新型多糖基抗菌高分子材料的制备及性能研究

Microbial infections endanger public health unremittingly and give rise to a huge economic burden to our society. With the rapid rise of antibiotic-resistant strains, microbe antibiotic resistance is now considered to be one of the most imperative public heath issue that needs a new solution. Hence numerous efforts have been made to develop new antimicrobial molecules which are able to inhibit pathogens. In this project, we are intend to develop novel broad-spectrum antimicrobial molecules which are high effective against microbes and low toxic to human cells. In our recent research, we have designed novel polysaccharide based membrane-active antimicrobial molecules, which show excellent broad-spectrum antimicrobial activity and low cytotoxicity. We postulate that antimicrobial molecules designed to resemble bacterial cell wall constituents may be less hemolytic than present AMPs and AMP analogues due to their dissimilarity to mammalian outer membrane constituents. Base on this theory, we propose several polysaccharide-based structures for antimicrobial application, using "click" chemistry. The mechanisms of the novel polysaccharide-based antimicrobial polymers will also be investigated.

微生物感染无时无刻不在威胁着人类的健康，随着越来越多耐药性菌株的不断出现，微生物对传统抗生素的耐药性问题已经成为一个严峻问题亟待解决。本项目立足于这一迫切需求，致力于设计制备新型的高效低毒广谱抗菌化合物。细菌的细胞壁中含有大量的多糖类物质，申请人在前期预研中发现多糖基阳离子抗菌材料具有良好的广谱抗菌性能和较低的动物细胞毒性，并基于实验结果进一步提出了多糖基抗菌材料因其与微生物细胞壁组分的结构具有相似性而对微生物具有较高的选择性这一观点。基于此观点，本项目拟利用“点击”化学的策略，通过构建多种可点击的多糖和多肽片段，便捷地合成出多种结构的“肽多糖”类抗菌高分子化合物，并系统地评价所合成材料的抗菌性能和动物细胞毒性等生物学性能，力图从中筛选出新型高效低毒的抗菌高分子材料，同时进一步探索材料结构与抗菌性能之间的关系。

抗生素的滥用和过度使用造成了细菌耐药性的产生，引起了全球范围内的健康危机。人类迫切需要开发新型的抗菌药物来替代传统抗生素以解决耐药性的问题。天然多糖是地球上最丰富的生物大分子之一，具有生物相容性好、生物降解性好、成本低的优点被广泛应用于组织工程、药物递送等领域。本项目利用天然多糖通过“点击”化学等修饰方法设计合成一系列阳离子抗菌高分子，通过调控分子结构在获得高抗菌活性和低细胞毒性的同时，不易引起耐药性。利用不同分子量的葡聚糖（Dex）和无规共聚多肽合成了一系列葡聚糖基肽多糖（Dex-g-KnFm），其中最优化合物DexL-g-K12.5F12.5-50％表现出了广谱抗菌活性，对正常细胞表现出较低的细胞毒性。利用普鲁兰多糖（Pul）作为主链，侧链引发氨基酸羧酸内酸酐开环聚合得到一系列普鲁兰基肽多糖，抗菌机理的研究发现其通过静电作用吸附在细菌表面破坏细胞膜的完整性，导致细菌死亡。通过化学、物理交联的手段制备了一系列具有抗菌、抗炎和促进伤口愈合的水凝胶敷料以及纳米凝胶递送体系。利用氧化葡聚糖（OD）的醛基和ε-聚赖氨酸（EPL）的氨基发生席夫碱反应制备得到水凝胶OD/EPL，最优化的OD/EPL-3在6 min的促进血液凝固指数为7.25%，表现出良好的止血效果。负载生长因子bFGF的水凝胶bFGF/OD/EPL-3在大鼠全层皮肤伤口模型中抑制MRSA感染并促进愈合；利用Pul和丙烯酰胺苯硼酸构建具有pH和普鲁兰酶双响应的纳米凝胶，负载抗生素多粘菌素B和利福平，实现在肺炎克雷伯菌感染部位的微酸性环境响应性释放，在体内肺炎模型中，相比游离抗生素疗法，该体系可降低其毒性并展示优异的体内抗菌效果（杀菌率>99.99%）。此外，利用多糖海藻酸钠制备了负载光敏剂和电致发光材料的导电水凝胶，实现了电驱动的光动力杀菌，对耐四环素的大肠杆菌和耐药葡萄球菌的杀菌率超过99.9%，且不易产生细菌耐药性，这种电致光动力抗菌水凝胶避免使用外置光源，克服了大型激光设备的束缚，赋予了水凝胶轻巧便捷柔性可穿戴的性能。本项目的研究为开发新型多糖基抗菌高分子材料提供了启发与参考。