基于多肽排列取向分子动力学模拟和精确调控的抗菌钛基植入体的点击构建

Bacterial infection is common for titanium implant in clinic. As an antibacterial agent, antimicrobial peptide is screened by researchers due to its excellent antimicrobial activity and low bacterial resistance. But the regular orientation is the bottleneck for the application of the antimicrobial peptide on the implant surface, which would impact its activity directly. In this project, we will focus on the antimicrobial activity and the ability for bone integration of the titanium implant. Based on the fusion peptide which has antimicrobial domain, environment recognition domain and bioactive domain, we will use molecular dynamics simulation to research the relation between the orientation of the fusion peptide and some factors, such as the density of the reactive sites on the surface, the electronegativity and the hydrophobicity of the surface, the integration density of the peptide, as well as the property of the spacer. Meanwhile, we will combine the simulation and the experiment together. We will integrate the peptide onto the titanium implant by click chemistry. During the integration, we will optimize the relative factors to precisely regulate the peptide on the surface with the orientation of “spacer - antimicrobial domain - environment recognition domain - bioactive domain” from the surface to the top. Finally, we will get the titanium implant which could optionally display excellent antimicrobial activity or the ability for bone integration by detecting if there are bacteria in the physiological environment.

临床应用时，钛基植入体普遍存在细菌感染。抗菌多肽因优异的抗菌性和低致耐药性，引起研究者广泛关注。但是抗菌多肽在材料表面构建时，规则空间排列取向的精确调控是研究的难点和瓶颈，会直接影响其活性。针对此问题，本项目从钛基植入体抗菌和促进骨键合整体观点出发，在合成具有抗菌结构域－环境识别结构域－生物活性结构域的融合多肽基础上，拟通过分子动力学模拟，从原子尺度揭示表面反应位点密度、电负性、亲疏水性、接枝密度、空间分子性质等一系列参数对融合多肽在材料表面空间排列取向的影响规律；同时，本项目拟将模拟与实验紧密结合，利用点击反应技术实现多肽在材料表面的构建，并通过优化反应中的相关参数，实现对多肽自植入体表面向上以“空间分子－抗菌结构域－功能识别结构域－生物活性结构域”定向排列的精确调控。最终制备可以识别周围生理环境中的细菌感染并选择性表现优异抗菌性能或促进骨键合能力的钛基骨植入体。

临床应用时，钛基植入体普遍存在细菌感染，导致患者残疾甚至死亡。本项目围绕这一问题开展研究工作，从钛基植入体抗菌和促进骨键合整体观点出发，设计合成了基于抗菌多肽和促骨键合多肽的8种融合多肽；所设计合成的融合多肽具有抗菌结构域、生物活性结构域、空间分子结构域或功能识别结构域等不同结构域，并在溶液中具有稳定的构象。本项目优化了多肽在植入体表面的构建技术，将所设计合成的融合多肽可控构建于植入体表面；通过控制空间分子、多肽接枝位点、融合多肽分子两端的电荷等参数，调控表面融合多肽的空间排列取向；通过分子动力学模拟，揭示了空间分子、电荷等参数对表面融合多肽空间排列取向的影响规律，并揭示了对融合多肽生物学性能具有重要影响的参数“细菌可及表面积”及其影响规律。本项目研究了所构建植入体的体外生物学性能，发现功能化植入体能够有效抑制临床常见细菌，包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、表皮葡萄球菌、MRSA等，抑制率最高可达99%以上，并同时抑制生物被膜的形成；功能化植入体能够促进骨髓间充质干细胞、血管内皮细胞等的粘附，以及成骨、成血管等基因和蛋白的表达，并能够促进巨噬细胞向M2型的分化；另外，功能化植入体的抗菌功能和促细胞生长等功能，能够同时表达，或者通过响应微环境中酶浓度等参数的变化实现选择性表达。本项目进一步构建了原位骨缺损模型、原位骨缺损-细菌感染模型，研究了所构建植入体的体内抗菌性能和促骨键合性能等，并发现功能化植入体能够根据体内不同的微环境，表现相应的生物学性能；在感染微环境下，功能化植入体能够表现优异的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌的抑制率最高可达99%以上，保障组织修复；在非感染情况下，所构建植入体则可以表现促骨键合性能，促进组织修复、血管再生等。相关研究为解决临床钛基植入体细菌感染难题提供了有效策略。