对抗细菌的重要武器是抗菌肽，它是大多数生物体免疫系统的一部分，包括原核生物和真核生物。在动物中，它们是原始的免疫防御机制，用于对抗侵入未受保护的组织和器官的空气传播病原体。这些肽对多种微生物（包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌）具有广泛的活性。它们构成了人体抵御微生物的第一道防线，但往往是不够的。采用AMP而不是抗生素有很多优势，例如快速杀死靶细胞的能力、广泛的活性以及对临床中一些最严重的抗生素耐药病原体的疗效。
在这项研究中，提出了一种新的方法，通过将含有阳离子单体和疏水片段的聚甲基丙烯酸酯与天然产物（如百里香酚、薄荷醇）衍生的单体结合来开发模拟AMP的共聚物。这些共聚物在许多领域具有多种应用潜力，特别是生物医学和制药应用，包括与抗生素联合使用以实现协同效应。这种独特的设计将合成聚合物的灵活性和可调性与天然化合物固有的抗菌特性相结合，旨在提高抗菌效果和选择性。这些共聚物模拟AMP的作用模式，针对具有代表性的革兰氏阴性和革兰氏阳性菌株。生物学研究也评估了这些化合物的溶血活性及其对HEK293T细胞活力的影响。
图1.天然化合物被功能化为共聚物疏水部分的一部分。
研究重点关注了以下结构变量的变化：分子量、亲疏水性的平衡以及疏水性基团的性质。合成的共聚物的两亲性结构具有相同的阳离子甲基丙烯酸酯单体，该单体来源于乙醇胺，已被证明是非常活跃的。疏水部分由天然产物甲基丙烯酸酯单体组成，如tropolone (TR)，以及以下萜：百里酚（TH），薄荷醇（ME）和β-香茅醇（CI）。这些天然产物经证实的抗菌活性是其选择的决定性因素（图1）。
表1. PA、PA-E3 和 PA-E7膜的横截面TEM和顶面SEM图像。
本研究采用自由基聚合法（FRP）合成无规共聚物，以3-巯基丙酸甲酯（MMP）为链转移剂，可控制聚合度（DP）。该方法可以合成低分子量聚合物，同时提供灵活的调整参数，如疏水单元的摩尔分数。对于每一个疏水单体家族，百里香酚、薄荷醇、tropolone和β-香茅醇，合成了三种共聚物，其疏水单体的百分比在13-25%之间，分子量在 5000 ~ 20000 g·mol-1之间。还合成了只含有阳离子单体的均聚物。具有较高比例疏水性基团的聚合物由于其有限的水溶性而未进行测试。共合成了13种化合物，表1给出了这些合成化合物的概述。
图2.共聚物的辛醇-水分配系数(Log Poct)/SA计算值。
辛醇-水分配系数（Log Poct）是衡量化合物疏水性的一种方法，可以确定物质在疏水相（和亲水相之间分配的趋势。开发了对Log Poct方法的改进，包括表面积（SA）归一化，以提供更准确的聚合物真实疏水性结果。Log Poct/SA比值越高，表明分子的疏水性越好。疏水单体摩尔组成为25%的共聚物的Log Poct/SA值高于相同单体摩尔组成较低的共聚物。在疏水单体中，环薄荷醇和芳香百里香酚对疏水单体的贡献较大，而带极性羰基的tropolone对疏水单体的贡献较小。即使将每个分子SA占据的表面归一化，具有较高分子量和相同百分比的疏水单体的共聚物也表现出更高的疏水性（图2）。
图3.抗菌性能。
疏水单体的性质和MIC的影响显示在图中。含环单体百里香酚、薄荷醇和tropolone的共聚物对金黄色葡萄球菌菌株非常有效，但对大肠杆菌菌株的活性较低。在这种革兰氏阴性菌株的情况下，线性单体是最有效的。使用阳离子均聚物P5K获得的弱抗菌活性与文献报道的结果一致，强调疏水基团对更好的细菌相互作用的重要性。SEM图像中细菌膜破裂也证实了杀菌效果（图3）。
图4.溶血活性。
将溶血百分比与聚合物浓度相关联，显示了两个不同的行为组。具有萜烯衍生单体的共聚物显示出高溶血活性。相比之下，具有tropolone单体的共聚物显示出低溶血活性。在该组中，P5K共聚物显示出更接近于具有阳离子单体P5K的均聚物的溶血活性。Tropolone 化合物及其衍生物具有多种生物活性，包括抗菌、抗病毒和抗肿瘤活性。这些化合物已经用于化妆品、护肤品、口腔卫生以及食品和农业，增强了它们的安全性（图4）。
图5.抗菌和溶血活性的平衡分析、共聚物在HEK细胞中的细胞毒性分析。
对于金黄色葡萄球菌菌株，具有大块基团作为疏水基团的共聚物获得了较好的结果。然而，这些共聚物表现出较高的溶血活性。例外的是含有tropolone的P5K共聚物，其MIC最低，溶血程度最低。研究了共聚物在12.5 ~ 200 μM浓度范围内对HEK293T细胞的细胞毒性。在所有聚合物中，最小的一组聚合物的细胞毒性远低于较大的一组聚合物。在所分析的共聚物中，含有tropolone单体的共聚物的细胞毒性相对较小。在这种情况下，分子量为的共聚物仅在浓度高于50 μM时具有细胞毒性（图5）。
本研究共合成了13种共聚物，并对其作为抗菌聚合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌能力进行了评价。共聚物含有相同的阳离子单体，但不同的疏水部分含有下列天然结构：百里酚、薄荷醇、tropolone和β-香茅醇。疏水部分含量较高的共聚物的MIC值较低，表明疏水性对活性的重要性。HEK293T细胞的溶血活性和存活率表明，在MIC测试浓度下，共聚物普遍具有溶血和细胞毒性。唯一的例外是含有tropolone的共聚物，其溶血活性和细胞毒性都很低。总的来说，低分子量的共聚物比高分子量的共聚物表现出更好的性能。疏水单体的类型被证明是一个关键因素，与萜烯单体相比，邻苯二酮单体具有优异的性能。
近期，该研究成果以“Antimicrobial Activity of Copolymer Structures from Bio-Based Monomers”为题发表于学术期刊《Biomacromolecules》，论文第一作者为Mónica C. S. Fernandes，通讯作者为科英布拉大学Arménio C. Serra。
撰稿人：王 晟
审稿人：佘 雨
论文全文链接
https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01203
抗菌抗污材料前沿
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