自组装纳米杆菌肽抗菌活性及其抗菌机制的研究

Bacitracin is a polypeptide antibiotic, it has attracted much attention since the bacteria barely produces acquired drug resistance. However, due to its narrow antibacterial spectrum and highly renal toxicity limits its application in veterinary clinic. In this study, a series of self-assembly nano-bacitracin have been constructed. The results indicated that compared to bacitracin, the nano-bacitracin showed significantly enhanced antibacterial activity against gram-positive bacteria and some antibacterial activity against gram-negative bacteria. The antibacterial spectrum of bacitracin hase been effectively expanded. This study will further investigate the in vitro antibacterial activity of nanao-bacitracin, and its in vivo tissue distribution, hemodynamic parameters and renal toxicity in mice using small animal in vivo imaging technology, HPLC-MS/MS technology and LDH method to identify the possibility of its being a new type of antibacterial drug. Meanwhile, in order to investigate the fundamental reason of the expanded antibacterial spectrum of nano- bacitracin, its antibacterial mechanism will be studied from three aspects: the cell wall, cell membrane and nucleic acid/protein through transmission electron microscope/scanning electron microscope technology , real-time PCR technology and Isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation technology. This study will produce detailed theoretical basis and data support for the expanded veterinary clinical application of bacitracin, and new idea for the development of new antibacterial drugs with high efficiency and low toxicity through the systematic study of antibacterial activity, antibacterial mechanism, pharmacokinetics characteristics and side effects of the self-assembled nano-bacitracin.

杆菌肽是一种多肽类抗生素，因细菌很少对其产生获得性耐药而备受关注，但由于杆菌肽的抗菌谱较窄且毒副作用较大限制了其在兽医临床的广泛应用。本课题组在前期研究中构建了纳米杆菌肽，并发现其与杆菌肽相比，抗革兰氏阳性菌的活性显著增强，且对革兰氏阴性菌表现出一定的抗菌活性，有效扩大了杆菌肽的抗菌谱。本研究拟进一步考察纳米杆菌肽的体内外抗菌活性，并应用小动物活体成像技术和HPLC-MS/MS技术等研究其在小鼠体内的组织分布、血液动力学特征和肾毒性，以明确其作为新型抗菌药物的可能性；同时，应用透射/扫描电镜技术、RT-PCR及iTRAQ蛋白组定量技术，分别从细菌细胞壁、细胞膜以及核酸/蛋白质三方面研究纳米杆菌肽的抗菌作用机制，以揭示其抗菌谱扩大的根本原因。本项目拟通过较系统的研究纳米杆菌肽的抗菌活性、抗菌机制及毒副作用，为扩大杆菌肽的临床应用提供详实的理论和数据支持，为高效低毒新型抗菌药物研发提供新思路。

细菌感染是导致多种人类疾病的主要原因，抗生素可有效治疗由细菌感染引起的疾病，为人类的健康做出了巨大贡献。近10年，新生抗生素种类缺乏及抗生素滥用导致细菌对抗生素的耐药性不断增强，一些常见的病原菌已成为所谓的“超级细菌”，曾经被认为是抗生素“最后一线药物”的万古霉素，也被发现在耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）上存在耐药。至此，病原菌的耐药性问题正在全球范围内演化成抗生素危机。目前全球新型抗生素匮乏，亟需设计和开发新型的给药策略以改善耐药细菌感染的治疗效果。令人欣慰的是在多肽自组装研究中，新型自组装抗菌肽通过自组装形成的纳米颗粒，具有广谱抗菌活性，不易导致细菌耐药性，有效降低抗菌肽的毒副作用，有望替代传统抗生素作为一种新型的抗菌剂。杆菌肽具有较强的抗革兰氏阳性菌活性，并以其不易产生耐药性的作用机理有望成为最有潜力的抗菌药物。但是，由于其抗菌谱较窄且具有较强的肾毒性，限制了其在兽医临床上的进一步广泛应用。为扩大杆菌肽的临床用药范围，研究者应用不同分子量的聚乳酸-羟基乙酸共聚物修饰杆菌肽，构建了一系列具有自组装性能的纳米杆菌肽，并对其体内外抗菌活性，抗菌机制和毒副作用展开研究。体外抗菌实验结果表明，与杆菌肽相比，该系列自组装纳米杆菌肽对革兰氏阳性菌的抗菌活性均显著增强，并对革兰氏阴性菌也表现出一定程度的抗菌作用，表现出广谱抗菌活性，且抗菌活性随PLGA分子量的增大而增强。自组装纳米杆菌肽的抗菌机制主要是通过与细菌的细胞膜/细胞壁相互作用，破坏其细胞膜/细胞壁的结构而达到杀菌效果，而对细菌内的核酸和蛋白没有显著影响。同时，自组装纳米杆菌肽可有效聚集在在细菌感染小鼠的靶部位，延长其在体内的循环时间，体内抗菌活性良好，还可有效的降低抗菌肽的肾毒性，为实现其临床应用提供了可能。本研究为纳米杆菌肽的合理设计和应用奠定坚实的理论基础，并为高效低毒的新型抗菌药物的研发提供思路。