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细菌感染越来越威胁着人类的健康。由于细菌出现抗生素耐药性，曾经可以用抗生素有效治疗的感染越来越难以治疗。没有哪个国家能幸免于这个问题。世卫组织估计，到2050年，将有1000万人死于抗药性感染，今年公布的数字显示，抗药性感染在去年增加了约9％。因此，人们对新型的抗菌方法需求巨大。近日，国家纳米科学中心王浩、王磊研究员与中南民族大学李香丹教授合作通过模拟人类防御素-6开展抗菌实验研究，成功开发了一种仿生抗菌的新策略，一种多肽抗菌药物。
近年来，抗生素的使用导致菌群失调和耐药菌的出现。抗生素不具备选择性，在杀死病原菌的同时，也将肠道内的有益菌一同杀死了，导致所谓的菌群失调现象：从过去的有益菌占优势的状态，变为有害菌占优势的状态，从而引发各种疾病。另一方面，重复使用一种抗生素会使致病菌产生抗药性，即我们在使用抗生素治疗疾病的同时，也使细菌的耐药能力增强，最终对这种抗生素不再敏感。如今的“超级细菌”就是滥用抗生素的结果。我国细菌对抗菌药物的耐药形势仍较严重，尤其是碳青霉烯类耐药革兰阴性杆菌、革兰氏阳性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。现在亟需新型精准抗菌策略来解决这一尴尬局面。科学家试图从人类免疫系统中寻找到新的抗菌机制并从中找到灵感。防御素是在生物免疫系统中起到重要调节作用的多肽分子，并且大多数防御素具有直接杀菌功能，是重要的抗菌肽。人防御素-6（HD-6）在小肠分泌性潘氏细胞高表达并且通过自组装形成纤维网络，铆钉细菌阻止其入侵宿主细胞来进行抗菌。HD-6这种捕获抗菌机制的发现提供了一种仿生模型，可以作为一种新的抗菌策略。
国家纳米科学中心研究团队，利用多肽纳米技术在体内实现了HD-6抗菌过程的仿生。他们设计并合成了一条HD-6模拟肽（HD6 mimic peptide, HDMP），纳米颗粒形态的HDMP可以靶向体内金黄色葡萄球菌表面，形变组装成纳米纤维捕获细菌，阻止细菌入侵宿主细胞，防治感染，取得较好的抗菌效果。
共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）结果显示HDMP可以识别革兰氏阳性细菌。通过透射电子显微镜（TEM）可以发现，在金黄色葡萄球菌表面，由配体-受体相互作用诱导下，HDMP从纳米颗粒转化为纳米纤维。扫描电镜（SEM）进一步证明了HDMP在金黄色葡萄球菌表面及周围形成了纤维网络。因此，HDMP可以捕获金黄色葡萄球菌并显著抑制其入侵（30 微摩 降低170倍）。在小鼠肌肉组织感染和小鼠败血症模型中，研究发现感染率显著降低，存活率显著提高至100%。
总之，纳米纤维网络捕获细菌以抑制细菌入侵是一种新的抗菌策略，为菌群失衡和细菌耐药性提出了新的解决方案，是一种模拟HD-6抗菌过程，结构简单而功能强大的新型抗菌多肽。此外，该策略也可以用于其它病原体感染的治疗，比如新冠病毒。多肽纳米纤维网络作为一种新型的“中和抗体”有望阻止其入侵宿主细胞。最后，这种体内抗菌过程模拟是过程仿生概念的很好应用实例，是过程仿生概念的延伸。
这一成果近期发表在Science Advances 上，文章的第一作者是国家纳米科学中心与中南民族大学联合培养硕士研究生樊禹和中南民族大学教授李香丹。文章的通讯作者是国家纳米科学中心王磊研究员。
A biomimetic peptide recognizes and traps bacteria in vivo as human defensin-6
Yu Fan, Xiang-Dan Li, Ping-Ping He, Xiao-Xue Hu, Kuo Zhang, Jia-Qi Fan, Pei-Pei Yang, Hao-Yan Zheng, Wen Tian, Zi-Ming Chen, Lei Ji, Hao Wang, Lei Wang*
Sci. Adv., 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aaz4767
导师介绍
王浩
https://www.x-/university/faculty/23181
王磊
https://www.x-/university/faculty/23225
李香丹
https://www.x-/university/faculty/15246
