具有多种作用机制的氟化抗菌肽，可提升对多重耐药细菌感染的杀灭效果

《Drug Resistance Updates》：Fluorinated multi-mechanism antimicrobial peptides for improved potency against multidrug-resistant bacterial infections

　　

Luyang Gao|Chao Zhong|Qiqi Yu|Jingyi Zhu|Wenjing Xue|Jing Zou|Jiahui Wang|Ning Xu|Sanhu Gou|Yun Zhang|Hui Liu|Jingman Ni

摘要

研究目的

抗菌肽是抗生素的理想替代品，但其发展往往受到稳定性差、安全性问题以及耐药风险不确定性的阻碍。因此，本研究旨在开发具有更高稳定性、安全性以及更低多重耐药细菌耐药性的新型抗菌肽。

研究方法

本研究采用氟化修饰策略来设计新型抗菌肽，并对其抗菌活性、稳定性、安全性、作用机制、耐药性发展以及体内功效和安全性进行了评估。

研究结果

研究团队设计并合成了一系列氟化抗菌肽，其中Hrk8表现最为突出：它对多重耐药细菌具有强效的抗菌活性，稳定性良好，且安全性较高。Hrk8通过多种机制发挥作用，包括快速破坏细菌膜、干扰细胞内代谢过程以及引发物种特异性的转录反应。在大肠杆菌中，Hrk8的作用会导致广泛的代谢紊乱，从而引发细胞稳态失衡；而在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌中，则会促使细菌调整表面结构，降低致病性相关基因的表达。正是由于这种多方面的作用，Hrk8不易引发细菌耐药性，有助于遏制抗生素耐药性的发展，同时还具备协同或叠加的抗菌效果，能够消灭持久型细菌。在系统性感染、肺炎和皮肤伤口感染的小鼠模型中，Hrk8的疗效与多粘菌素B和万古霉素相当，但安全性优于多粘菌素B。

研究结论

氟化处理能有效提升抗菌肽的性能，从而得到Hrk8这一具有强效广谱抗菌活性、低耐药潜力且应用前景广阔的候选化合物。这一方法为应对耐药性感染提供了实用方案。

引言

20世纪初青霉素被发现以来，抗生素一直处于现代医学的核心地位，被广泛用于治疗各类细菌感染。然而，抗生素的过度使用和滥用导致了抗菌药物耐药性的上升，引发了全球性的健康危机（Domingues等人，2023）。细菌通过降低药物渗透性、产生酶类、利用外排泵以及质粒介导的基因转移等方式来抵抗抗生素（Lee等人，2017）。鉴于其高度的多重耐药性和严重的临床危害，世界卫生组织将ESKAPE类病原体（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌以及肠杆菌属）列为重点监测对象（De Oliveira等人，2020）。每年有超过280万例由抗菌药物耐药性引发的感染病例，导致35,000多人死亡（Flynn和Guarner，2023）。如果不加以控制，到2050年抗菌药物耐药性可能每年导致多达1000万人死亡（J，2016），这凸显出研发新型抗菌药物的迫切需求。

抗菌肽是多种生物体内先天免疫系统的重要组成部分，具有广谱的抗菌、抗病毒以及免疫调节作用（Luo和Song，2021）。许多抗菌肽通过静电吸引和疏水作用作用于细菌表面结构，进而使细菌膜通透并导致细胞死亡，以此发挥杀菌作用。这种以膜破坏为核心的多步骤作用机制，通常比传统抗生素的耐药性发展风险更低，因此抗菌肽被视为下一代抗感染药物的理想候选者（Li等人，2022）。不过，天然抗菌肽存在易降解、具有脱靶毒性以及药代动力学性能不佳等问题。为克服这些缺陷，人们提出了肽环化、脂质化、糖基化以及使用非天然氨基酸等改进策略。

由于氟元素具有高电负性以及稳定的C-F键，氟化处理成为优化肽类性质的重要手段，它能影响肽类的疏水性、稳定性和与膜的亲和力（Faleye等人，2023）。正如Jelleine-I及其氟化类似物所展现的那样，氟元素能够增强抗菌活性，从而提高药物的效力和稳定性，同时降低毒性（Jia等人，2019）。在buforin分子中引入六氟亮氨酸后，其抗降解能力得到了提升（Meng和Kumar，2007）。然而，过度的氟化处理可能会导致分子过度疏水，进而增加溶血风险和脱靶毒性（Molchanova等人，2017）。因此，需要通过对氟化模式进行系统研究，以在确保药物效力的同时保障其安全性，从而满足临床应用需求。

本研究以多功能肽骨架AMP 1003为基础，设计并合成了系列氟化抗菌肽（Zhong等人，2025）。经过抗菌活性和生物安全性筛选后，Hrk8被确定为最具潜力的候选化合物。Hrk8对多重耐药细菌具有广谱抗菌活性，可通过多种作用靶点发挥作用，且几乎不会引发耐药性。此外，它还能抑制其他抗生素的耐药性发展，与其他药物联用时具有协同效应，同时能够清除持久型细菌。在多种小鼠感染模型中，Hrk8均展现出优异的疗效和安全性（图1）。这些研究结果表明，氟化处理是提升抗菌肽对抗日益严重的细菌耐药性威胁效果的有效途径。

章节要点

实验动物

实验所用的小鼠为雌雄BALB/c品系，年龄在6至8周之间，体重在18至22克左右，这些小鼠来自中国农业科学院兰州兽医研究所。实验环境控制在20至22摄氏度、湿度为40至70%，光照周期为12小时暗期和12小时亮期。所有实验均遵循美国国立卫生研究院的相关规定，并已获得兰州大学伦理委员会的批准（批准编号：SYXK Gan 2023-0004）。

肽段的合成与表征

这些肽段是通过Fmoc固相合成法在Rink酰胺MBHA树脂上合成的，之后使用三氟乙酸将其切割下来

氟化抗菌肽的合成与表征

研究团队通过Fmoc化学SPPS技术，利用不同位置和数量含氟基团的氟化D-苯丙氨酸、带正电荷的D-精氨酸以及疏水的D-色氨酸，设计并合成了系列新型氟化抗菌肽（图S1和表S1）。通过质谱分析确认了这些肽段的分子量与理论值十分接近，而通过反相高效液相色谱检测，其纯度超过95%（图S2-11）。通过Chem3D 18.0软件计算LogP值以及检测反相高效液相色谱的保留时间，可以判断这些肽段的疏水性水平

讨论

多重耐药病原体的出现是全球公共卫生领域面临的严峻挑战，这也推动了人们寻找具有全新作用机制的药物治疗方案（Vivas等人，2019）。抗菌肽虽然具有广谱抗菌活性且耐药性发展风险较低，但同时也存在蛋白酶不稳定性、细胞毒性以及药代动力学性能不佳等问题。因此，本研究设计了氟化抗菌肽，其中核心化合物Hrk8对多重耐药细菌具有很强的抗菌效果，同时还具备诸多优势

结论

本研究成功开发出一种名为Hrk8的氟化抗菌肽，它恰好满足了当前针对多重耐药细菌感染研发新药物的迫切需求。Hrk8兼具广谱抗菌活性、低毒性和高治疗效果，其主要通过破坏细菌膜来发挥杀菌作用。在不同类型的细菌中，Hrk8引发的下游转录反应存在差异：在大肠杆菌中，这些变化与细胞的能量代谢过程密切相关

作者贡献说明

Hui Liu：项目监督。 Luyang Gao：论文初稿撰写、数据可视化、方法设计及实验实施。 Jiahui Wang：实验实施。 Ning Xu：实验实施。 Sanhu Gou：软件分析工作。 Yun Zhang：项目监督。 Qiqi Yu：数据可视化、方法设计及实验实施。 Jingyi Zhu：方法设计及实验实施。 Wenjing Xue：实验实施。 Jing Zou：实验实施。 Jingman Ni：论文审阅与编辑、项目监督、项目管理工作以及资金筹集。 Chao Zhong：论文审阅与编辑、论文撰写——

利益冲突声明

所有作者声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金（项目编号82404410、82173678和81773564）、中国农业科学院医学科学创新基金（项目编号2019-I2M-5-074、2021-I2M-3-001、2021-I2M-1-026和2022-I2M-2-002）、长江学者及创新团队发展计划（项目编号IRT_15R27），以及兰州大学的人才引进科研启动资金（项目编号561120208）。

利益冲突声明

所有作者声明不存在任何利益冲突。