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肽益糖——天然多糖大分子抗菌剂

来源:http://www.elear-biotech.com

发布时间 : 2019-05-07

肽益糖——中国科学院理化研究所牛忠伟团队研发的新一代颠覆性天然多糖大分子抗菌剂。

牛忠伟:

中科院理化研究所研究员;

中科院百人计划入选人员;

中国科学院大学首席教授,博士生导师;

中国康复医学会再生医学与康复委员会专业委员;

中国整形美容协会美容与再生医学分会转化医学专委会委员;

科学家牛忠伟带领科研团队经过十几年的科学攻关,研发了一款新型天然抗菌材料的产品---纯天然多糖大分子抗菌剂——肽益糖。

肽益糖已经获得了国家专利权(专利号ZL 201710556550.5),国际专利在申报中。

肽益糖——发表在英国皇家化学学会杂志上的论文

作者:牛忠伟

l  摘要

细菌特别是金黄色葡萄球菌引起的感染创面为皮肤创伤患者带来了极大的痛苦甚至致命的威胁。控制感染与促进愈合是感染创面修复、组织再生过程中的关键因素。为了在不损失抗菌活性的同时有效提高生物安全性,本研究对壳聚糖进行聚乙二醇与胍基官能团的双修饰。所得的双功能壳聚糖衍生物通过结合细菌电负性的细胞膜而破坏其完整性,从而在较宽浓度范围内有效抑制野生及耐药性金黄色葡萄球菌的生长。而随着水溶液浓度的进一步提高,未出现明显的溶血现象。人肝细胞L02以及小鼠成纤维细胞L929的细胞增殖与细胞形态也均未受到影响。在革兰氏阳性菌感染的全皮缺损动物模型中,双功能壳聚糖衍生物能够在7日内有效抑制创面菌增长、加速伤口愈合,使新生表皮在14日后完全覆盖创面。皮肤组织病理学分析也充分证实,经双功能壳聚糖衍生物处理后的创面炎性反应明显减轻,新生血管丰富,可见肉芽组织及疏松结缔组织生成。

l  研究背景

创面,特别是细菌、真菌等微生物感染创面对全球人类健康造成了日益增长的严重威胁。在美国,超过6百万人口会受到感染创面的影响,且每年花费在创面修复方面的资金约有60到150亿。巨大的个人压力和国家负担更加突出了感染创面修复领域研究的重要性。伤口愈合是在受伤之后立即开始的一个复杂且有序的过程,缩短创面愈合时间是创面修复过程中的黄金准则。而一旦创面感染,则会大大延长伤口的愈合时间,严重时甚至会导致危及生命的情况出现。因此,在感染创面修复的过程中,控制感染和促进愈合是同等重要的两个关键因素。为了阻止并控制因病原微生物传播而导致的伤口感染,大量的抗菌材料逐渐成为研究热点,包括基于抗生素的抗菌策略、光动力抗菌、金属纳米粒子、抗菌多肽和抗菌聚合物等。尽管这些材料的抗菌性能较好,但因为它们的溶血活性较高(如抗菌肽)或细胞毒性的不确定性(如银离子),使其临床应用仍会受到阻碍。缺乏明确的生物安全性限制了抗菌材料促进感染伤口愈合的能力。

另一方面,基于干细胞、祖细胞、胶原蛋白和生长因子等的组织再生材料(包括生物医用材料和纳米工程材料)在皮肤损伤修复领域备受关注。大部分组织再生材料通常具有较高的生物活性和生物相容性,而这些都是加速伤口愈合的必要条件。但由于单一的组织再生材料并不具备杀死伤口中微生物或者控制感染的能力,因此并不能有效控制感染。可见,抗菌材料和组织再生材料尚不能起到同时控制感染与加速伤口愈合的作用。这样,如果能在一种简单的多功能材料中实现抗菌活性和生物安全性的平衡,将会缩短感染创面的愈合时间,同时节省巨大的医疗成本。

壳聚糖是天然甲壳素脱乙酰化直至聚合物可溶于稀酸水溶液而得的产物。由于它具有抗菌性、无毒性、可生物降解等多种生物活性,使其近年来成为生物医用材料的研究热点。然而由于壳聚糖高度结晶,导致其溶解性和抗菌活性受到了极大的限制,这便影响了壳聚糖在生理条件下在处理感染创面方面的应用。在本文的研究中,我们报道了一种能够有效修复感染伤口的双功能壳聚糖衍生物(CS-G/mPEG)。

CS-G/mPEG能够有效并有选择地破坏细菌细胞膜,从而在较宽浓度范围内杀死金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌,且不会造成严重的溶血或者细胞毒性。为了研究CS-G/mPEG在体内的应用,我们将其用于

理革兰氏阳性菌感染创面,发现CS-G/mPEG能够抑制创面菌的生长并加速创面愈合。

l  结果与讨论

图1 合成路线示意图(m和n分别表示壳聚糖的脱乙酰化和乙酰化部分)和CS-G/mPEG的化学

元素分析结果与壳聚糖及其衍生物的官能团取代度(DD表示壳聚糖的脱乙酰度;DS表示壳聚

图2 壳聚糖衍生物CS-G 和CS-G/mPEG对金黄色葡萄球菌抗菌性能测试:a)琼脂培养皿中微

图3 CS-G/mPEG(0.20 mg/mL)处理一小时后的金黄色葡萄球菌激光共聚焦荧光显微镜图像

图4 壳聚糖衍生物(1 mg/mL)处理过的金黄色葡萄球菌形态变化:未经处理的细菌SEM和TE


图5 不同浓度的壳聚糖衍生物溶血实验结果:a)经CS-G/mPEG处理的红细胞悬液;b)经CS-

图6 体外细胞毒性测试结果:a)不同浓度CS-G或CS-G/mPEG处理的L02细胞的CCK-8法测试结

改性壳聚糖作用下的雄大鼠伤口愈合:a)不同时间不同创面照片(标尺:5 mm);b)伤后

图8 术后第14天和第49天感染创面组织切片H&E染色结果,皮肤组织的特定结构用红色标记

l  结论

综上所述,本研究通过向壳聚糖中先后引入亲水性的聚乙二醇链段与正电性的胍基官能团设计合成了能够有效平衡材料抗菌性能与生物安全性的双功能壳聚糖衍生物。以胍基化取代度接近的胍基改性壳聚糖CS-G与胍基/聚乙二醇双改性壳聚糖CS-G/mPEG为研究对象,从抗菌性能(控制感染)与生物安全性(促进愈合)两方面深入探讨了聚合物对革兰氏阳性菌的抗菌效果及作用机理以及对哺乳动物细胞组织的生物安全性。结果表明双功能壳聚糖衍生物能够充分利用细菌细胞膜与哺乳动物细胞膜的电负性差异,选择性地破坏细菌细胞膜而不会对红细胞、肝细胞、成纤维细胞等哺乳动物细胞的增殖产生不良影响。

在金黄色葡萄球菌感染的SD大鼠全皮层缺损模型中,经双功能壳聚糖衍生物修复的创面菌数目明显减少,创面边缘完整清晰,愈合过程快速温和且无炎性反应或过度愈合(即结痂)现象出现。创面在短期内已被新生表皮完全覆盖,新生血管及肉芽组织丰富,有疑似毛囊形成。由于聚乙二醇侧链与胍基官能团的双重作用,能够在不影响改性壳聚糖抗菌效率的同时充分提高其生物安全性,在同一材料中实现了抗菌性能与生物安全性的有效平衡,使其具备控制感染与促进愈合的双重潜力,有望以医用伤口敷料等形式被进一步用于感染创面的修复当中。

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肽益糖是海洋生物提取的抗菌材料,它具有良好的水溶性、生物安全性、不易耐药性、无细胞积累毒性。是一款绿色广谱抗菌产品。肽益糖纯天然的特性必将取代市场上具有安全隐患的抗菌材料。天然多糖大分子抗菌剂肽益糖由于其良好的生物安全性和广谱抑菌、抗菌性能,在日用化学品、医疗卫生以及食品防腐等领域都有广阔的应用前景

纯天然多糖大分子抗菌材料—— 肽益糖在中国乃至世界抗菌材料发展史上将具有划时代的意义。

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