图1.（A）仿电压门控自调控阳离子纳米粒子的设计策略。（B）M-ConA1PS+2纳米粒子的制备过程、自调控机理及其对抗细菌性肺部感染应用。（C）dM-PS+聚合物的合成路径。
阳离子聚合物作为抗生素替代材料，其发展需要解决抗菌活性与毒性的平衡。本文受到电压门控离子通道启发，提出了一种精确的仿生调控策略，即借助蛋白质构象转变在不同生理环境中实现阳离子抗菌功能的可控激活与抑制。华中科技大学化学与化工学院饶静一研究员团队通过位于阳离子聚合物两端的甘露糖基团与刀豆蛋白A（ConA）之间特异性识别，制备了一种ConA-阳离子纳米粒子。在中性条件下，阳离子部分被ConA的β-折叠结构屏蔽，从而抑制其抗菌活性，确保了优异的生物相容性。然而，在微酸性环境中，部分ConA转变为α-螺旋构象，使粒子外围的阳离子暴露，激活了其抗菌功能。与被抑制的纳米粒子相比，处于激活状态的纳米粒子对细菌和真菌的最低杀菌浓度降低了32至256倍（2-16 μg/mL），在小鼠急性肺部感染模型中，纳米粒子在12小时内有效减少了4-log的细菌数量。这种通过调节蛋白质二级结构变化来控制阳离子抗菌功能的仿生设计显著延缓了细菌耐药性的产生，为智能抗菌材料的开发提供了解决思路。
图2.（A）M-ConA1PS+2纳米粒子在pH值5.5到7.4变化下的水动力直径和电位，以及（B）对金黄色葡萄球菌的最低杀菌浓度（MBC）和对3T3细胞的半数抑制浓度（IC50）。（C-D）在pH 5.5（C）和 pH 7.4（D）条件下，M-ConA1PS+2纳米粒子（dM-PS+聚合物浓度为4 μg/mL）存在时的浮游金黄色葡萄球菌的扫描电子显微镜（SEM）图像和活/死染色法检测的3T3细胞荧光图像。（E）M-ConA1PS+2纳米粒子在pH 5.5和7.4条件下的水动力直径和电位的时间依赖性变化曲线。（F）在亚致死剂量（1/4MBC）的M-ConA1PS+2纳米粒子存在下，金黄色葡萄球菌对其获得耐药性的情况，以临床抗生素利福平作为参考。（G）在pH值从5.5到7.4变化的条件下，M-ConA1PS+2纳米粒子（粒子浓度为2MBC）的杀菌活性的激活和抑制。黑色表示无纳米粒子的对照组。（i）在pH 5.5条件下，将处于抑制状态的M-ConA1PS+2纳米粒子引入金黄色葡萄球菌（107CFU/mL）培养基后，悬浮液中活菌数量的时间依赖性变化检测（红色）。（ii）通过向（i）中的溶液中加入NaOH将pH值调整至7.4。48小时孵育后，在对数生长期引入金黄色葡萄球菌（104CFU/mL）（绿色）。（iii）通过向（ii）中的溶液中加入HCl将pH值调整至5.5。
饶静一，华中科技大学化学与化工学院高分子科学与工程研究所，研究员，博士生导师，国家级青年人才。课题组主要研究方向：序列可控高分子用于细菌耐药性逆转和长效抗菌防护。
https://authors.elsevier.com/c/1jB4-6CFjZU1Kv
本课题得到国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3813002）支持。
