季銨鹽改性殼聚糖[33] 。Niu則利用羧甲氧基聚乙二醇(mpEG-COOH)在殼聚糖結(jié)構(gòu)中引入親水片段,通過氨基亞胺甲烷磺酸(AIMSOA)對殼聚糖進行胍基化,制備了雙功能殼聚糖衍生物CS-G/mpEG,它可以在不引起溶血或細胞毒性的情況下,通過高效選擇性地破壞細菌膜殺死革蘭氏陽性菌,在較寬的濃度范圍內(nèi)有效抑制金黃色葡萄球菌的生長,并且其溶解性也得到了提高[32] 。
甲殼素也是帶正電荷的天然含氮多糖高分子,與殼聚糖一樣,分子結(jié)構(gòu)中也含有活潑的羥基和氨基,可通過化學(xué)改性得到甲殼素抗菌衍生物。Cai課題組采用簡單的方法在KOH/尿素水溶液中簡單地制備了一系列季銨化的β-甲殼素衍生物。它們對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和米根霉均表現(xiàn)出良好的抗菌活性,MIC分別為8、12、60和40μg/mL,并且具有良好的生物相容性[35, 36] 。
天然高分子的修飾有其局限性 , 而利用高分子合成方法 , 通過對單體的修飾和調(diào)配 , 來理性模擬抗菌 肽的兩親性結(jié)構(gòu)則具有更強的操作性和可控性 。
為了更接近地模擬抗菌肽,Degrado和Tew等設(shè)計合成了一種新型抗菌低聚物———“折疊體”,其為一種基于芳胺和β-氨基酸骨架的短序列特異性寡聚物,在具有兩親性組分的同時,還能折疊成類似抗菌肽的二級結(jié)構(gòu),可通過調(diào)整分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化來調(diào)節(jié)抗菌活性和毒性。之后將這些抗菌折疊體作為靜脈注射抗生素,結(jié)果表明,細菌不易對這類化合物產(chǎn)生耐藥性。然而,在對這些抗菌折疊體的性能篩選中發(fā)現(xiàn),有一些二級結(jié)構(gòu)與其抗菌肽母板不太相似的分子也具有良好的生物學(xué)性能[45] �；谶@些成果,研究人員開拓了抗菌肽高分子模擬物的設(shè)計與合成。
Lienkamp等將一系列不對稱二取代的二衣康酸單體與N, N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)通過自由基共聚合,得到抗菌肽模擬共聚物(SMAMPs)。結(jié)果表明,通過改變烷基鏈長度與DMAA含量可以改變聚合物的疏水性,當烷基側(cè)鏈最長、DMAA含量最低時,抗菌活性最強。由于這些聚合物生物活性的分子量依賴性,需要進一步優(yōu)化的是多分散性,可以通過可控自由基聚合的方法來實現(xiàn)o Tew采用開環(huán)轉(zhuǎn)位聚合(ROMP)制備了一系列具有不同結(jié)構(gòu)變化的聚合物,通過對結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系的研究,分析分子量、電荷、疏水性、反離子和聚合物結(jié)構(gòu)對抗菌效果的影響[47] o�？咕芯勘砻�,隨著聚合物疏水性的增加,其MIC值開始呈上升趨勢,當聚合物鏈中間部分疏水時,其抗菌活性最高;與單電荷模擬物相比,單體含有更多陽離子電荷的聚合物具有更高的抗菌性;分子量對抗菌性能的影響可能與聚合物結(jié)構(gòu)有關(guān)[48]。
yang 和 Hedrick合成的抗菌聚碳酸酯能夠選擇性地與細菌細胞膜相互作用 , 首先通過靜電膜締合 作用誘導(dǎo)膜整合 , 進而使膜不穩(wěn)定 , 最終導(dǎo)致細菌細胞裂解和死亡o 抗菌聚碳酸酯對革蘭氏陽性菌 、革蘭 氏陰性菌和真菌都有選擇抑制的能力[49] 。
如今已經(jīng)開發(fā)出許多具有選擇性的抗菌肽聚合物 , 由于聚合物中陽離子電荷和疏水性之間的平衡 , 使得它們能選擇性地與細菌的陰離子脂質(zhì)膜 , 而不是與兩性離子哺乳動物(人的紅細胞)膜作用o 為了探 究兩親性抗菌聚合物中的氫鍵是否有助于這種特異性膜的結(jié)合 , Divakara 等通過酯的異構(gòu)取代 , 使其酰 胺部分在 N-烷基馬來酰亞胺基兩親聚合物的側(cè)鏈中的氫鍵效力不同o 研究表明 , 與酯對應(yīng)物(EC3P)相 比 , 酰胺聚合物(AC3P)是一種有效的抗菌劑 , 具有高的破膜性能 , 證實了氫鍵在細菌膜相互作用中的重 要作用 , 這將助于今后設(shè)計特異性膜活性分子的細菌膜[50] 。
鹵胺抗菌化合物近年來也被廣泛關(guān)注,它是一種分子結(jié)構(gòu)中含有氮鹵官能團的有機化合物,通常由N—H鍵經(jīng)次鹵酸鹽作用轉(zhuǎn)變成N—X鍵來制備。其抗菌原理是由于鹵原子帶有正電荷且具有氧化性,通過釋放強氧化性的鹵素陽離子破壞細胞膜,或進入到微生物體內(nèi),干擾細胞酶的活性和代謝過程,從而導(dǎo)致細菌死亡。Ren課題組在N-鹵胺抗菌共聚物及抗菌劑的制備方面持續(xù)探索,利用殼聚糖和羥甲基海因作為原料反應(yīng)生成了鹵胺前驅(qū)體接枝殼聚糖[51] ,又通過離子凝膠法制備了改性殼聚糖納米微球,后又將改性殼聚糖納米微球氯化,結(jié)果顯示,改性后的納米微球具有更加優(yōu)異的抗菌性能。除此之外,改性后的殼聚糖以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑,合成了鹵胺抗菌劑 3-(3,-丙烯酸丙酯)-5,5-二甲基海因(APDMH)[52] ,并與乙酸乙烯酯(Vac)共聚,合成了抗菌共聚物[P(APDMH-c.-VAc)],通過浸漬工藝,整理到丙綸無紡布上。Dong課題組致力于開發(fā)抗菌N-鹵胺材料,采用自由基共聚,合成負載N-鹵胺的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米粒子作為新型抗菌劑,這種抗菌劑具有長期穩(wěn)定的抗菌性能[53]。
除了本身具有抗菌功能的高分子 , 利用高分子來做為抗菌藥物(如抗生素 、抗菌肽等)的智能/靶向遞 送體系 , 實現(xiàn)抗菌藥物的按需釋放 , 可以大幅降低藥物的用量 , 避免藥物的持續(xù)過量使用 , 對于降低病菌 耐藥性的發(fā)生 , 也具有極其重要的意義 。
saad報道了一種將水凝膠作為抗菌環(huán)丙沙星藥物(CFX)載體的制備方法,合成了N-三甲基殼聚糖(TMC)/羧甲基黃原酸鈉膠(CMXG)水凝膠,并以環(huán)丙沙星作為模型藥物。結(jié)果表明,環(huán)丙沙星成功地從制備的水凝膠中摻入和釋放。為了防止體內(nèi)植入器械感染等一系列問題[54] ,Ashbaug開發(fā)了一種由嵌入在聚己內(nèi)酯(PCL)薄膜中的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)納米纖維組成的復(fù)合涂層,用于協(xié)同傳遞抗生素。通過改變PLGA:PCL聚合物的比例,可以遞送不同種類的抗生素[55] 。同樣的,脂質(zhì)體也是一種重要的藥物遞送載體,Chhibbe采用脂質(zhì)體作為噬菌體的載體在小鼠體內(nèi)培養(yǎng)噬菌體抗體,并對混合血清中和游離噬菌體和脂質(zhì)體夾持噬菌體的能力進行評估。實驗結(jié)果顯示,包封的噬菌體的中和抗體具有100%的保護作用。游離的噬菌體在與抗體相互作用后3h內(nèi)被中和,并且,脂質(zhì)體能夠?qū)〉氖删w運送到巨噬細胞內(nèi),導(dǎo)致細胞內(nèi)94.6%肺炎鏈球菌死亡。納米顆粒在遞送抗生素和其它藥物方面表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能,但其靶向效率等有待進一步提高[56] 。
光能具有環(huán)保性 、可再生性 、遠程操控和可調(diào)節(jié)波長等優(yōu)點 , 因此光響應(yīng)性高分子材料成為研究熱點 之一 。光動力抗菌化學(xué)療法(Photodynamic antibacterial theraPy, PDAT)是利用光敏劑和可見光或紫外 光 , 通過氧化損傷對微生物產(chǎn)生光毒性反應(yīng)[60] 。PDAT如果能夠替代抗生素用于局部感染的治療 , 將有 效緩解耐藥性危機 。目前 , 卟啉類及其衍生物是一類非常重要的光敏劑 。然而 , 卟啉很容易在疏水的 π-π 相互作用的基礎(chǔ)上形成聚集體 , 減少單線態(tài)氧的生成 。 為此 , zhang 課題組以含有葫蘆[7](CB[7])季 銨鹽基的卟啉衍生物(Por)為原料制備了一系列超分子光敏劑 。 當其與 CB[7]結(jié)合后 , 光敏劑的抗菌活 性在黑暗中處于關(guān)閉狀態(tài) , 而在白光照射下抗菌活性處于開啟狀態(tài) 。 實驗結(jié)果表明 , 這些小分子對哺乳 動物細胞幾乎沒有細胞毒性 , 這一研究方向?qū)榧句@鹽類殺菌劑長期對抗細菌積累提供一種新策略[61] 。
由于具有良好的光物理性質(zhì),陽離子共軛聚合物被廣泛應(yīng)用于生物傳感器、成像和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。wang課題組合成了一種新型陰離子水溶性聚噻吩(PTP)和一種陽離子卟啉(TPPN),兩者通過靜電相 互作用形成復(fù)合物,如圖8a所示,在白光照射下,PTP向TPPN進行有效的能量轉(zhuǎn)移,提高了TPPN產(chǎn) 生單線態(tài)氧的效率,能夠有效地進行殺菌[62] 。為了更好地選擇性識別、成像和殺滅細菌,他們又合成了 一種具有聚乙二醇側(cè)鏈(PPV-1)的多功能陽離子衍生物,如圖8b所示,陽離子PPV-1通過靜電相互作用 選擇性識別結(jié)合細菌,在白光照射下產(chǎn)生三線態(tài)氧,進而氧化損傷有效殺死細菌[63] 。APDT存在的主要 問題是光在生物組織中的穿透深度有限,為此構(gòu)建了一種基于電化學(xué)發(fā)光(ECL)的電致發(fā)光殺菌系統(tǒng), 如圖8c所示。ECL可用于激發(fā)光敏劑,OPV作為一種高效的光敏劑,吸收ECL的發(fā)射,不再依賴于物 理光源產(chǎn)生活性氧(ROS)。這種新策略避免了外部光源的使用,在深部組織損傷治療中具有很大 潛力[64] 。
除卟啉類及其衍生物、陽離子共軛聚合物外,常見的光敏劑還有吩噻嗪類、酞菁類及其衍生物等。傳統(tǒng)的吩噻嗪類光敏劑包括亞甲基藍、甲苯胺藍等。Syed利用670nm激光光源,研究了亞甲基藍共軛碳納米管(MBCNTs)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生物被膜的抗菌活性。在試驗培養(yǎng)基中,光動力失活顯示大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的log值分別減少4.86和5.55[65] 。另外,Terada等探究了在白鹵光的激發(fā)下,光敏劑赤蘚紅素/亞甲基藍聯(lián)合應(yīng)用對變形鏈球菌生物被膜的抗菌作用,研究結(jié)果顯示,當赤蘚紅素和亞甲基藍的濃度為100μM和250μM時,PDAT聯(lián)合赤蘚紅素/亞甲基藍均優(yōu)于光敏劑單獨使用的效果[66] 。酞菁類化合物與卟啉結(jié)構(gòu)相類似,已被用作光敏劑。為此,Lee制備了殼聚糖/三聚磷酸鹽納米粒子包封酞菁,對白色念珠菌進行殺滅。包封的酞菁穿透細胞的能力增強,實驗結(jié)果顯示白色念珠菌的存活率僅為20%[67] 。
上述各類抗菌高分子,在進一步作為藥物代替抗生素應(yīng)用于臨床方面還面臨很大的挑戰(zhàn)。但目前,各色各樣的抗菌高分子材料可以通過抗菌涂層等方法應(yīng)用于醫(yī)療器械、衛(wèi)生消毒、水處理等領(lǐng)域,從而減少抗生素的用量,延緩其耐藥性的產(chǎn)生。例如,應(yīng)用于臨床手術(shù),通過對手術(shù)室內(nèi)用品、器具進行抗菌涂層修飾,可以達到較高的潔凈等級,減少感染的發(fā)生,減少/避免抗生素的使用,從而減緩耐藥性的滋生。
3 總結(jié)與展望
目前,抗菌高分子材料的研究主要集中在它們的化學(xué)和結(jié)構(gòu)方面。隨著研究的深入,性能優(yōu)異的抗菌高分子材料正在被不斷開發(fā)出來。
高分子材料可以作為智能/靶向藥物遞送體系,將藥物精準遞送到感染部位,高效發(fā)揮藥物作用,避免藥物的過量使用,從而降低病菌耐藥性的發(fā)生。同時,由于光動力抗菌療法具有副作用小、選擇性好等優(yōu)點,近年來受到極大關(guān)注。光敏劑在一定波長的光的激發(fā)下,產(chǎn)生ROS,進而殺菌。
抗菌高分子材料的研究得到了長足的發(fā)展,但仍存在一些問題,如抗菌聚合物的抗菌機理尚未完全清楚,需要進一步研究;藥物遞送體系的靶向性也有待提高�？咕叻肿硬牧显谏镝t(yī)藥和生產(chǎn)生活中的應(yīng)用,也有待進一步探索和推進。通過研究者的不斷深入研究和探索,如果抗菌高分子材料可以用作藥物來代替抗生素的使用,將很大程度上降低/減緩耐藥性的發(fā)生,破解病菌耐藥性危機。
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