膜靶向荧光性2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑-抗菌肽模拟物共聚体对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的活性研究

抗生素的过度使用、滥用导致了多重耐药菌的增长与传播，细菌耐药性问题已成为全球性的紧急公共卫生挑战。据估计，2019年全球因此死亡的人数约为127万，预计到2050年这一数字将增长至1000万。在临床常见的耐药菌中，耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）是造成医院获得性和社区获得感染的重要病原菌，能够引起多种致死性感染，如坏死性肺炎、骨髓炎、脑膜炎和心内膜炎等，被世界卫生组织（WHO）列为对人类健康构成严重威胁的十二种重点病原体之一。MRSA的耐药性不限于β-内酰胺类抗生素，还对氟喹诺酮、大环内酯和四环素等表现出顽固的耐药性。最近，有研究报告了其对临床一线的抗生素，如万古霉素，表现出高度耐药性。鉴于此，寻找新型抗菌药物迫在眉睫。

抗菌肽（Antimicrobial Peptides, AMPs）广泛存在于生物体内，富含赖氨酸、精氨酸和组氨酸等碱性氨基酸，表现出较强的阳离子特征，具有成为新一代抗菌剂的明显优势，包括低耐药性、抗生物膜活性以及有利调节宿主免疫反应的能力，受到众多科研工作者的青睐。然而，它们的潜在毒性、不稳定性、较差的口服生物利用度、以及高昂的制备成本等因素限制和阻碍了其转化应用。因此，模拟天然AMP的结构和功能特性，来克服其局限性的AMP模拟物设计已成为当前热点的解决方案。

图片来源：J. Med. Chem.

咪唑类化合物被广泛报道具有抗菌活性，包括一些已经上市的产品，如甲硝唑、替硝唑、依康唑和克霉唑。其中菲醌咪唑类化合物因其独特的结构，能够展现出优异的荧光性能，在荧光探针、生物成像等领域具有广泛的应用，然而其抗菌活性尚未被研究报道。课题组研究发现2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑可以作为一种具有荧光特性的新型抗菌骨架。并从AMP的两亲结构中汲取灵感，采用药效团融合策略，以2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑为疏水骨架，通过不同链接键，引入亲水性阳离子模拟肽片段构建了一种具有荧光性的2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑-抗菌肽模拟物共聚体。疏水性的2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑部分不仅可以提供荧光功能，并且有助于两亲性共聚体插入细菌磷脂双层膜，而阳离子AMP模拟片段作为亲水基团可以提高水溶性，并通过静电相互作用破坏细菌细胞膜，最终导致细菌死亡。

通过对2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑-AMP共聚体进行体外活性筛选得到对金黄色葡萄球菌ATCC29213和临床MRSA分离株具有优异体外抗菌活性，同时具有低溶血活性和高膜选择性的化合物III13。在进一步的 time-kill 动力学、耐药诱导实验中，III13显示出优于阳性对照万古霉素的快速高效杀菌作用，并且不易诱导细菌产生耐药性。

此外在荧光特性检测实验中，III13在与细菌作用后荧光明显增强，而III13结构中的阳离子模拟肽片段起了关键的作用。随后，机制研究中，发现III13可以与细菌细胞膜上的磷脂酰甘油（PG）结合，从而破坏细胞膜，造成细胞内ROS增加，蛋白质和DNA泄漏，最终导致细菌死亡。

图片来源：J. Med. Chem.

最后，在评估了III13具有血浆稳定性，良好的体内外安全性后。通过感染MRSA的小鼠皮肤脓肿模型测试了III13的体内抗菌效果，在相同剂量下，III13表现出优于阳性对照万古霉素的体内抗MRSA作用。综上，化合物III13优异的体内外抗菌性能及良好的荧光特性，与细菌作用后荧光强度明显增强，对开发新型可视化抗MRSA药物及临床诊断和治疗的综合应用具有重要意义。

图片来源：J. Med. Chem.

这一成果近期发表在J. Med. Chem. (https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c00436)上，文章第一作者为南华大学药学院许婷博士和硕士生闫小婷（郑州大学），通讯作者为杨瑞阁教授（南华大学/郑州大学）、秦上尚教授（郑州大学）和郭勇教授（南华大学/郑州大学）。