Fosfomycin Sodium

Vm–MSI: a Vancomycin–Antimicrobial Peptide Conjugate Combating Resistant Bacteria and Broadening the Antimicrobial SpectrumAdvanced Science ( IF 14.1 )  Pub Date : 2025-12-09 DOI: 10.1002/advs.202503023 万古霉素是耐多药革兰阳性菌，特别是严重耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染的关键最后治疗手段。然而，万古霉素耐药菌株的增多显著降低了其疗效。为了克服这一挑战，近年来的研究集中于使用多种策略对万古霉素进行结构修饰。 本文探讨了万古霉素与具有不同作用机制的抗菌肽（AMPs）偶联的修饰策略的潜力。在获得的结合物中，Vm-MSI的抗菌活性比万古霉素提高了20.18倍，比母肽MSI-78提高了1.95倍。Vm-MSI不仅能延缓万古霉素耐药金黄色葡萄球菌（VRSA）的耐药性，而且对多种革兰阴性菌均有较强的抗菌活性。此外，Vm-MSI与几种不同机制的传统抗生素表现出强大的协同作用，并在清除生物膜和持留菌方面显示出强大的活性。 机制研究揭示了Vm-MSI复杂的抗菌机制，阻碍了细菌耐药性的发展。在体内实验中，Vm-MSI在vrsa诱导的皮肤感染和多重耐药鲍曼不动杆菌诱导的肺部感染小鼠模型中显示出显著的治疗效果。这些发现强调了Vm-MSI作为万古霉素耐药菌和革兰阴性菌感染的有效治疗的巨大潜力。 01 前言 近年来细菌耐药性迅速上升，对全球健康构成重大威胁。抗生素耐药性已成为全世界第三大死亡原因，据预测，到2050年，每年将有1000多万人死于耐药细菌引起的感染ESKAPE组（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌）以其广泛的耐药基因和强大的环境适应性为特征，已成为临床环境中主要的多重耐药菌群因此，迫切需要开发有效对抗耐药病原体的新型抗菌药物。 自1952年发现万古霉素以来，万古霉素已被广泛用于治疗由MRSA和其他革兰阳性菌引起的严重感染。其抗菌机制涉及通过结合细菌细胞壁内肽聚糖前体中的“D-Ala-D-Ala”序列来抑制细胞壁合成。遗憾的是，尽管万古霉素是严重革兰阳性菌感染的最后治疗手段，但未能预防细菌耐药性的出现。在《2019年抗微生物药物耐药性威胁报告》强调的18种细菌和真菌病原体中，VRSA是一个令人严重关切的问题在VRSA中，目标位点的突变将“D-Ala-D-Ala”序列改变为“D-Ala-D-Ser”或“D-Ala-D-Lac”。这种修饰降低了万古霉素的结合效力，显著降低了其抗菌效力。[5, 6]此外，细菌细胞壁增厚会形成一个空间屏障，阻碍万古霉素进入细胞质膜内的靶点，从而导致VRSA耐药。[7, 8]此外，革兰阴性菌对万古霉素具有固有的耐药性，因为其致密的外膜会阻碍万古霉素的渗透。革兰阴性菌的这一结构屏障显著限制了万古霉素的抗菌谱。(9、10) AMPs是存在于动物、植物和微生物中的天然生物活性肽大多数抗菌肽通过三种主要模型破坏细菌细胞膜的完整性来发挥杀菌作用：桶壁模型、地毯模型和环形孔模型。[11,12]这种破坏导致细胞内内容物的释放，导致细菌迅速死亡。此外，许多抗菌肽可以跨细胞膜转运并抑制细菌关键生物分子如DNA、RNA和蛋白质的生物合成。[13-15]抗菌肽的多种抗菌机制与其氨基酸组成、疏水性、电荷分布、序列长度和二级结构密切相关。与传统的小分子抗生素不同，AMPs缺乏单一的结合靶点，使得细菌更难产生耐药性。[13, 14]因此，AMPs被广泛认为是后抗生素时代极具前景的创新抗菌药物。迄今为止，已有超过30种AMP在临床研究中得到了广泛的研究，在治疗糖尿病足溃疡、玫瑰痤疮、痤疮和脓毒症等方面显示出显著的疗效。 近年来，万古霉素的结构修饰已成为克服细菌耐药、恢复其抗菌活性的关键研究领域。目前对抗生素结构修饰的研究主要集中在两个方面：一是通过加入糖基等亲水性基团来提高万古霉素与肽聚糖的结合亲和力；[16, 17]其次，引入阳离子和疏水性基团来参与新的靶点或机制。[18-21]最近的一种创新方法是通过肽工程来修饰万古霉素。通过引入多阳离子多肽和疏水部分，可以有效规避粪肠球菌对万古霉素的耐药性，同时增强其对敏感细菌的抗菌效果。[22, 23]此外，加入缺乏直接抗菌活性的免疫调节宿主防御肽（HDP） IDR-1018，为万古霉素增加了额外的功能，包括抗生物膜特性和免疫调节然而，这些万古霉素衍生物仍然面临耐药性出现、抗菌谱狭窄和意外毒性等挑战。鉴于AMPs的众多优势和作用机制的多样性，利用它们进行万古霉素修饰可能是一种有前景的策略。虽然之前的研究已经探索了AMP -万古霉素偶联物，但系统评价AMP的类别选择、构效关系和谱扩展潜力仍然有限。 在这项研究中，选择了四种具有不同作用机制的AMP，并将它们与万古霉素偶联，旨在生成多功能偶联物。通过将AMP锚定在万古霉素上，评估了它们在体外和体内的生物活性和治疗性能。其中，先导化合物Vm-MSI比万古霉素和母肽MSI-78具有更强的抗菌活性。Vm-MSI延缓了VRSA对万古霉素耐药的发生，对标准菌和耐药菌均表现出广谱的疗效。与多种常规抗生素具有较强的协同作用，表现出强大的抗生物膜活性，并有效清除滞留细胞。机制研究表明，Vm-MSI采用了多方面的细菌清除策略，包括膜结合和破坏，保留万古霉素与“D-Ala-D-Ala”靶点序列的结合，从而抑制细胞壁合成，以及促进ROS产生导致氧化损伤。这些综合机制有助于降低细菌产生耐药性的可能性。最后，动物研究表明，在vrsa诱导的小鼠皮肤感染模型和多重耐药革兰阴性鲍曼不动杆菌诱导的小鼠肺部感染模型中，Vm-MSI均具有出色的治疗效果。 02 结果与讨论 2.1万古霉素-AMP偶联物的设计、表征和筛选 图1所示。万古霉素-AMP结合物的合成途径。黑色结构代表万古霉素，红色结构对应连接体，蓝色结构代表AMP。万古霉素首先在室温下与磺基砜- smcc以1:1的摩尔比搅拌3 h，然后在搅拌的情况下与AMP在PBS中以1:1的摩尔比在室温下反应2 h。 2.2 Vm-MSI的体外抗菌活性 2.3 Vm-MSI的抗生物膜活性 2.4 Vm-MSI与常规抗生素的协同抗菌活性 2.5 Vm-MSI的多方面抗菌机制 2.6转录组和靶向qPCR分析 2.7 Vm-MSI的体内抗菌活性 03 讨论 为解决日益严重的万古霉素耐药问题和其有限的抗菌谱，对万古霉素进行结构改造已成为广泛研究的方向。在介绍部分中，讨论了两种常用的修改方法的局限性。在这里，介绍了一种新的修饰策略，即利用连接子作为化学桥梁将万古霉素与抗菌肽偶联，产生一种有前景的抗菌药物。为此，选择了4种具有不同作用机制的amp，作为万古霉素的补充。接下来，将半胱氨酸修饰的AMP与万古霉素连接复合物结合。这种方法的优点是最大限度地提高了多肽和万古霉素的合成产量，同时将最终反应限制在两种主要成分，从而减少副产物的形成。此外，连接体保留了万古霉素和AMP的内在活性基团，同时为万古霉素引入了一个马来酰亚胺基团，该基团可以在温和的条件下与半胱氨酸残基中的巯基进行高选择性、快速的迈克尔加成反应。[4, 16, 54]然而，已知马来酰亚胺-硫醇键易发生逆转录-迈克尔反应，特别是在还原条件下，这可能会限制它们在某些生物环境中的长期稳定性。尽管存在这一局限性，但由于其高效、水性和在生物接合中的广泛应用，采用了这一策略，这符合本研究的概念验证性质。最后，合成了4种不同的万古霉素- amp偶联物，旨在识别能够克服万古霉素耐药性的有效候选物，并解决对抗革兰阴性菌感染的迫切需求。 通过抗菌和抗生物膜筛选以及溶血评估，确定了Vm-MSI是一种有效的先导化合物。Vm-MSI具有广谱抗菌活性和对多重耐药VRSA菌株的高效抗菌作用。值得注意的是，Vm-MSI在2.21µm的浓度下对VRSA表现出强烈的抗菌作用（表1）。然而，革兰阴性菌的致密外膜仍然是抗生素有效递送的主要障碍，显著限制了万古霉素、红霉素、利奈唑胺、磷霉素和利福平对这些病原体的活性Vm-MSI不仅有效延缓了VRSA对万古霉素耐药的发展，而且对多重耐药的鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌等引起持续临床感染的关键革兰阴性菌具有较强的抗菌活性。Vm-MSI对这些菌株的mic为1.10 ~ 4.42 μ m。在一项针对11种常见革兰阳性菌和18种革兰阴性菌的广泛抗菌疗效评估中，Vm-MSI显示出比单独使用万古霉素提高20.18倍以上的抗菌活性。这些结果强调了Vm-MSI作为万古霉素耐药和耐药革兰阴性感染有效治疗方法的潜力。 细菌已经发展出强大的防御机制，如生物膜形成和产生持久细胞的能力这构成了难以根除的慢性感染的基础，可能导致重大的安全问题生物膜的形成经过黏附、生长、分化和定植四个阶段黏液基质由细菌定植过程中产生的多糖、蛋白质、DNA和其他化合物组成，可抑制抗生素的渗透并降低其杀伤效果。[20, 35, 55, 56]如上所述，细菌的运动性使其具有很强的迁移能力，[33]促进生物膜的形成，从而使细菌逃避免疫清除和抵抗抗生素，最终形成永存细胞。一旦生存压力降低，这些休眠的、耐抗生素的细菌就会重新激活，导致反复感染。Vm-MSI具有抑制细菌运动和快速杀菌作用的能力，可有效减缓细菌黏附和定植，在生物膜开始形成之前就将大多数细菌摧毁（图2和图3）。此外，MSI-78的两亲性使其能够穿透生物膜基质，靶向生物膜内的细菌，并清除生物膜结构和常驻细胞。Vm-MSI在浓度为8µm时可清除生物膜下99%的常驻细菌，其效果超过万古霉素（图4）。此外，在该浓度下，Vm-MSI对多重耐药菌株表现出更强的抗生物膜和抗持久性细胞活性。 大多数传统抗生素通过单一靶点和机制发挥作用，这使细菌有更多机会在特定位点发生突变，从而促进抗生素耐药的发生。[19, 57]相反，抗菌肽采用复杂的作用机制，迅速杀灭细菌，使细菌难以产生耐药性因此，联合应用这两种药物已成为预防耐药和快速清除细菌的常用方法。[12, 58]结果表明，Vm-MSI与多黏菌素B、环丙沙星和庆大霉素具有协同抗菌作用（图5）。值得注意的是，Vm-MSI与多黏菌素B联合应用可使抗菌活性提高8 ~ 32倍，且与其他抗生素也存在显著的协同作用。说明Vm-MSI与其他抗生素联合使用时，可有效清除耐药菌和革兰阴性菌。此外，虽然细菌在sub-MIC连续培养不到20代就对环丙沙星和万古霉素产生了耐药性，但很少有细菌对Vm-MSI和MSI-78产生了稳定的耐药性（图2）。多机制Vm-MSI的低耐药频率强调了其在临床应用方面的巨大潜力。 AMP的多种作用机制使其能够与抗生素有效协同。为了深入研究这一现象，重点研究了AMP共同的两个关键抗菌机制：膜破坏和诱导细菌氧化应激。研究结果表明，Vm-MSI通过改变细菌细胞膜的通透性、流动性和去极化程度，显著损害了细菌细胞膜的结构和功能完整性，这表明膜破坏是Vm-MSI抗菌机制的一个关键方面（图6和7）。如前所述，ROS是生物过程中的天然代谢物；它们的累积会引起氧化应激，最终破坏细菌的DNA、蛋白质和其他生物分子。这一机制通常被某些AMPs和抗生素所采用，如氨基糖苷类和喹啉类抗生素虽然万古霉素没有显著诱导ROS产生，但Vm-MSI在不同浓度下均可诱导ROS产生。在较高浓度下，Vm-MSI诱导的ROS水平是相同浓度下MSI-78的2倍以上。此外，ROS清除剂的使用显著降低了Vm-MSI的杀菌活性，证实了ROS的产生和积累诱导的氧化应激是其关键作用机制之一（图8）。为了进一步阐明Vm-MSI增强抗菌活性的机制，对经Vm-MSI或万古霉素处理的大肠杆菌进行了转录组分析。与万古霉素相比，Vm-MSI引起更广泛和更明显的转录变化，特别是影响与膜结构、转运系统、应激反应和代谢调节相关的基因。功能富集分析显示Vm-MSI显著影响细菌的关键通路，包括ABC转运蛋白、信号转导、能量代谢、CAMP抗性和嘌呤生物合成。Vm-MSI对膜相关基因和氧化还原应答基因的表达具有独特的调控作用，而一些万古霉素应答基因在Vm-MSI处理下表现出逆转或扩增的表达趋势。这些结果表明，Vm-MSI通过多方面的生理应激发挥其抗菌作用，包括增强膜稳态的破坏，干扰应激适应机制，以及改变必要的代谢途径。这一转录组学证据从机制角度揭示了Vm-MSI对革兰阴性菌的优越抗菌性能（图9）。在D-Ala-D-Ala抗菌阻断实验中，评估万古霉素的固有抗菌机制。正如预期的那样，Vm-MSI保留了万古霉素固有的杀菌特性，为Vm-MSI作为广谱、高效的抗菌剂奠定了坚实的基础（图7）。基于这些机制研究结果，接下来试图确定Vm-MSI增强的抗菌活性是否可以在体内重现。 抗生素耐药性可以将简单的伤口感染（占美国所有急诊病例的4%以上）变成危及生命的状况。在美国，影响约650万人的慢性伤口也特别容易受到细菌感染的影响，通常涉及生物膜本研究利用小鼠耐药菌感染治疗模型证明，Vm-MSI治疗vrsa感染皮肤创面非常有效。三剂给药后，Vm-MSI清除了伤口部位90%以上的VRSA，与环丙沙星（皮肤感染的一线治疗药物）的疗效相当。此外，Vm-MSI减轻了过度炎症，加速了皮肤伤口愈合，并支持感染小鼠的体重恢复（图10）。 目前，多重耐药革兰阴性菌是住院患者的主要威胁，病死率为30% ~ 70%这些病原体已成为日益严重的全球医疗问题。[61]鲍曼不动杆菌感染的全球估计发病率为每年约100万例。世界卫生组织已经认识到该物种日益增长的重要性，在《2017年全球抗生素耐药菌优先清单》中，将碳青霉烯类耐药鲍曼不动杆菌（CRAB）列为优先致病菌之一，以指导新抗生素的研究、发现和开发。这种病原体主要影响免疫功能低下的患者，导致高死亡率的肺炎和血流感染。[62]治疗这些革兰阴性菌引起的感染时，主要的挑战是其常见的耐药性，特别是在持续性肺炎感染中，这往往会导致严重的并发症，如呼吸衰竭、菌血症、休克和急性呼吸窘迫综合征（ARDS）[63]。为了解决这一问题，使用多重耐药鲍曼不动杆菌建立了小鼠肺部感染模型。结果表明，Vm-MSI可在24 h内有效清除肺内定植的多重耐药鲍曼不动杆菌95%以上。它还降低了肺组织中升高的促炎细胞因子，证实了其在体内治疗全身性感染的潜力（图11）。总之，这些研究结果提示，Vm-MSI在临床治疗常见皮肤感染（如烧伤、糖尿病足溃疡和某些皮炎）和全身性感染（包括耐药性肺炎和脓毒症）方面具有应用前景。 综上所述，Vm-MSI为挑战性感染提供了一种有前景的解决方案。它对VRSA具有良好的抗菌活性，对多重耐药菌株、生物膜和持留细胞具有强大的广谱抗菌活性。证实了其安全性、耐药性发生的可能性低以及协同抗菌作用。此外，Vm-MSI在治疗多重耐药菌引起的体表创面和全身感染方面表现出了良好的疗效。Vm-MSI是对抗感染和解决细菌耐药性的有力候选药物。 文 章 精 选 1、【灭菌】、【杀菌】、【抑菌】：概念界定、英文表达与实验验证方法全解析 2、什么是【抗菌】？ 3、【Coord.Chem.Rev】纳米氧化钼的研究进展：肿瘤治疗诊断学中的结构工程进展 4、纳米材料催化过程中活性氧（ROS）种类及生成路径的详细解析 5、【Coord.Chem.Rev】二维材料在超声驱动的癌症治疗：与治疗性能相关的材料特性 6、【Nano-Micro Letters】协同铁死亡-免疫治疗纳米平台：肿瘤微环境重塑和治疗优化的多维工程 7、【Adv.Mater】交替层间压电自异质结增强声-压电催化细胞焦亡肿瘤治疗 8、【Prog. Mater. Sci.】用于抗菌治疗的智能响应材料：进展、机遇与挑战-【上】-北京大学吴水林教授团队 9、【Prog. Mater. Sci.】用于抗菌治疗的智能响应材料：进展、机遇与挑战-【下】-北京大学吴水林教授团队 10、【Small】NIR-II AIEgens光热疗法的临床前研究：跨肿瘤类型 微信公众号丨纳米材料催化 声明：本文版权归原作者所有，转载请联系授权！因学识有限，难免有所疏漏和谬误，肯请批评指正！ 推文合作请联系私信联系后台