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抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMP）是一类具有抗细菌、病毒乃至真菌活性的小蛋白，广泛存在于多细胞真核生物的上皮屏障和细菌诱导的全身免疫防御中。AMP作为先天免疫系统的重要组分，发挥着抵御病原体入侵的关键作用[1]，因此也被称作“宿主防御肽”。AMP是带有净正电荷的短肽，通过静电相互作用与负电性的细菌膜结合，随后通过自身两亲性与膜上磷脂的疏水酰基链相互作用，内化并破坏细菌膜，最终导致细胞裂解和死亡[2]。这种阳离子性与两亲性的共同特征赋予了AMP独特的抗菌活性与抗耐药性，因此被认为是传统抗生素的可行替代品。然而，尽管AMP具有广阔的应用前景，仍少有通过临床试验的AMP问世，其主要原因在于几个难以跨越的鸿沟，分别是对宿主细胞的毒性（选择性）、体内稳定性以及较低的活性等，这些问题极大地限制了AMP的开发与发展。
中国医学科学院医学生物学研究所的张治业课题组针对这一问题，基于一种源自日本壁虎Gekko japonicas的新型天然AMP的结构框架，调控AMP的两性结构，即让肽链一侧为亲水性、一侧为疏水性，显著增强了其抗菌活性和细胞选择性。基于此策略，研究团队开发并优化了新型抗菌肽RI-18，使其具有“完美不完全两性结构”。近日，该项研究工作发表在了美国化学会出版的药物化学核心期刊Journal of Medicinal Chemistry上（J. Med. Chem. 2024, ASAP）[3]。 前期针对 Gekko japonicus 的基因组测序预测了5个可能的AMP序列，研究人员重点关注了一个包含48个氨基酸残基的肽段RA-48。RA-48包含两个结构域，分别是由前30个氨基酸构成富含碱性氨基酸的N端α-螺旋区RL-30以及由余下的18个氨基酸组成了一个疏水、无序的尾部SA-18。螺旋轮投影表明，RL-30亲水残基与疏水残基分列两侧，形成两亲性的α-螺旋，且集中了RA-48所包含的大部分正电荷，研究人员因此推测RL-30是RA-48的活性结构域（图1）。进一步的抗菌活性测试验证了这一观点，RL-30对鲍曼不动杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度（minimal inhibitory concentration，MIC）较RA-48均有所提升，达到9.37 μg/mL。![]()
图1、RA-48 和肽衍生物的结构和螺旋轮预测
研究人员随后对RL-30的序列进行了精细的调整，分别通过缩短碳链、残基替换等方式设计了一系列的RL-30衍生物，并对其抗菌活性、电性、两亲性等性质进行了评估。结果表明，AMP的抗菌功效主要源自其特定氨基酸组成和理化性质，而非序列排序；螺旋性或两亲性的过度破坏会降低 α-螺旋 AMP 的抗菌活性；肽链长度的过度缩短导致的净正电荷数的下降则会导致抗菌活性完全丧失。其中，具有“不完美两亲性”的AN-1（RI-18）对正常细胞无细胞毒性，且抗菌活性较RL-30有近四倍提升，MIC高达2.34 μg/mL。 研究人员随后在26株临床分离的鲍曼不动杆菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌菌株易耐药中进一步评估了RI-18的抗菌活性。结果表明，RI-18表现出强大的广谱抗菌活性，包括对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和鲍曼不动杆菌等有显著效果，极大增强了其作为新型抗菌药物的潜力。同时，RI-18也能剂量依赖地抑制细菌生物膜的形成，表现出了对持久性细菌的杀伤能力和对抗慢性感染和防止持续性细菌感染复发的潜力（图2）。![]()
图2、RI-18 对生物膜和持久性细胞表现出强效作用
RI-18的抗菌机制主要是通过快速破坏细菌细胞膜实现的。PI染色结果表明，RI-18与细菌细胞膜的高亲和力导致膜结构快速破裂，从而使细菌细胞迅速死亡。研究人员进一步通过扫描/透射电镜观察到RI-18处理后的细菌表面出现了明显的破裂和突起，表明了其对细胞膜的破坏作用（图3）。此外，分子动力学模拟显示，RI-18可以稳定嵌入在细菌膜中，通过与膜上的负电荷区域的相互作用增强杀菌效果（图4）。![]()
图3、RI-18 导致细菌破裂
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图4、RI-18、AN-4、AN-14 和细菌膜之间相互作用的 MD 模拟
RI-18的另一大优势在于其不易产生耐药性。传统抗生素往往会因靶点单一而促使细菌快速产生耐药性，而RI-18则有效地避免了这一缺陷。实验表明，即使在高达60次传代的长期药物暴露下，细菌对RI-18的耐药性提升也极为缓慢，MIC仅增加两倍，而万古霉素（通常被认为是传统抗生素中抗革兰氏阳性菌的最终选择）仅在第35代MIC就增加了4倍。 最后，RI-18在小鼠模型的体内实验中表现出显著的抗感染活性。RI-18即使在较高剂量下也未显示出急性毒性反应，在皮肤感染模型中可有效减少感染部位的细菌负荷，同时未导致明显的毒副作用，进一步验证了其作为抗菌治疗候选药物的潜力。小结：传统抗生素普遍面临着细菌耐药性的问题，而RI-18的发现和优化设计则为抗菌肽开发提供了新思路。通过不完全两性结构的优化设计，该肽在保留高效抗菌活性的同时，实现了对宿主细胞的选择性保护。RI-18有望成为抗击超级细菌的新型药物。
参考文献
(1) Lazzaro, B. P.;
Zasloff, M.; Rolff, J. Antimicrobial peptides: Application informed by
evolution. Science 2020, 368 (6490). DOI: 10.1126/science.aau5480 From NLM.
(2) Zhang, Q. Y.; Yan, Z. B.;
Meng, Y. M.; Hong, X. Y.; Shao, G.; Ma, J. J.; Cheng, X. R.; Liu, J.; Kang, J.;
Fu, C. Y. Antimicrobial peptides: mechanism of action, activity and clinical
potential. Mil Med Res 2021, 8 (1), 48. DOI: 10.1186/s40779-021-00343-2 From NLM.
(3) Wu, Z.; Cai, Y.; Han, Y.; Su,
Y.; Zhang, T.; Wang, X.; Yan, A.; Wang, L.; Wu, S.; Wang, G.; et al.
Development of α-Helical Antimicrobial Peptides with
Imperfect Amphipathicity for Superior Activity and Selectivity. Journal of Medicinal Chemistry 2024. DOI:
10.1021/acs.jmedchem.4c01855.
