《Virulence》：Antibacterial efficacy and mechanism of the novel antimicrobial peptide lachnospirin-1 against Acinetobacter baumannii
编辑推荐：
面对碳青霉烯耐药鲍曼不动杆菌（CRAB）感染治疗的全球性难题，本研究筛选并合成了新型抗菌肽lachnospirin-1。研究发现，该抗菌肽不仅能高效杀灭CRAB及其生物膜与持留菌，而且通过破坏细菌细胞膜、中和脂多糖（LPS）及诱导氧化应激等多重机制发挥抗菌作用，并在小鼠模型中展现出良好的安全性和显著的体内杀菌效果，为治疗CRAB引起的难治性感染提供了极具前景的候选药物。
在医院里，有一种被称为“超级细菌”的病原体正让医生们感到头痛，它就是碳青霉烯耐药的鲍曼不动杆菌（CRAB）。这种细菌不仅容易引发肺炎、脑膜炎、败血症等多种严重感染，更棘手的是，它对包括碳青霉烯类在内的多种抗生素都产生了强大的抵抗力，使得可供选择的治疗药物寥寥无几。世界卫生组织（WHO）已在2024年将其列为“关键优先病原体”，凸显了其带来的严峻公共卫生挑战。更糟糕的是，鲍曼不动杆菌还善于形成一层保护性的生物膜，并产生处于“休眠”状态的持留菌，这些特性使得常规抗生素更难将其根除，导致感染迁延不愈。因此，全球科学家都在迫切寻找能够有效对抗CRAB的新武器。
在此背景下，一类源于自然界、名为抗菌肽（AMPs）的分子进入了研究者的视野。与传统的单一靶点抗生素不同，抗菌肽通常通过多种方式杀灭细菌，且不易诱发细菌耐药，是极具潜力的新一代抗菌候选药物。然而，天然抗菌肽的稳定性等问题限制了其应用。近年来，借助人工智能和数据库筛选，科学家们能够更高效地发现和设计新型抗菌肽。本项发表在《Virulence》期刊上的研究，正是基于这一思路，从一个名为AMPSphere的公共数据库中筛选出一种名为lachnospirin-1的合成抗菌肽，并对其抗CRAB的效力、作用机制和安全性进行了全面而深入的探究。
研究人员开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：通过体外最小抑菌浓度（MIC）测定、时间-杀菌曲线、生物膜根除实验（包括结晶紫染色、XTT还原法）和持留菌杀灭实验，系统评估了lachnospirin-1的抗菌表型。利用透射电子显微镜（TEM）、多种荧光探针（如NPN、PI、SYTOX Green、DiSC3(5)、Laurdan）检测、荧光标记肽追踪以及全原子分子动力学模拟，深入探究了其对细菌细胞膜结构和功能的影响。通过等温滴定量热法（ITC）和分子对接分析了抗菌肽与脂多糖（LPS）的特异性结合。使用DCFH-DA及HK系列特异性探针检测细胞内活性氧（ROS）水平，并利用ROS清除剂验证了氧化应激在其抗菌机制中的作用。最后，通过小鼠皮下脓肿模型和伤口感染模型，评估了其体内抗菌效果，并通过血液学、生化指标检测及主要器官病理切片观察，评价了其体内外安全性。
研究结果
lachnospirin-1对CRAB及其生物膜具有有效的抗菌效力
研究首先从数据库筛选出三种抗菌肽，经MIC和溶血实验评估，最终选定兼具高效抗菌活性和极低红细胞毒性的lachnospirin-1进行后续研究。该肽对包括临床分离株AB1069在内的多种CRAB菌株表现出显著的快速杀菌活性，其半数致死浓度（LC50）低至0.1–1.8 μM。更重要的是，lachnospirin-1在1 μM浓度下即可有效清除已形成的生物膜，效果优于阳性对照药物多粘菌素B（PolyB）。同时，它对常规抗生素（如链霉素、妥布霉素）难以杀灭的持留菌也表现出优异的清除能力。这些结果通过活/死菌染色、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察和菌落计数得到了证实。
lachnospirin-1破坏细胞膜并特异性结合脂多糖
机制研究部分揭示了lachnospirin-1的核心作用方式。透射电镜观察显示，经lachnospirin-1处理的细菌细胞膜发生明显破损，内容物泄漏。多种膜通透性荧光探针（PI、SYTOX Green、DiSC3(5)）检测结果一致表明，该肽能快速破坏细菌外膜和内膜的通透性，并导致膜去极化。分子动力学模拟结果直观地显示，lachnospirin-1能够紧密结合并插入主要由DOPC和DOPG模拟的细菌细胞膜中，而几乎不与模拟哺乳动物细胞膜的POPC/胆固醇膜结合，这解释了其选择性毒性。竞争抑制实验进一步发现，lachnospirin-1主要作用于带负电的磷脂（如POPG）和心磷脂（CL）。尤为关键的是，研究通过分子对接和等温滴定量热法（ITC）首次证实，lachnospirin-1能以3.8 μM的解离常数（Kd）值直接、特异性地结合革兰氏阴性菌特有的外膜成分——脂多糖（LPS）。这可能是其靶向并破坏细菌外膜的第一步。
lachnospirin-1诱导氧化应激导致ROS积累
除了膜破坏机制，研究还发现了lachnospirin-1的第二种抗菌途径。检测发现，经该肽处理的细菌细胞内三磷酸腺苷（ATP）水平剂量依赖性下降，而活性氧（ROS）水平显著升高。通过使用HKperox-2、HKSOX-1和HKOH-1 r等特异性探针进行组分分析，确定增加的ROS主要是过氧化氢（H2O2）。当在体系中加入还原型谷胱甘肽（GSH）或硫脲等ROS清除剂后，lachnospirin-1的抗菌活性被显著削弱，证明诱导氧化应激是其发挥抗菌作用的重要机制之一。
lachnospirin-1具有有效的体内抗菌效力
为了验证其在复杂生命体内的效果，研究团队建立了小鼠皮下脓肿模型和伤口感染模型。在这两种模型中，局部施用lachnospirin-1均能显著降低感染部位的细菌载量，减轻组织炎症浸润，并降低肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）和白介素-6（IL-6）等促炎细胞因子的水平。组织病理学（H&E）染色结果也显示，治疗组的炎症反应得到明显控制。
lachnospirin-1的安全性评估
安全性是药物转化的关键。即使在高达256 μM的浓度下，lachnospirin-1对人红细胞的溶血率也极低。在小鼠体内毒性实验中，腹腔注射20 mg/kg剂量的lachnospirin-1后，小鼠的肝肾功能血液标志物与对照组相比无显著差异，心、肝、脾、肺、肾等主要器官的病理切片也未观察到异常病变，表明其具有优良的体内外安全性。
研究结论与意义
本研究系统性地阐明，新型合成抗菌肽lachnospirin-1是一种对抗碳青霉烯耐药鲍曼不动杆菌（CRAB）的强效、多机制、高安全性的候选药物。它不仅能快速杀灭浮游状态的CRAB，还能有效清除其形成的生物膜和持留菌，解决了临床治疗中的两大难点。其抗菌机制具有多重性：首先通过特异性结合细菌外膜的脂多糖（LPS）并靶向带负电的膜磷脂，破坏细胞膜完整性；同时还能诱导细菌内发生氧化应激，导致过氧化氢（H2O2）等活性氧（ROS）大量积累，共同导致细菌死亡。这种多管齐下的作用模式使得细菌难以通过单一突变产生耐药性，降低了耐药风险。
尽管在生理盐离子环境中其活性会受到一定影响，后续仍需进行结构优化以提升稳定性，但lachnospirin-1在血清中保持稳定，并在小鼠感染模型中展现出卓越的疗效和极佳的安全性，为其进一步的临床前开发奠定了坚实的基础。综上所述，这项研究不仅为抗击“超级细菌”CRAB的感染提供了一条充满希望的新途径，也印证了基于人工智能和数据库筛选发现新型抗菌肽这一策略的可行性与巨大潜力。lachnospirin-1有望发展成为治疗多重耐药革兰氏阴性菌，特别是CRAB引起的难治性感染的新型先导化合物。
