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  抗生素耐藥性目前對全球公眾健康以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大威脅。為了發(fā)展出低耐藥性的抗菌藥物，許多研究者將目光投向了膜靶向的抗菌高分子化合物。這一領(lǐng)域先前的研究主要集中在抗菌聚合物的結(jié)構(gòu)篩選和構(gòu)效關(guān)系研究上，以期能夠獲得具有更好治療指數(shù)（TI）的聚合物。這些研究取得了很多成果，但由于真核細(xì)胞和細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的相似性，很難保證這些抗菌高分子完全不破壞真核細(xì)胞的細(xì)胞膜，因此這類抗菌劑的應(yīng)用和開發(fā)受到了很大的限制。

  針對這一問題，馮欣欣、白玉罡教授課題組利用細(xì)菌DNA位于無膜保護(hù)的擬核中，而真核生物的DNA受到核膜的保護(hù)這一物種差異性，提出了“雙重機(jī)理”策略來提升抗菌高分子的選擇性，即在抗菌聚合物的分子結(jié)構(gòu)中引入除細(xì)胞膜以外靶向細(xì)菌DNA的第二重抗菌機(jī)制，這種額外的、具有更好選擇性的抗菌機(jī)制能同膜靶向機(jī)制結(jié)合起來，在保證抗菌效果的前提下降低其真核細(xì)胞毒性�；诖耍撜n題組率先報(bào)導(dǎo)了一種寡聚脒類聚合物，該寡聚物能夠選擇性地破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性，同時選擇性地只與細(xì)菌DNA結(jié)合，從而通過雙重選擇性機(jī)理得到更高的治療指數(shù)。

抗菌寡聚脒類聚合物的設(shè)計(jì)與合成。

  首先，該研究團(tuán)隊(duì)選擇了雙脒結(jié)構(gòu)作為結(jié)合DNA溝槽結(jié)構(gòu)，從而獲得了一個既提供陽離子，也能夠綁定DNA溝槽的聚合物。同時，這種通過縮聚方式合成的寡聚脒的分子量也足夠大，令其無法進(jìn)入真核細(xì)胞的細(xì)胞核。該團(tuán)隊(duì)利用對苯二甲亞胺酸乙酯和各種二胺縮聚合成了一系列寡聚脒類聚合物，經(jīng)過初步的抗菌以及溶血性能篩選，從一系列的寡聚物中選擇了效果最好的化合物——寡聚物3進(jìn)行進(jìn)一步的研究。經(jīng)過一系列耐藥性細(xì)菌的抑菌以及殺菌實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步確定了寡聚物3在體外具有優(yōu)異的抗菌活性以及生物安全性。

  隨后，研究團(tuán)隊(duì)對寡聚物3的抗菌機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過SEM、流式細(xì)胞術(shù)、進(jìn)胞機(jī)理等一系列實(shí)驗(yàn)，確定了寡聚物3可以選擇性地破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜。隨后利用DNA拯救實(shí)驗(yàn)、熒光競爭實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算化學(xué)方法等進(jìn)一步證明了寡聚物3能夠特異性結(jié)合DNA小溝。

（A） 寡聚物3處理大腸桿菌（K12）（上）和MDR Acinetobacter baumannii -1（下）有明顯的膜損傷 （B）大腸桿菌和3T3細(xì)胞的碘化丙啶(PI)膜透性試驗(yàn)表明寡聚物3選擇性破壞細(xì)菌細(xì)胞膜。（C）寡聚物3的細(xì)胞內(nèi)化機(jī)制。（D） 外源添加DNA抑制寡聚物3的活性。（E） 熒光競爭實(shí)驗(yàn)表明寡聚物 3能夠結(jié)合DNA小溝槽.

  在證明了寡聚物3能夠選擇性破壞細(xì)菌細(xì)胞膜以及結(jié)合DNA后，研究團(tuán)隊(duì)對寡聚物3在細(xì)菌和真核細(xì)胞的DNA選擇性上又進(jìn)行了深入的研究。通過熒光標(biāo)記的寡聚物3在細(xì)菌和哺乳動物細(xì)胞中的分布，研究團(tuán)隊(duì)證明了寡聚物3能夠特異性與細(xì)菌DNA結(jié)合，同時無法進(jìn)入哺乳動物細(xì)胞核。并且研究團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步通過RT-PCR實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)錄組分析以及Western blot實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)錄和翻譯層面證明了寡聚物3的選擇性。

（A） DAPI、FM4-64和3-FITC染色的細(xì)菌和哺乳動物細(xì)胞共聚焦顯微圖像。（B）染色細(xì)菌和哺乳動物細(xì)胞的二維熒光強(qiáng)度直方圖。（C）膜和DNA染色與3-FITC染色的Pearson’s相關(guān)系數(shù)R。（D） 寡聚物3選擇性激活細(xì)菌內(nèi)的管家基因。（E） 寡聚物3選擇性抑制細(xì)菌蛋白表達(dá)。(F) 鮑曼不動桿菌經(jīng)寡聚物3處理后的差異表達(dá)分析熱圖。(G)鮑曼不動桿菌經(jīng)寡聚物3處理后的轉(zhuǎn)錄組結(jié)果火山圖。

  研究團(tuán)隊(duì)在后續(xù)的一系列復(fù)雜感染模型中，包括細(xì)胞感染、血液感染等都證明了寡聚物3能夠有效殺滅復(fù)雜模型中的細(xì)菌同時保護(hù)細(xì)胞不受傷害。同時，由于寡聚物3仍然具有膜靶向機(jī)理，它和傳統(tǒng)抗菌聚合物一樣，具有不易產(chǎn)生耐藥性這一特性。在后續(xù)的動物實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了線蟲感染模型、小鼠皮膚膿腫模型以及小鼠外切傷口模型，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明寡聚物3能夠有效殺滅創(chuàng)面和動物體內(nèi)的細(xì)菌，大大提高受到嚴(yán)重細(xì)菌感染的動物的存活率，并且在治療過程中未對動物機(jī)體產(chǎn)生明顯的毒性。

（A）寡聚物3在不同細(xì)菌的線蟲感染模型中療效。（B） 小鼠皮膚膿腫感染模型中不同藥物處理的存活率。（C）小鼠外切傷口模型中不同藥物處理的存活率。（D） 小鼠外切傷口模型中，寡聚物3能顯著減少感染區(qū)域的細(xì)菌數(shù)量。（E） 小鼠外切傷口模型中，寡聚物3可以有效地抑制被感染老鼠各個器官中的細(xì)菌繁殖。（F）組織免疫組織學(xué)切片圖像。

  總體來說，該研究團(tuán)隊(duì)通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出了首例具有雙重選擇作用機(jī)制的抗菌寡聚脒類聚合物，為具備高性能、低毒性、低耐藥性的抗菌高分子的開發(fā)提供了新的策略。以上研究成果發(fā)表在Science Advances 上（DOI: 10.1126/sciadv.abc9917）。論文的第一作者為湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院馮欣欣、白玉罡課題組聯(lián)培博士生白思蕾，共同第一作者為湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院白玉罡課題組博士生王建雪，湖南大學(xué)生物學(xué)院馮欣欣課題組碩士生楊凱玲，通訊作者為湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院馮欣欣副教授和白玉罡教授。

  原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabc9917