华东理工大学研究生，华东理工大学研究生院
刘润辉教授近年来在模拟天然蛋白/多肽功能的合成高分子生物材料领域开展系统性研究，围绕着功能多肽高分子合成，治疗耐药菌感染和组织工程开展生物材料相关研究。2022年，刘润辉教授的主要研究成果先后发表在Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Sci.，Adv. Funct. Mater.，CCS Chem.，以及J. Med. Chem.等期刊。
1. J. Am. Chem. Soc.：设计宿主防御肽模拟物新策略用于治疗耐药菌感染
多肽序列中的阳离子氨基酸是宿主防御肽具有抗菌活性关键，如赖氨酸和精氨酸。因此，目前宿主防御肽模拟聚合物的结构设计中一般引入赖氨酸的伯胺结构或精氨酸的胍基结构以获得有效抗菌的阳离子聚合物。而在此项研究中，刘润辉教授等人发现仲胺也可以作为一类阳离子用于模拟宿主防御肽的结构设计，并通过仲胺作为阳离子基团的β多肽聚合物模拟天然宿主防御肽获得高效抗菌活性和优异抗菌选择性。该研究设计合成一系列侧链中碳原子个数相同但氨基种类不同的β多肽聚合物（伯胺、仲胺、叔胺）用于探究非伯胺类的氨基结构是否能赋予宿主防御肽模拟聚合物优异的抗菌效果。优选出的仲胺β多肽均聚物展现出对多种耐药菌高效抗菌活性、低溶血与低细胞毒性；此外还可实现实现快速杀菌，且连续使用未发现细菌产生耐药性；优选仲胺β多肽均聚物杀菌机理有可能与宿主防御肽相似，通过作用于细菌细胞膜杀菌。此外仲胺β多肽均聚物在小鼠全皮层感染模型和角膜炎模型中其展现出治疗体内MRSA感染的潜力。这一结构设计新思路对今后模拟宿主防御肽研究具有启发意义。相关成果以Research Article形式发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）。
图2 设计带有可变胺侧基团的β肽聚合物。
参考文献：
Secondary Amine Pendant β-Peptide Polymers Displaying Potent Antibacterial Activity and Promising Therapeutic Potential in Treating MRSA-induced Wound Infections and Keratitis.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10659
2.Angew. Chem. Int. Ed.：短链长胍基化聚（2-噁唑啉）展现高效抗耐药真菌感染治疗效果
受细胞穿透肽启发，刘润辉教授等人发现胍基化的短链长聚（2-噁唑啉）即可有效穿透真菌细胞膜进入细胞实现高效抗耐药真菌功能，并展现了出色的体内抗真菌感染治疗效果。优选化合物的胍基化短链长聚（2-噁唑啉）PGO10展现出高效的抗真菌活性以及可忽略不计的溶血毒性与细胞毒性，且连续使用聚合物刺激真菌未发现获得耐药性。机理研究中表明侧链胍基聚合物PGOx10进入真菌细胞内部破坏真菌细胞器的完整性，从而杀死真菌。优选胍基化聚（2-噁唑啉）在小鼠真菌皮肤擦伤感染模型、眼角膜感染模型以及系统感染模型中都表现有效的抗感染治疗效果，展示了突出的体内抗真菌感染治疗潜力。相关成果以Research Article形式发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.），并被选为VIP论文。
图3 胍基化聚（2-噁唑啉）的设计。
参考文献：
Short Guanidinium-Functionalized Poly(2-oxazoline)s Displaying Potent Therapeutic Efficacy on Drug-Resistant Fungal Infections.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202200778
3. Adv. Sci.：微生物代谢物启发的新型抗真菌β-多肽聚合物
微生物代谢产物作为抗菌药物的丰富来源受到广泛关注。在本研究中，刘润辉教授等人通过模拟小白链霉菌代谢物ε-聚赖氨酸，设计合成了一类结构简单，抗真菌活性和选择性高的抗真菌β-多肽聚合物，聚（DL-二氨基丙酸）（PDAP）。优选链长聚合物PDAP20对各种念珠菌和隐球菌具有强效的抗真菌活性，同时具有较低的毒性。连续使用PDAP20刺激念珠菌未产生耐药性。机理研究表明PDAP20首先富集到负电性的真菌膜上，随后渗透到真菌细胞内，引起活性氧的产生和真菌凋亡。动物实验结果表明PDAP20能有效治疗小鼠真菌性角膜感染，能够显著缓解眼部溃疡并大幅减少眼部菌落数。相关成果以Research Article形式发表在《先进科学》（Adv. Sci.）。
图4 模拟小白链霉菌代谢物ε-聚赖氨酸，设计合成了抗真菌活性和选择性高的抗真菌聚合物。
参考文献：
Microbial Metabolite Inspired β-Peptide Polymers Displaying Potent and Selective Antifungal Activity.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202104871
4. Adv. Funct. Mater.：多肽聚合物掺杂的骨水泥可有效治疗MRSA感染引起的慢性骨髓炎
慢性骨髓炎是一种常见的骨科感染疾病，其治疗往往需要多次手术和长期抗生素干预，复发风险高，给患者带来巨大痛苦和重大经济负担。由于慢性骨髓炎病灶通透性差及感染部位供血不足，限制了全身抗生素治疗的功效。且抗生素耐药菌的迅速出现给慢性骨髓炎的治疗带来了巨大挑战。因此迫切需要找到非抗生素疗法治疗耐药菌感染引起的慢性骨髓炎的有效策略。刘润辉教授课题组设计制备了抗菌多肽聚合物掺杂的PMMA骨水泥微球，在MRSA感染兔慢性骨髓炎模型中表现出优异的体内治疗效果。在该研究中中，抗菌多肽聚合物掺杂的PMMA骨水泥摆脱了抗生素的依赖，具有抗菌聚合物完全释放、热和酶稳定性高、杀灭MRSA耐药菌、低耐药性、低毒性等显着优点，在耐药菌引起的慢性骨髓炎方面具有临床治疗潜力。相关成果以Research Article形式发表在《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater.）。
图5. 抗菌多肽聚合物掺杂的PMMA骨水泥微球 (PMMA@polymer) 及治疗兔慢性骨髓炎。
参考文献：
Peptide Polymer-Doped Cement Acting as an Effective Treatment of MRSA-infected Chronic Osteomyelitis.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107942
5. J. Med. Chem.：细胞穿透肽启发的多肽聚合物高效对抗侵袭性耐药真菌感染
受细胞穿透肽（CPPs）八聚精氨酸启发，刘润辉教授等人报道了一类由D,L-高精氨酸与L-谷氨酸的长链长多肽共聚物（27~28 mer）能够有效穿透真菌细胞膜进入细胞实现高效抗耐药真菌功能，且引入特定比例的L-谷氨酸所带来的正电荷屏蔽作用与部分两性离子结构有效降低了多肽聚合物的细胞毒性，减少了多肽聚合物与血浆蛋白的相互作用以避免蛋白聚集/沉淀。优选多肽聚合物HR80-r-E20在小鼠系统感染模型中表现有效的抗感染治疗效果，显著降低了重要器官感染的菌落负荷，减轻了真菌菌丝对组织（尤其为心脏、肾脏）入侵的严重程度，大大降低了真菌感染带来的炎症反应，并展现出优异的体内生物相容性和安全性，表现了突出的体内抗真菌感染治疗潜力。相关成果以Research Article形式发表在《药物化学》（J. Med. Chem.）。
图6 抗真菌多肽共聚物的设计。
参考文献：
An effective strategy to develop potent and selective antifungal agents from cell penetrating peptides in tackling drug-resistant invasive fungal infections.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.2c00274
6. J. Am. Chem. Soc.：模拟宿主防御肽的β多肽聚合物用于治疗多药耐药肿瘤
肿瘤耐药性是限制目前临床化疗药物治疗效果的一大难题。因此，迫切需要开发对耐药肿瘤具有广谱抗癌活性并且不易产生耐药性的抗癌新分子。基于宿主防御肽作用于细胞膜的常见作用机制，及肿瘤细胞与细菌细胞膜表面相似的负电荷特性，一小部分宿主防御肽也被发现具有一定的抗肿瘤功能。刘润辉教授等人通过模拟宿主防御肽，合成了具有两亲性结构的β多肽聚合物，发现优选化合物对多种耐药肿瘤具有高效的体外和体内活性。在黑色素瘤肺转移动物模型中，优选的β多肽聚合物显著降低了小鼠肺组织中肿瘤转移灶的数量，展示出接近临床抗肿瘤药物阿霉素并且优于顺铂的体内活性。与临床化疗药物阿霉素和顺铂相比显示出了良好的生物相容性。此外，β多肽聚合物可抵制酶解，可通过“一锅法”大量合成。该项研究表明，模拟宿主防御肽的β多肽聚合物是设计和发现潜在抗耐药肿瘤分子的有效策略。相关成果以Research Article形式发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）。
图9 模拟宿主防御肽设计合成的β多肽聚合物通过膜损伤杀死肿瘤细胞同时不易导致耐药性，显示出对多药耐药肿瘤的有效治疗潜力。
参考文献：
Heterochiral β-Peptide Polymers Combating Multidrug-Resistant Cancers Effectively without Inducing Drug Resistance.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c00452
7. Adv. Mater.：多肽模拟聚合物实现内皮细胞选择性功能
人工血管和支架植入等造成的内皮层损伤会导致平滑肌细胞的过度增殖、血小板活化等问题，最终引发内膜增生及血栓形成。因此，选择性促进内皮细胞生长和促快速内皮化是维持血管长期通畅的最有效策略之一。设计和发现能够替代内皮细胞选择性ECM多肽的功能且针对性克服ECM多肽关键缺点的新种类生物材料，对血管内皮化研究和相关应用具有重要意义。
刘润辉教授等人设计和发现了一种新的聚合物策略，实现了内皮细胞对平滑肌细胞的显著选择性和优异的促快速内皮化功能。该研究设计合成了一系列具有阳离子和疏水性亚基可调的两亲性β-多肽聚合物，通过调节蛋白在聚合物修饰表面的吸附实现了对内皮细胞的选择性黏附。β-多肽聚合物通过一锅法聚合制备，具有优异的抗蛋白酶水解能力和稳定性，价格低廉且易于大批量合成，能够针对性的有效克服ECM多肽的关键缺点。研究还采用316L SS作为基底进行优选聚合物的修饰，并使用SD大鼠腹主动脉移植模型作为概念验证。结果显示优选聚合物功能化的316L SS表面显著减少了新生内膜的增生面积，促进表面的再内皮化。相关成果以Research Article形式发表在《先进材料》（Adv. Mater.）。
图7. 用于内皮细胞选择性黏附的细胞外基质衍生肽策略以及β-多肽聚合物策略。
参考文献：
A Polymeric Strategy Empowering Vascular Cell Selectivity and Potential Application Superior to Extracellular Matrix Peptides.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200464
8. Adv. Sci.：无规共聚物模拟纤连蛋白实现普适性结合生长因子的功能
蛋白是生命活动的重要功能载体，一般依据其特定氨基酸序列可通过生物合成或者多肽化学合成制备；也可以天然蛋白的氨基酸序列为模板，通过调整某些氨基酸进行蛋白改造和蛋白模拟。是否能够不依赖天然蛋白的氨基酸序列模板，通过无规共聚物模拟蛋白并实现高效和普适性的蛋白-受体相互作用？刘润辉教授课题组在无规聚合物模拟具有特定氨基酸序列和结构的蛋白研究领域取得突破，受纤连蛋白的生长因子结合功能启发，通过无规共聚物去模拟具有特定序列和结构的纤连蛋白，设计并获得了可高效模拟纤连蛋白普适性结合生长因子功能的氨基酸无规共聚物。优选聚合物与生长因子的结合能力已经接近于纤连蛋白与生长因子的结合能力。这一设计思路打破了传统模拟功能蛋白与受体蛋白相互作用依赖天然蛋白氨基酸序列模板，通过蛋白片段或者经氨基酸替换或者改造的序列可控多肽模拟蛋白的设计思路，摆脱了对原有功能蛋白中氨基酸序列模板的依赖，可实现快速构建功能蛋白模拟聚合物及实现与受体蛋白的高效结合，并展示相应的生物学功能。相关成果以Research Article形式发表在《先进科学》（Adv. Sci.）。
图8 模拟细胞外基质中纤连蛋白设计合成的无规共聚物通过高通量筛选出可普适性结合多种生长因子的优选共聚物，实现无规共聚物表现出具有特定序列和结构蛋白的生物功能。
参考文献：
Statistic Copolymers Working as Growth Factor-Binding Mimics of Fibronectin.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202200775
9. CCS chem.：β-NNTA开环聚合实现温和条件下β类肽可控合成
多肽模拟物合成研究领域中面临着对水分敏感、聚合条件苛刻、功能基团受限等核心问题和挑战。华东理工大学刘润辉教授等人在本研究中建立了反应条件温和的β-NNTA（N取代β-氨基酸N-硫代羧基酸酐）开环聚合新方法制备β类肽。合成的β-NNTA单体稳定，可以稳定储存6个月，并且侧链结构丰富多样；β-NNTA聚合实现了温和条件下β类肽的可控合成，实现了敞口条件下制备β类肽的突破，拓展了β类肽的结构多样性、功能和应用，解决了聚合过程对水分敏感、聚合条件苛刻、功能基团受限等核心问题；且制备的β类肽在荧光成像、自组装和抗菌等领域展现出良好的应用前景。相关成果以Research Article形式发表在中国化学会旗舰刊CCS Chemistry。
图1 合成β类肽的聚合方法。
参考文献：
Controllable Polymerization of N-Substituted β-Alanine N-Thiocarboxyanhydrides for Convenient Synthesis of Functional Poly(β-peptoid)s.
https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.022.202201840
刘润辉教授简介
刘润辉，教授。2009年在美国普渡大学化学系获博士学位；2009年至2014年先后在美国加州理工学院和威斯康星大学-麦迪逊开展博士后研究；2014年底至今任华东理工大学材料科学与工程学院教授。主要通过模拟多肽的氨基酸聚合物生物材料和生物医药，努力解决耐药微生物感染的挑战及植入材料生物相容性的挑战。近5年作为通讯作者发表论文60余篇，包括Sci. Adv.（1篇）、Nat. Commun.（5篇；入选编辑推荐亮点1篇，1篇Highlighted by BioCentury Innovations，1篇Highlighted by Extracellular Matrix News as TOP STORY）、J. Am. Chem. Soc.(3篇)、Angew. Chem. Int. Ed.（5篇；VIP论文2篇、1篇hot paper、高被引论文2篇）、Adv. Mater.(1篇)、J. Med. Chem.(2篇)、Adv. Sci.（2篇）、Adv. Funct. Mater.（3篇，1高被引论文）。成果入选华东理工大学首届年度十大学术进展。入选国家海外青年人才引进计划、东方学者、上海青年优秀学术带头人、霍尼韦尔学者、2019中国生物材料学会生物医用高分子材料分会优秀青年奖。任担任中国生物材料学会生物材料表界面工程分会委员、Discover Materials编委、Biomater. Sci.和J. Mater. Sci. Technol.抗菌专刊客座编辑。
来源：刘润辉教授课题组供稿
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华东理工大学研究生(华东理工大学研究生院)
