抗生素的发现是医学上的一个巨大突破,挽救了无数生命。不幸的是,它们的广泛使用导致了高度抗性细菌菌株的快速进化,这有可能使人类在与传染病的斗争中回到原点。尽管研究人员正在寻求抗菌药物的新设计理念,但目前新药物的整体开发正在下降。

药物设计新策略:含铜聚合物成功提高过氧化氢活性

为了解决这个严重的问题,日本东京理科大学的科学家们正在探索一种新方法来提高过氧化氢 (H2O2 ) 的体内抗菌活性,这是一种常用的消毒剂。在最近发表在Macromolecular Rapid Communications 上的一项研究中,由助理教授 Shigehito Osawa 和 Hidenori Otsuka 教授领导的团队报告说,他们使用精心定制的含铜聚合物成功提高了H2O2 的活性。


要了解他们的方法,首先要了解H2O2 如何对细菌起作用,以及铜所起的作用。H2O2 可分解为羟基自由基(OH)和氢氧根阴离子(OH-),前者对细菌有剧毒,因为它很容易破坏某些生物分子。处于第一个氧化态 Cu(I) 的铜可以催化H2O2分解为羟基自由基和氢氧根阴离子,在此过程中通过氧化转化为 Cu(II)。奇怪的是,H2O2 也可以催化 Cu(II) 还原为 Cu(I),但前提是该反应以某种方式促进。实现这一目标的一种方法是让含 Cu(II) 的配合物靠得足够近。

药物设计新策略:含铜聚合物成功提高过氧化氢活性

然而,当使用溶解在溶液中的含铜 (II) 配合物时,使它们靠近的唯一方法是意外碰撞,这需要过高浓度的铜。该小组发现了一个解决方法,这个问题由细胞化学汲取灵感,为大泽博士解释说,在活的有机体,铜形成复合物与蛋白质来有效地催化氧化还原反应。例如,酪氨酸酶有两个铜复杂的网站。接近至彼此,这促进了氧物质和铜络合物之间反应中间体的形成。我们认为我们可以在人工生产的具有铜络合物的聚合物中利用这种类型的机制,即使分散在溶液中也是如此。


有了这个想法,研究人员开发了一种长聚合物链,其中二吡啶甲胺 (DPA) 作为含铜配合物。这些 DPA-铜配合物作为“侧基”连接到长聚合物主链上。当这些聚合物分散在溶液中时,侧基中的 Cu(II) 原子保持紧密接近并保持局部高密度,大大增加了其中两个原子足够接近以通过以下方式还原为 Cu(I) 的机会H2O2。通过各种实验,科学家们证明使用这些特制的聚合物可以提高分解H2O2 的催化活性,即使对于较低浓度的铜,也会产生更多的 OH。使用大肠杆菌培养物进行的进一步测试表明,这些聚合物极大地增强了H2O2 的抗菌潜力。


虽然这项研究的结果为抗菌药物开辟了一条新的设计途径,但在食品工业中也可能有有用的应用。由于铜是生物体的必需营养素,因此本研究中开发的抗菌剂有望成为一种有效的食品防腐剂,有助于增加可以长时间保存的食品种类,Osawa 博士强调说。我们希望这个新策略能让我们更容易地阻止微观威胁。


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