药物设计的新策略：让铜原子离细菌更近

过氧化氢与铜反应生成具有强抗菌性能的羟基自由基。然而，这需要高浓度的铜，因为两个铜原子必须靠得很近，这是偶然发生的。现在，科学家们已经设计出一种含有含铜侧单元的长聚合物，这种长聚合物可以产生局部高铜密度的区域，增强过氧化氢的抗菌活性，为新的药物设计理念铺平道路。

　　

抗生素的发现是医学上的重大突破，挽救了无数的生命。不幸的是，它们的广泛使用导致了高度耐药菌株的快速进化，这有可能使人类在与传染病的斗争中回到起点。尽管研究人员正在为抗菌药物寻找新的设计概念，但新药物的总体开发目前正在下降。

为了解决这个严重的问题，日本东京科学大学的科学家们正在探索一种新的方法来提高过氧化氢(H2O2)的体内抗菌活性，过氧化氢是一种常用的消毒剂。在最近发表在《高分子快速通讯》(Macromolecular Rapid Communications)杂志上的一项研究中，由助理教授Shigehito Osawa和教授Hidenori Otsuka领导的团队报告了他们成功地使用精心定制的含铜聚合物提高H2O2活性。

要理解他们的方法，首先要知道H2O2是如何对抗细菌的，以及铜的作用。H2O2可以分解为羟基自由基(?OH)和氢氧根阴离子(OH -)，前者对细菌有很高的毒性，因为它很容易破坏某些生物分子。铜的第一氧化态Cu(I)可以催化H2O2裂解为羟基自由基和氢氧根，在氧化过程中生成Cu(II)。奇怪的是，H2O2也可以催化Cu(II)还原为Cu(I)，但只有在某种程度上促进了这个反应。实现这一目标的一种方法是使含Cu(II)的配合物足够接近。

然而，当使用溶解在溶液中的含Cu(II)的配合物时，它们相互靠近的唯一方式是意外碰撞，这需要过量的铜浓度。该团队从细胞化学中获得了灵感，找到了解决这个问题的办法。小泽博士解释说:“在生物体内，铜与蛋白质形成复合物，有效催化氧化还原反应。例如，酪氨酸酶有两个靠近的铜配合物位点，有利于氧和铜配合物之间的反应中间体的形成。我们认为，即使分散在溶液中，我们也可以在人工合成的铜配合物聚合物中利用这种机制。”

基于这一想法，研究人员开发了一种长聚合物链，以二聚胺(DPA)为含铜配合物。这些dpa -铜配合物作为“悬垂基团”附着在聚合物长主链上。当这些聚合物分散在溶液中，铜(II)原子在悬浮基团中保持紧密和局部高密度，极大地增加了其中两个原子足够接近，从而被H2O2还原为Cu(I)的几率。通过各种实验，科学家们证明，使用这些量身定制的聚合物导致更高的催化活性，对H2O2的分裂，导致更多的OH?，即使在较低浓度的铜。进一步使用大肠杆菌培养物进行的试验表明，这些聚合物极大地增强了H2O2的抗菌潜力。

虽然这项研究的结果为抗菌药物的设计开辟了一条新的途径，但也可能在食品工业中有有用的应用。小泽博士强调说:“由于铜是生物体的一种必需营养物质，这项研究中开发的抗菌剂有望成为一种有效的食品防腐剂，这可能有助于增加可以长期保存的食品的种类。”让我们希望这个新策略能让我们更容易地阻止微小的威胁!

Journal Reference:

1. Shigehito Osawa, Kenichi Kitanishi, Maho Kiuchi, Motoyuki Shimonaka, Hidenori Otsuka. Accelerated Redox Reaction of Hydrogen Peroxide by Employing Locally Concentrated State of Copper Catalysts on Polymer Chain. Macromolecular Rapid Communications, 2021; 2100274 DOI: 10.1002/marc.202100274