基于多肽自组装的纳米抗菌剂构建及其生物活性、抗菌机理研究

The common characteristics shared by antimicrobial and self-assembling peptides provide a paradigm shift towards development of antibacterial agents. In this proposal, we fabricate novel nano-antibacterial agents from self-assembly of rationally designed cationic and amphiphilic peptides. Then, we analyse the stucture-activity relationship and antibacterial mechanism of self-assembling peptide antibacterial nanostructures (SPANs). In specific investigation: (1) We rationally design two pairs of enantiomeric short amphiphilic peptides. Then, various control principles are used to control self-assembly of the short amphiphilic peptides into hierarchically ordered nanomaterials with antibacterial activity. (2) A variety of analytical techniques will be used to give a deeper comprehension on the relationship between structures and bioactivity, cytotoxicity, and sability of SPANs. (3) In this project, we investigate the morphological changes of microorganism and study interaction between SPANs and model membrane system to reveal antibacterial mechanism of SPANs. Meanwhile, some methods and results will be benificial for the development of new peptide antimicrobial nanostructures.

多肽分子自组装为开发高效、低毒和稳定的抗菌肽药物提供了一种重要的策略方法。本项目拟以阳离子两亲性多肽分子为研究对象，利用超分子自组装技术，构建高效、低毒、稳定的纳米抗菌剂，解析其结构与生物活性的相关性，剖析抗菌机理。具体研究思路如下：（1）理性设计由不同手性氨基酸组成、互为对映异构体的阳离子两亲性多肽分子，通过不同的调控手段调控其组装过程，合成具有特定结构和抗菌活性的纳米抗菌剂；（2）进一步，运用多种分析测试技术对自组装纳米抗菌肽的结构与生物活性进行系统的表征和评价，深入揭示其结构与生物活性的相关性；（3）利用显微镜和电镜技术观察菌体形态的变化，此外，以脂质体囊泡模拟细菌细胞膜，研究自组装纳米抗菌肽与脂质体模型体系的相互作用过程，综合两方面结果，剖析自组装纳米抗菌肽的抗菌机理。本项目的研究方法和成果可为新型纳米抗菌肽药物的开发提供有益的理论指导与实践参考。

细菌感染对人类健康造成了巨大威胁。因此，本项目以多肽分子或氨基酸衍生物为研究对象，利用超分子自组装等技术，构建了稳定、低毒、高效的纳米抗菌材料，解析其结构与生物活性的相关性，并剖析其抗菌机理。具体研究中：（1）通过Fomc-W、Fmoc-M和Fmoc-Y的自组装成功制备了三种具有一定抑菌活性的Fmoc-氨基酸水凝胶。它们的抗菌活性从大到小依次为Fmoc-W水凝胶、Fmoc-M水凝胶、Fmoc-Y水凝胶。结果表明，Fmoc-氨基酸的聚集能力较强，形成的纳米纤维具有一定的刚性和定向排列，使其形成的水凝胶具有较高的抗菌活性。此外，水凝胶的抑菌活性还与Fmoc-氨基酸的分子排列方式有关。（2）通过共组装成功制备了Fmoc-F/BBR纳米复合水凝胶和Fmoc-L/Fmoc-K纳米复合水凝胶。Fmoc-F/BBR水凝胶具有聚集诱导发光（AIE）特性，并且在白光照射下，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌表现出增强的抗菌以及抗生物膜活性。体内感染研究表明，Fmoc-F/BBR水凝胶能有效促进被金黄色葡萄球菌感染大鼠的伤口修复。Fmoc-L/Fmoc-K水凝胶具有广谱的抑菌活性。水凝的抗菌活性具有时间依赖性，并且可以通过调整Fmoc-L和Fmoc-K的摩尔比来调节。（3）理性设计了3种由同手性和异手性的精氨酸和缬氨酸组成的两亲性多肽分子：C16-(L)V4(L)R4、C16-(D)V4(D)R4和C16-(D)V4(L)R4，分别自组装形成了左手螺旋纳米纤维、右手螺旋纳米纤维和右手螺旋纳米纤维。多肽分子中，缬氨酸的构型决定了纳米纤维的超分子手性。但是C16-(D)V4(L)R4分子表现出较高的聚集能力，并组装形成更稳定、低扭曲程度和较大螺距的螺旋纳米纤维。相比于C16-(L)V4(L)R4和C16-(D)V4(D)R4纳米纤维，C16-(D)V4(L)R4纳米纤维对革兰氏阳性菌和阴性菌均表现出更高的抑菌活性。纳米纤维主要通过破坏细菌细胞膜的方式杀死细菌，C16-(D)V4(L)R4纳米纤维与细胞膜的相互作用能力更强。相关成果表明分子手性在指导两亲性多肽自组装中具有重要意义，并最终影响其抗菌活性。本项目的研究成果可为新型纳米抗菌肽材料的制备和应用提供有益的理论指导与实践参考。