第一作者：伍凡

通信联系人：刘勇

单位：南开大学

文章重要内容

     南开大学史林启/刘勇团队设计并构筑了一种主链含有大豆苷元的三嵌段聚-β-氨基酯(Dai-encapsulating poly-β-amino ester, D-PAE)。D-PAE纳米药物的叔胺片段在细菌感染的酸性环境中能够质子化，转变为正电荷；同时，感染部位高表达的细菌酯酶能够水解其主链中的酯键，释放出Dai，从而发挥高效的抗菌和消炎作用。体外与体内实验表明，D-PAE纳米药物相比于纯药具有更高的生物活性，并且表现出良好的生物相容性。

文章背景

       细菌感染常伴随炎症反应，这是机体防御的重要机制，但过度炎症可损伤组织并引发慢性病。因此，治疗时需兼顾杀菌与控炎。单一抗生素治疗虽能清除细菌，但若炎症持续，仍可能导致并发症；而仅消炎又可能引发感染复发或耐药。纳米药物在治疗细菌感染和炎症中展现出优势，其纳米尺寸便于穿透生物屏障，提高药物靶向性和生物利用度。纳米载体还能同时递送抗生素与抗炎药，实现协同治疗，并通过环境响应机制精准释放。此外，一些纳米材料本身具有抗菌和抗炎活性，有助于降低抗生素用量和耐药风险。聚合物前药则通过将活性药物与聚合物连接，改善药物水溶性、稳定性及半衰期，实现靶向递送和可控释放。目前多采用将药物作为侧链的方法，因合成简便且能保留药效；而以药物作为主链的聚合物较少，因面临较高的合成难度和稳定性挑战，因此需要开发新的聚合策略以推动其应用。

文章概述

       本研究中，史林启/刘勇团队采用丙烯酸酯化聚乙二醇、4,4′-亚甲基二哌啶和丙烯酸酯修饰的大豆苷元(Daidzein, Dai)为单体，经过一锅法合成了三嵌段聚-β-氨基酯(Dai-encapsulating poly-β-amino ester, D-PAE)。该聚合物由亲水性的聚乙二醇段、电荷可逆的叔胺段以及含大豆苷元、可酯酶水解的疏水段组成。当分散于水相中时，D-PAE能够自组装形成纳米颗粒。在细菌感染部位的酸性环境下，纳米颗粒表面电荷转变为正电荷，从而增强与带负电荷细菌的静电吸附。此外，由于感染区域代谢活跃，酯酶水平较高，细菌分泌的酯酶可促进聚合物中酯键水解，触发大豆苷元释放，发挥抑菌和抗炎作用(图1)。本研究策略有望克服大豆苷元水溶性差、生物利用度低及易氧化等问题，实现其在感染部位的靶向递送与按需释放。

图1 D-PAE的合成路线示意图、在酸性微环境中的电荷反转过程及其在细菌脂肪酶触发下的药物释放机制。

       采用动态光散射(DLS)测试，D-PAE胶束水合粒径约150 nm，粒径分布窄(PDI：0.098) (图2a)，透射电镜(TEM)观察证实其球形结构且粒径一致(图2b)。酸性环境(pH 6.5)对粒径和形貌无明显影响。正常的生理pH条件(pH 7.4)下，胶束呈负电荷(ζ电位-12 mV)，而在酸性条件下转为正电荷(ζ电位20 mV) (图2c)，与前期报道一致。在pH 7.4无脂肪酶条件下，Dai释放缓慢，48小时释放量不足20%，主要源自聚合物自降解。在脂肪酶存在下，药物释放显著加快，12小时内释放量达60%(图2d)，表明脂肪酶能有效促进药物释放。杀菌实验表明，D-PAE胶束显著提高Dai的杀菌活性，4小时内杀菌率由90%提升至99.9%(图2e)，可能由于胶束增强了局部药物浓度并实现快速释放。鉴于Dai本身杀菌活性较弱，后续可考虑与抗生素联合使用。细胞毒性实验显示，即使Dai浓度高达200 µg/mL，D-PAE胶束对BMDMs细胞无明显毒性(图2f)，展现良好生物相容性。

图2 (a) 在pH 7.4和pH 6.5条件下，采用动态光散射测得的D-PAE纳米颗粒(NPs)粒径分布。(b) 在pH 7.4和pH 6.5条件下D-PAE纳米颗粒的代表性透射电子显微镜(TEM)图像。(c) D-PAE纳米颗粒在不同pH条件下的ζ电位变化(n=3组独立样本)。(d) 在有无细菌脂肪酶条件下，D-PAE纳米颗粒的累积Dai释放曲线(n=3组独立样本)。(e) S. aureus Xen36经PBS、Dai或D-PAE纳米颗粒(Dai浓度为100 µg/mL)处理4小时后的菌落形成单位(CFU)计数。(f) 不同Dai浓度下，BMDMs经D-PAE纳米颗粒处理后的细胞活性评估(以PBS处理组活性设为100%)。

       进一步构建了S. aureus诱导的腹膜炎感染模型。在感染24 h后进行腹腔给药，并评估腹水及各主要器官中的细菌存活率以及促炎和抗炎细胞因子的表达水平(图3a)。结果显示，D-PAE显著减少了腹水及各器官中的细菌数量，特别是在腹水和肾脏组织中, D-PAE胶束实现了高达5个log值的杀菌效率(图3b)。此外，D-PAE胶束治疗后，抗炎细胞因子IL-10的表达显著上调，而促炎细胞因子IL-6和TNF-α的表达显著下调(图3c)，这主要归因于D-PAE胶束高效清除细菌感染，从而使小鼠体内的炎症反应恢复至稳态。

图3 (a) 实验流程示意图。(b) 腹膜感染模型中，不同处理组小鼠腹水及心脏、肝脏、脾脏、肺脏和肾脏组织中的菌落形成单位(CFU)计数。(c) 腹膜感染模型中，不同处理组小鼠体内IL-10、IL-6和TNF-α的表达水平。

本研究基于Michael加成反应成功合成了主链含药的D-PAE聚合物，并在水相中自组装形成纳米药物。D-PAE在感染部位酸性环境下可电荷转变，增强与细菌的结合，并在高脂肪酶条件下响应性释放Dai，发挥抗菌和消炎作用。小鼠腹腔感染模型验证了其良好的治疗效果与生物相容性。本研究为聚合物前药的设计与应用提供了新策略。论文第一作者为南开大学与荷兰格罗宁根大学联合培养博士生伍凡，通信联系人为刘勇教授。

刘勇，南开大学药物化学生物学全国重点实验室研究员，博导；研究领域为具有生物活性的分子材料设计、合成及自组装，研究其在克服细菌耐药方面的应用；主持青年科学基金项目(B类) [原优秀青年科学基金项目]、浙江省杰出青年基金等项目10余项；近年来，以第一作者或通讯作者发表论文90余篇，申请发明专利30余项，其中10项获得授权；获中国化学会高分子青年学者奖、浙江省科技进步二等奖、江苏省“双创博士”、温州市“瓯越海智计划”人才以及国家优秀自费留学生奖学金等称号和奖励；担任Colloids and Surface B: Biointerfaces杂志副主编。

伍凡, 李圆凤, 史林启, 刘勇.