针对细菌铁摄取系统设计的铑配合物抗菌作用机制研究

The worldwide emergence of antibiotic resistance is a medical challenge, making it an urgent need for the development of new antimicrobial agents and treatments. Since iron is critical for bacteria to grow and cause infection, targeting bacterial iron acquisition is therefore a promising therapeutic strategy. Based on the coordination property of iron, we designed and synthesized rhodium(II) complexes to target the iron-uptake systems in bacteria. Experiments showed that rhodium(II) complexes can specifically suppress the growth of Gram-positive bacteria, and that these can be internalized by Streptococcus pneumoniae, accompanying with the decrease of bacterial iron uptake. Moreover, rhodium(II) complexes have very low toxicity to human cells, and Western blotting showed that these inhibited the expression of PiaA, an important iron-binding protein. Based on these interesting and promising preliminary results, this proposal aims to comprehensively study the targets and antibacterial mechanisms of rhodium(II) complexes in S. pneumoniae by using bioinorganic, biochemical, molecular, proteomics and cell biological methods. We believe that the research results derived from this project will provide new clues for the development of new strategies to fight drug resistant bacteria in the future.

细菌耐药性是世界抗感染治疗领域面临的严峻问题，急需研究开发不同于目前抗生素作用机制的新型抗菌药物。铁是绝大多数细菌生存和感染所必需的元素，切断铁的获取将能抑制细菌的生长，所以针对细菌铁代谢设计抗菌药物有可能代表一种新型的有前景的抗菌策略。我们针对细菌铁摄取系统中铁的化学键合特性设计合成了系列铑配合物，初步实验显示铑配合物能特异性地抑制革兰氏阳性菌的生长，且对宿主细胞无毒性，ICP-MS结果显示铑配合物可能与铁竞争相同的摄取系统，同时铑配合物能抑制铁结合蛋白PiaA的表达。本项目拟在前期研究基础上，综合利用生物无机化学、生物化学、分子生物学、细胞生物学等实验方法，以肺炎链球菌为研究对象，系统研究铑配合物是否特异性地作用于铁摄取系统从而抑制细菌的生长，同时运用蛋白质组学结合生物信息学分析和分子生物学验证，阐明铑配合物的抑菌作用靶点和机理，为解决目前存在的细菌耐药性和耐药菌感染问题提供新的思路。

细菌耐药是世界抗感染治疗领域面临的严峻问题，急需研究开发不同于目前抗生素作用机制的新型抗菌药物。铁是绝大多数细菌生存和感染所必需的元素，切断铁的获取将能抑制细菌的生长，所以针对细菌铁代谢设计抗菌药物有可能代表一种新型的有前景的抗菌策略。本项目我们针对细菌铁摄取系统中铁的化学键合特性设计合成了系列铑配合物，初步实验显示铑配合物能特异性地抑制革兰氏阳性菌的生长，然后我们重点研究了双铑配合物（Rh2Ac4）的抑菌效果和针对肺炎链球菌的作用机制。抑菌实验结果显示Rh2Ac4能特异性地抑制肺炎链球菌、化脓链球菌、李斯特菌和金黄色葡萄球菌的生长，但对革兰氏阴性菌大肠杆菌和鲍曼不动杆菌没有抑制作用。细胞毒性实验结果显示Rh2Ac4对宿主细胞A549几乎无毒性。接着运用蛋白质组学技术研究了Rh2Ac4的抗肺炎链球菌的作用机制，蛋白质组学结果显示Rh2Ac4能够抑制参与血红素摄取和代谢相关的蛋白SPD_1652（PiuA蛋白）、SPD_1590 和 Gap的表达；此外我们还分别检测了Rh2Ac4和Hemin与参与血红素摄取和代谢的PiuA蛋白的结合情况，荧光光谱结果显示apo-PiuA 蛋白与Hemin 解离常数Kd=2.92 ± 0.14 μM，而apo-PiuA 蛋白与Rh2Ac4解离常数Kd=20.60 ± 0.36 μM，表明Rh2Ac4确实能够与PiuA蛋白结合；进一步细胞和生化实验验证Rh2Ac4能够通过血红素转运系统PiuABCD进入肺炎链球菌体内，降低铁的摄取，从而干扰铁的代谢，抑制细菌生长。本研究为抗菌药物的开发提供了新的视角。