华工周城、南医大徐绍勇、南洋理工G.C.Bazan《Angew》：基于共轭齐聚电解质和环糊精的主客体抗菌剂实现高效低毒治疗！

摘要：抗生素是现代医学的基石，其中许多最初源于微生物在生存竞争过程中衍生的化学防御策略。然而，细菌可通过基因突变和耐药基因的获取对抗生素产生耐药性，这一过程常因抗生素使用带来的选择压力而加速。近年来，具有明确化学结构的膜嵌入共轭齐聚电解质（COEs）作为新型膜靶向抗

抗生素是现代医学的基石，其中许多最初源于微生物在生存竞争过程中衍生的化学防御策略。然而，细菌可通过基因突变和耐药基因的获取对抗生素产生耐药性，这一过程常因抗生素使用带来的选择压力而加速。近年来，具有明确化学结构的膜嵌入共轭齐聚电解质（COEs）作为新型膜靶向抗菌剂崭露头角。这类分子由疏水性共轭主链和两端亲水性侧链构成。当分子长度小于脂质双层厚度（约4 nm）时，COEs可通过结构失配破坏细菌细胞膜，从而发挥抗菌作用。与AMPs通过氨基酸序列调控亲疏水单元空间排布不同，COEs依靠其刚性共轭骨架实现亲疏水分布。然而，当前大多数COEs缺乏传统药物的类药性，因其结构单元源于有机电子材料设计。此外，与其他膜靶向抗菌剂类似，增加COEs的疏水性虽可提升抗菌性能，却会加重对哺乳动物细胞的毒性并限制水溶性。这种抗菌效力与选择性的权衡，成为开发安全有效COEs的重大挑战。

针对上述问题，华南理工大学的周城教授、南方医科大学徐绍勇医生、新加坡南洋理工大学Guillermo C. Bazan教授等人，采用了超分子策略，通过将COEs分子DY6与磺丁基醚β-环糊精钠（SβCD）复合，形成主客体包合物DY6@SβCD。该包合物使DY6对L929细胞的半数活性抑制浓度（IC50 ）从9.4提升到128 μg/mL以上，同时对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的最小抑菌浓度（MIC）保持在2 μg/mL。相关工作以题为“Host-Guest Antimicrobial based on Conjugated Oligoelectrolyte and Cyclodextrin”于近日发表在《Angewandte Chemie International Edition》。

分子设计与表征

作者以天然产物白藜芦醇为中间核，构建两亲性COE分子SY6与DY6，旨在优化其类药性。DY6因延长烷基链显著增强疏水性（log P值由−1.99提至−0.22），对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌展现强效抗菌活性（MIC分别为2 μg/mL和4 μg/mL），而SY6无抗菌活性。小角X射线散射（SAXS）表明，SY6在水中易形成胶束状纳米聚集体，从而阻碍其抗菌活性；而DY6在水介质中更分散，表现出强效抗菌作用，同时由于过高的疏水性导致显著细胞毒性（L929细胞IC50=9.4 μg/mL）。

图1. 分子结构与表征。

包合物表征

作者通过将DY6与SβCD复合形成主-客体包合物DY6@SβCD，显著提升DY6的溶解度和生物相容性。当SβCD:DY6摩尔比达1.5:1时，DY6对L929细胞的IC50 值从9.4 μg/mL提升至>128 μg/mL，而对金黄色葡萄球菌的MIC维持在2 μg/mL。包合物对革兰阴性菌大肠杆菌的MIC升高至128 μg/mL（2:1比例），推测因LPS层阻碍包合物渗透；添加EDTA-2Na破坏LPS后MIC恢复至4 μg/mL。核磁共振（NMR）显示DY6芳香质子峰上移，侧链质子峰下移，证实其芳香骨架被SβCD空腔包裹而亲水链外露。紫外光谱中DY6吸光度随SβCD增加递减，Benesi-Hildebrand拟合（R2=0.98）及Job曲线均支持1:1包合。等温滴定量热（ITC）测得结合常数K=3.47×10−6 M，焓变ΔH=−10.9 kcal/mol，表明包合作用与静电协同驱动包合物稳定形成。

图2. 包合物DY6@SβCD表征。

结构兼容性研究

作者进一步设计合成X形结构COE分子DX6，系统研究其与环糊精的相互作用机制。DY6（Y形）与SβCD包合后抗菌活性基本保持不变，但DX6@SβCD对L929细胞的毒性仅从5.1 μg/mL提升至24.2 μg/mL，显著低于DY6@SβCD的128 μg/mL。ITC与紫外光谱证实，DX6因体积过大难以形成稳定的主客体包合物，主要通过静电作用与SβCD结合。DY6和DX6与中性环糊精（α-CD、β-CD、γ-CD）实验中，DY6与α-CD无显著包合，与β-CD有最强的包合，而DX6仅与空腔更大的γ-CD有效包合。值得注意的是，DY6@β-CD和DX6@γ-CD包合物对L929细胞的毒性未见显著改善。这些结果揭示了COE分子与环糊精的尺寸匹配性及静电协同效应是构建高效安全抗菌包合物的关键，为超分子抗菌剂设计提供理论支撑。

图3. COE分子与环糊精的结构兼容性研究。

抗菌与抗生物被膜活性

作者对包合物DY6@SβCD进行了更全面的抗菌表征，结果表明该包合物对多种革兰氏阳性标准菌株及临床分离株的MIC为1-2 μg/mL。时间杀伤曲线显示，8×MIC（16 μg/mL）DY6@SβCD处理MRSA 7小时可使菌量下降2.92-log，与万古霉素相当。对金黄色葡萄球菌连续传代14 天未诱导耐药，显著优于诺氟沙星（传代6 次MIC升高128倍）。DY6@SβCD（2×MIC）抑制MRSA生物被膜形成率达80%，共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）显示活菌生物被膜结构被显著破坏；在16×MIC处理下能清除成熟生物被膜达70%，CLSM证实死菌比例显著高于万古霉素组。

图4. 包合物DY6@SβCD抗菌与抗生物被膜活性评估。

抗菌机制

作者对包合物DY6@SβCD的抗菌机制进行了探究。DiSC3(5)膜电位探针显示，DY6@SβCD引发浓度依赖性荧光增强，表明其有效破坏MRSA膜电位。PI摄取实验证实该包合物浓度依赖性地增加膜通透性。在模拟细菌细胞膜的POPE/POPG囊泡中，DY6@SβCD可快速诱导钙黄绿素泄漏。SEM显示2×MIC处理导致MRSA膜皱缩破裂，4×MIC时损伤加剧。CLSM活/死染色进一步显示：未处理菌呈SYTO9绿色荧光，而DY6@SβCD处理组随浓度升高转为PI红色荧光，确证其通过膜破坏机制杀菌。

图4. 包合物DY6@SβCD抗菌机制。

作者对包合物DY6@SβCD进行了动物模型验证。在MRSA感染的小鼠全层伤口模型中，DY6@SβCD单次给药使细菌载量降低1.6 log CFU，显著优于万古霉素（0.9 log CFU）。H&E染色显示其有效抑制炎症及生物膜形成，免疫荧光证实MRSA清除率显著提升。角膜炎模型中，DY6@SβCD使角膜菌载量减少3.4 log CFU，较万古霉素（0.2 log CFU）优势明显。连续静脉注射DY6@SβCD（累计5 mg/kg）后，血液生化指标及主要器官病理学分析均未见异常，证实其良好生物相容性。

图5 . 包合物DY6@SβCD体内疗效与毒性评估。

小结

作者以白藜芦醇为中间核构建新型COE分子DY6。通过SβCD主-客体包合形成DY6@SβCD包合物，其IC50 从9.4 μg/mL降至>128 μg/mL，同时维持对MRSA的强效抗菌活性（MIC=2 μg/mL）。NMR/UV-Vis证实DY6芳香核被包封于SβCD疏水腔，ITC等分析揭示尺寸匹配与静电协同作用为包合物稳定性关键。DY6@SβCD通过膜破坏机制实现广谱杀菌，连续传代无耐药性，抗生物被膜效果显著优于万古霉素，并在感染模型中展现出优异疗效与安全性，为应对耐药菌感染提供新型超分子策略。