阳离子聚合物（cationic polymers）在治疗细菌感染方面具有广阔前景。大多数已报道的阳离子抗菌聚合物含有含氮基团，包括伯胺、仲胺或季铵基团（quaternary amine group），而基于季鏻（phosphonium）的抗菌聚合物报道较少，且其构效关系尚未被系统阐明。在这项工作中，研究人员合成了一系列带有不同季鏻侧链的聚合物（CP-n）。在这些聚合物中，带有三丙基膦侧基的聚合物（简称为CP-3）表现出最佳的抗菌活性（对金黄色葡萄球菌S. aureus的最小抑菌浓度MIC = 2 μg/mL）和最高的选择性指数（SI = 100）。机理研究进一步表明，与哺乳动物细胞膜中的两性离子磷酸胆碱（phosphocholine, DOPC）相比，CP-3可通过静电相互作用选择性结合阴离子细菌特异性磷脂——磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol, POPG），从而有效破坏细菌膜完整性。由于独特的细菌磷脂靶向能力和膜损伤机制，CP-3展现出快速的杀菌动力学和低的诱导细菌耐药性倾向。值得注意的是，CP-3有效抑制金黄色葡萄球菌生物膜形成并破坏成熟的金黄色葡萄球菌生物膜。此外，CP-3在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）诱导的肺部感染和腹膜炎中显示出强大的治疗潜力。因此，这项工作为设计基于季鏻的抗菌聚合物提供了一种新策略。
**论文解读：季鏻聚合物通过选择性靶向细菌磷脂实现强效抗菌活性**
**1. 研究背景与问题**
细菌感染，尤其是由耐药菌引起的感染，对全球健康和经济造成沉重负担。2019年，与抗菌药物耐药性（AMR）相关的死亡人数估计达495万，其中127万直接归因于AMR。然而，抗菌药物的创新速度未能跟上细菌耐药性加速上升的步伐。世界卫生组织和独立管线审计一致报告，针对重点病原体的真正新颖、首创药物进展稀缺，导致临床需求与可用疗法之间的差距扩大。此外，除了浮游细菌的获得性耐药，生物膜相关感染因细胞外基质屏蔽、营养限制、代谢活性降低及持留菌形成而对多种抗生素具有固有耐受性，根除困难并导致慢性复发性疾病。因此，迫切需要具有低耐药性倾向和有效生物膜清除能力的新型抗菌剂。
细菌细胞质膜在屏障完整性、能量转导、营养转运和应激感知中发挥关键作用。磷脂是膜的主要成分。值得注意的是，细菌膜的磷脂组成与哺乳动物细胞膜显著不同。在革兰氏阴性菌（如大肠杆菌Escherichia coli）中，带负电的1-棕榈酰基-2-油酰基-磷脂酰甘油（POPG）约占磷脂总量的20–25%，而在革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌S. aureus）中可达50–60%。细菌膜因此呈现明显负电荷。相反，哺乳动物质膜外叶富含两性离子的胆碱头磷脂，主要是磷脂酰胆碱（DOPC）和鞘磷脂，表面净电荷近中性。基于这一差异，一些阳离子抗菌聚合物被设计用于靶向阴离子细菌膜，实现良好抗菌活性和低哺乳细胞毒性。然而，大多数阳离子抗菌聚合物含氮基团，基于季鏻的抗菌聚合物报道较少，且缺乏关于如何调控季鏻基团结构以调节抗菌性能和生物相容性的系统研究。
**2. 研究内容与结论**
为此，研究人员通过N-羧基环内酸酐（NCA）开环聚合（ROP）结合聚合后修饰，合成了一系列带有不同季鏻侧链的阳离子聚合物（CP-n），并系统阐明其构效关系。其中，带有三丙基膦侧基的聚合物CP-3表现出最佳抗菌活性和最高选择性指数。机理研究表明，CP-3能选择性地结合细菌膜上的阴离子磷脂POPG，导致细菌膜破坏、快速杀菌动力学和低诱导耐药性倾向。此外，CP-3有效抑制细菌生物膜形成并破坏成熟生物膜。最后，在局部和全身性细菌感染模型中验证了CP-3的体内抗菌疗效。该研究为设计基于季鏻的抗菌聚合物提供新策略，论文发表在《Materials Today Bio》。
**3. 关键技术方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）通过NCA开环聚合合成聚(γ-(6-氯己基)-L-谷氨酸酯)（PCLG）前体，再通过聚合后修饰与不同膦单体反应，制备系列季鏻聚合物（CP-n）；（2）利用肉汤微量稀释法测定最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）；（3）通过Zeta电位、膜电位探针（DiSC3(5)）、胞内物质释放（DNA、ATP、K+、蛋白质）检测、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及活/死染色研究抗菌机制；（4）利用磷脂脂质体结合实验、荧光光谱、等温滴定量热法（ITC）研究CP-3与磷脂POPG/DOPC的选择性相互作用；在小鼠肺部感染和腹膜炎模型中评价体内疗效。
**4. 研究结果**
**4.1 CP-n的制备与表征**
成功合成PCLG（聚合度DP=23，数均分子量4800 g/mol，分子量分布Đ=1.21），并通过1H NMR和GPC确认CP-n全部接枝成功，修饰度100%。ClogP值随烷基链增长从−3.48增加至1.28，表明CP-4疏水性最高。
**4.2 体外抗菌活性与选择性指数**
CP-3对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC分别为2 μg/mL和4 μg/mL，对临床耐药菌（MRSA、MDR S. aureus）MIC为2 μg/mL。CP-3的溶血活性低（HC50 > 2 mg/mL），对HUVEC细胞的IC50为179 μg/mL，选择性指数SI（HC50/MIC）高达1000，SI（IC50/MIC）为89.5。在不同pH、高盐、蛋白酶条件下，CP-3抗菌活性稳定。
**4.3 抗菌机理研究**
Zeta电位显示CP-3通过静电结合细菌表面。膜电位探针DiSC3(5)实验表明CP-3引起膜去极化。胞内DNA、ATP、K+、蛋白质大量释放证实膜损伤。SEM和TEM观察到细菌膜塌陷、变形和胞质泄漏。活/死染色显示2分钟内即出现强红色荧光，说明快速膜裂解。CP-3优先结合POPG而非DOPC：荧光光谱显示与POPG共孵育后发生蓝移和荧光猝灭（Dexter猝灭），而与DOPC无变化；ITC显示CP-3与POPG强结合（Kd=6.21×10−5 M），与DOPC无可测结合。时间-杀菌动力学显示CP-3在30分钟内达到100%杀菌率，优于万古霉素和诺氟沙星。连续20次传代后，CP-3未诱导金黄色葡萄球菌和大肠杆菌耐药，而抗生素组MIC上升8–16倍，且无交叉耐药。
**4.4 体外抗菌生物膜能力**
CP-3在2×MIC浓度下有效抑制金黄色葡萄球菌生物膜形成。对成熟生物膜，CP-3实现89.2%的生物量清除率，而万古霉素几乎无活性。3D-CLSM显示CP-3处理组以红色荧光为主（死菌），生物膜厚度显著降低。SEM显示生物膜被明显移除。残留活菌计数显示CP-3减少超过80.2%。
**4.5 体内抗菌活性**
在MRSA诱导的小鼠肺部感染模型中，CP-3（1 mg/mL气管内给药）使肺内细菌载量降低约2.71 log CFU；H&E染色显示肺泡结构基本完整，炎症因子IL-6和TNF-α水平显著降低；8天存活率达90%（PBS组20%）；体重无异常，血清生化指标正常。在MRSA诱导的腹膜炎模型中，CP-3连续治疗后，心、肝、脾、肺、肾、血液和腹腔灌洗液中细菌载量均显著降低；15天存活率80%（PBS组20%）；主要器官H&E染色无病理异常，血清生化正常。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，CP-3通过选择性结合细菌特异性阴离子磷脂POPG，而非哺乳动物膜中的中性磷脂DOPC，实现强效抗菌活性和低细胞毒性。这一独特机制赋予其快速杀菌动力学和低耐药性倾向。此外，CP-3能有效抑制和破坏生物膜，在两种体内感染模型中表现出显著治疗潜力且无可见毒性。
研究结论总结如下：本研究合成并评价了一系列带有不同季鏻侧链的聚合物。其中，最优聚合物CP-3（带有三丙基膦侧基）在体外显示最佳抗菌活性。研究人员发现CP-3优先结合阴离子细菌磷脂POPG，而非哺乳动物膜中的中性磷脂DOPC。这一磷脂选择性被认为是其强效抗菌活性和低细胞毒性的主要驱动力。此外，CP-3有效抑制细菌生物膜形成并破坏成熟细菌生物膜。在MRSA诱导的小鼠肺部感染和腹膜炎中，CP-3显示出显著治疗能力且体内毒性可忽略。该工作为开发具有强效抗菌活性的季鏻基聚合物提供了新策略。
