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  細菌性腦膜炎對人類健康構成嚴重威脅，致死率高達54%。ESKAPE菌作為醫(yī)院感染的主要原因，由于嚴重的多藥耐藥性和泛藥耐藥性，已被世界衛(wèi)生組織定義為需要關鍵/高度優(yōu)先應對的病原體。此外，血腦屏障（BBB）會阻止幾乎100%的大分子和98%的小分子進入大腦，使腦膜炎的治療尤為困難。因此，亟需開發(fā)新型抗菌藥物應對這一全球公共衛(wèi)生威脅。宿主防御肽（HDPs）及其模擬物因其不易誘導耐藥性的優(yōu)點，被視為極具前景的抗耐藥菌感染候選藥物，但常因廣譜抗菌活性弱或無法穿透血腦屏障等問題，而難以用于細菌性腦膜炎治療研究。因此，設計兼具高效抗ESKAPE活性和穿透血腦屏障性能的HDP模擬物，對于包括腦膜炎在內的ESKAPE感染治療具有重要意義。

  本研究中，劉潤輝教授課題組提出“雙胍可作為新型宿主防御肽模擬物側鏈正電荷基團”的策略，基于雙胍官能團高電荷密度與強磷脂結合力的特性，實現了雙胍化聚合物對ESKAPE耐藥菌的高效廣譜破膜殺菌性能，且長期處理不會誘導細菌產生耐藥性與交叉耐藥性。基于此策略設計的雙胍化多肽模擬物在皮膚傷口感染、皮下感染、腎臟感染和腹膜炎等多種動物感染模型中均展現出優(yōu)異的治療效果。更重要的是，雙胍化多肽模擬物能夠通過轉胞吞穿透血腦屏障，有效治療耐藥細菌性腦膜炎。該研究為設計新型抗ESKAPE藥物和治療包括腦膜炎在內的耐藥菌感染提供了創(chuàng)新策略。

  2025年12月9日，該研究成果以“Biguanide-functionalized peptide mimics effectively combat drug-resistant ESKAPE pathogens and meningitis”為題發(fā)表在Nature Communications（Nat. Commun. 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-67044-5）。劉潤輝教授和武月銘副教授是論文的通訊作者。

  宿主防御肽因其廣譜抗菌活性和不易誘導抗菌耐藥性的特點，已被廣泛研究作為潛在的抗生素抗感染替代品。然而，宿主防御肽固有的局限性限制了其應用，如蛋白酶穩(wěn)定性低、成本高和合成繁瑣。因此，宿主防御肽模擬物已被廣泛研究，旨在解決耐藥細菌感染問題。然而，受到抗菌和穿透血腦屏障性能的限制，目前關于治療細菌性腦膜炎的報道很少。宿主防御肽及其模擬物的側鏈通常具有胺基或胍基陽離子基團，通過正電荷基團與帶負電荷的細菌膜磷脂的初始相互作用，從而進一步發(fā)揮破膜抗菌活性（圖1a）。然而，利用這兩種基團一般難以實現高效抗ESKAPE活性和血腦屏障穿透能力的雙功能活性。

  在本研究中，劉潤輝教授課題組提出雙胍可作為宿主防御肽模擬物的一種新型正電荷基團。研究發(fā)現，雙胍基的頭部正電荷密度高于胺基和胍基，且平面、共軛陽離子結構使其能夠同時向細菌膜磷脂的陰離子磷酸頭部基團提供兩個氫鍵（圖1）。這種雙位點結合產生了協(xié)同的靜電相互作用和雙齒氫鍵，能夠顯著增強膜結合親和力與破壞效率。更高的局域正電荷密度也使基于雙胍的分子能更有效地與血腦屏障的帶負電荷內腔表面發(fā)生初始靜電相互作用，從而可能通過吸附介導的胞吞作用增強其血腦屏障穿透效率。基于雙胍的優(yōu)選聚合物表現出出色的廣譜抗ESKAPE活性和穿透血腦屏障性能，在包括腦膜炎在內的多種局部和全身感染動物模型中都展現出優(yōu)異的治療效果。

圖1：設計兼具廣譜抗ESKAPE活性和穿透血腦屏障性能的雙胍化多肽模擬物。

  本研究首先通過噁唑啉單體的聚合以及一步后修飾，得到了具有不同側鏈間隔基的雙胍化聚噁唑啉，并探究了一系列聚噁唑啉的抗ESKAPE活性和哺乳動物細胞以及血紅細胞毒性。其中側鏈間隔基為丙基的雙胍化聚噁唑啉對幾十株臨床分離耐藥ESKAPE均表現出高效抗菌活性，同時具有較好的生物相容性（圖2）。此外，該優(yōu)選雙胍化聚噁唑啉能夠有效清除更加耐藥的持留菌和成熟生物被膜。

圖2：雙胍化聚噁唑啉的合成、表征和體外抗菌性能研究。

  優(yōu)選雙胍化聚噁唑啉能夠能夠有效破壞細菌細胞膜，從而殺死細菌（圖3）。通過對比氨基聚噁唑啉、胍基聚噁唑啉和雙胍基聚噁唑啉對細菌細胞膜的影響，發(fā)現雙胍化聚噁唑啉能夠更加有效的造成膜去極化和膜電位紊亂，從而降低膜剛度，進一步擾亂細菌的內外pH平衡，導致關鍵的代謝功能障礙，特別是質子動力的耗散（圖4）。通過ITC結合和紫外-可見光譜表征發(fā)現，雙胍基相比于氨基和胍基對細菌細胞膜上帶負電的磷脂酰甘油表現出更高的親和力，且添加外源性磷脂酰甘油能夠特異性的降低雙胍化聚噁唑啉的廣譜抗菌活性，這表明雙胍化聚噁唑啉能夠有效結合細菌膜上的磷脂酰甘油，從而達到破壞細菌細胞膜的目的。此外，雙胍化聚噁唑啉能夠選擇性的破壞模擬細菌細胞膜的PG&PC大單層囊泡（LUVs），造成鉀離子泄露，而對模擬哺乳動物細胞膜的PC大單層囊泡無影響，進一步驗證了雙胍化聚噁唑啉的高效選擇性抗菌性能（圖5）。

圖3：雙胍化聚噁唑啉的破膜抗菌機制。

圖4：雙胍化聚噁唑啉對細菌細胞膜的影響。

  對雙胍化聚噁唑啉的耐藥性發(fā)展進行了深入研究。結果顯示，經過32代的持續(xù)刺激，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均未對雙胍化聚噁唑啉產生任何耐藥性（圖5）。相比之下，在相同條件下的抗生素對持續(xù)刺激后的細菌產生了高達512倍的耐藥性增長。此外，雙胍化聚噁唑啉刺激后的細菌并未對各類傳統(tǒng)抗生素產生交叉耐藥性，而抗生素刺激后的細菌對其他抗生素表現出了廣泛的交叉耐藥。通過對長期刺激后的細菌進行RNA-SEQ分析，發(fā)現雙胍化聚噁唑啉相比于抗生素，導致了更少的差異表達基因表達，甚至能夠抑制細菌外排相關基因表達，表明具有破膜抗菌機制的雙胍化聚噁唑啉具有極低的耐藥性風險，遠遠優(yōu)于臨床抗生素。

圖5：雙胍化聚噁唑啉的耐藥性發(fā)展與RNA-SEQ分析。

  雙胍化聚噁唑啉在多種耐藥細菌感染模型中展現出出色的體內抗菌療效。在皮膚傷口模型和皮下膿腫模型中，雙胍化聚噁唑啉能夠有效的降低感染部位的菌落復合，療效與萬古霉素等抗生素相當甚至略優(yōu)（圖6）。在腎臟感染模型中，雙胍化聚噁唑啉使腎臟細菌負荷降低超過2個對數級，并能有效緩解腎臟病理損傷。在金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大腸桿菌和鮑曼不動桿菌誘導的致死性腹膜炎模型中，單次注射雙胍化聚噁唑啉即可將感染小鼠的存活率提升83%~100%，且在主要器官、血液和腹腔液中實現最高7個對數級的細菌清除，顯著緩解各器官病變。這些結果顯示雙胍化聚噁唑啉在局部和全身性感染動物模型中均具有明顯治療效果，與臨床一線抗生素相當，為耐藥微生物感染治療提供了新的解決方案（圖7）。

圖6：雙胍化聚噁唑啉的體內抗菌活性研究。

圖7：雙胍化聚噁唑啉治療腹膜炎模型療效研究。

  雙胍化聚噁唑啉能夠通過巨胞飲作用和網格蛋白介導的內吞來有效穿透組成血腦屏障的腦內皮細胞，從而分布在胞內溶酶體中，并進一步被胞吐出胞外，這一連續(xù)的轉胞吞行為使得雙胍化聚噁唑啉在模擬血腦屏障的體外transwell模型中表現出高效的轉運率，證明了穿透血腦屏障的潛力（圖8）。進一步的體內研究表明，雙胍化聚噁唑啉能夠有效穿透小鼠和斑馬魚的血腦屏障，從而分布在腦部區(qū)域發(fā)揮作用。在細菌性腦膜炎模型中，雙胍化聚噁唑啉可有效提高感染小鼠的存活率，并降低腦部的菌落復合以及炎癥發(fā)現，高效治療腦膜炎（圖9）。此外，小鼠對雙胍化聚噁唑啉的最大耐受劑量可達到300mg/kg，并且?guī)缀醪挥绊懶∈篌w重和各項血液生化指標等參數，表現出優(yōu)秀的體內安全性。本研究為研發(fā)高效抗耐藥菌和穿透血腦屏障的宿主防御肽模擬物提供了新思路。

圖8：雙胍化聚噁唑啉穿透鬧內皮細胞和血腦屏障研究。

圖9：雙胍化聚噁唑啉治療細菌性腦膜炎療效和安全性研究。

  該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、材料生物學與動態(tài)化學教育部前沿科學中心等基金的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67044-5