基于镓盐或卟啉镓的铁阻断抗菌剂

张浩; 张雷; 王志永; 周新宇; 郜瑞潇

doi:10.7536/PC240106

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (9) :1392-1400 DOI: 10.7536/PC240106

综述

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基于镓盐或卟啉镓的铁阻断抗菌剂

张浩 ¹^,² ,
张雷 ² ,
王志永 ¹ ,
周新宇 ¹ ,
郜瑞潇 ¹^,^*

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Iron-Blocking Antibacterial Agents Based on Gallium Salts or Gallium Porphyrins

Hao Zhang ¹^,² ,
Lei Zhang ² ,
Zhiyong Wang ¹ ,
Xinyu Zhou ¹ ,
Ruixiao Gao ¹^,^*

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摘要

Interfering with bacterial iron metabolism is a non-antibiotic antimicrobial strategy that is less likely to cause bacterial resistance. In this paper, we first introduce an iron-blocking antimicrobial therapy, which can not only kill drug-resistant bacteria, but also not easily cause bacterial resistance; Then the mechanism of iron-blocking antibacterial therapy was described from the iron uptake pathway and heme uptake pathway of bacteria; Then, the types, in vitro antibacterial properties and in vivo therapeutic effects of gallium salts and porphyrin gallium iron-blocking antibacterial agents were reviewed; Finally, the development trend and application prospect of antibacterial agents based on iron-blocking mechanism were prospected.

Abstract

Interfering with bacterial iron metabolism is a non-antibiotic antibacterial strategy that is not easy to cause bacterial resistance.in this review,firstly,an iron-blocking antibacterial therapy which can kill drug-resistant bacteria but not easily cause drug resistance is introduced.Then,the mechanism of iron-blocking antibacterial therapy is explained from the iron uptake pathway and heme uptake pathway of bacteria.in addition,the types,in vitro antibacterial properties,and In vivo therapeutic effects of the iron blocking antimicrobials based on gallium salts and gallium porphyrins are reviewed in detail.Finally,the future development and practical application of the antimicrobials based on iron-blocking mechanism are prospected。

Contents

1 Introduction

2 Iron-blocking antibacterial mechanism

2.1 Host iron restriction for bacteria

2.2 Iron acquisition by bacteria

2.3 Iron-blocking antibacterial mechanism of gallium ion

2.4 Iron-blocking antibacterial mechanism of gallium porphyrins

3 Iron-blocking agents

3.1 Gallium salts

3.2 Gallium porphyrins

3.3 Combination of gallium ions and gallium porphyrins

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

耐药性 / 硝酸镓 / 卟啉镓 / 铁阻断抗菌治疗

Key words

drug resistance / gallium nitrate / gallium porphyrins / iron-blocking antibacterial therapies

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张浩, 张雷, 王志永, 周新宇, 郜瑞潇. 基于镓盐或卟啉镓的铁阻断抗菌剂[J]. 化学进展, 2024, 36(9): 1392-1400 DOI:10.7536/PC240106

Hao Zhang, Lei Zhang, Zhiyong Wang, Xinyu Zhou, Ruixiao Gao. Iron-Blocking Antibacterial Agents Based on Gallium Salts or Gallium Porphyrins[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(9): 1392-1400 DOI:10.7536/PC240106

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1 引言

抗生素被人类发现后，在人、动物和农业中被大量使用，为细菌种群中耐药性基因的流动和细菌对耐药基因的捕获创造了更有利的条件，导致细菌对抗生素迅速产生了耐药性^[1]。为了抑制耐药细菌，最直接的方法就是不断开发新作用靶点的抗生素，然而，细菌产生耐药性的时间是2年，而开发新的抗生素则需要10~12年的时间，因此，对现有抗生素具有了耐药性的细菌越来越多，甚至产生了“无药可治”的超级细菌。

为了治疗耐药菌感染，临床医生常常使用抗生素佐剂或通过抗生素联合用药策略来缓解现有抗生素紧缺、耐药菌“无药可治”的紧张局面。但是如果一种药物已经被细菌产生了耐药性，它和其他药物的联合可能会促进对另一种药物的耐药性传播，诱发细菌产生更强的耐药性^[2,3]。因此，开发既能杀死耐药细菌，又能防止细菌产生耐药性的非抗生素类抗菌剂或抗菌策略十分必要且时间紧迫。

铁是所有细菌生存和繁殖所必需的营养元素，且细菌很难通过基因突变来放弃对铁营养的摄取，因此，通过阻断细菌的铁代谢来抑制细菌是一种既能杀死耐药菌，又不易产生耐药性的抗菌新策略，即铁阻断抗菌疗法（Iron-blocking antibacterial therapy，IBAT）。本文首先介绍了IBAT的机理，之后详细评述了镓盐类铁阻断剂、卟啉类铁阻断剂及其两者联用的抗菌效果和研究现状，最后对其研究和应用前景进行了展望。

2 铁阻断抗菌机理

2.1 宿主对细菌的铁限制

铁作为地壳中的第四大金属元素，各种有机体在进化的过程中，已经将铁作为一种重要的营养元素，参与光合作用、固氮作用、产甲烷、氢气生产和消耗、呼吸作用、三羧酸循环、氧运输、基因调控和DNA合成等重要的生物过程^[4]。微生物也不例外，几乎所有的细菌病原体都需要铁来维持正常的生存和繁殖，因此脊椎动物为了对抗细菌的入侵，已经进化了多种铁营养免疫机制（图1）来限制细菌从宿主中对铁的获取^[5⇓~7]。

在脊椎动物中，铁主要以血红素（原卟啉四吡啶环中络合一个Fe²⁺）的形式存在，而血红素存在于红细胞中，即使红细胞破裂，被释放的血红素也会被触珠蛋白和血凝蛋白迅速结合，因此细菌很难从此途径获得足够的铁营养。此外，部分铁以铁蛋白的形式被储存在真核细胞内，因此只有在宿主细胞裂解后才可能被细菌接触到。死亡的细胞和细菌均会被巨噬细胞吞噬，巨噬细胞内的铁有可能会被胞内细菌利用，为此，位于巨噬细胞吞噬体膜上的NRAMP1蛋白会将Fe²⁺泵出到吞噬体外，以减少细菌对Fe²⁺的接触^[8]。另外，在生理pH值（7.0）下，细胞外可溶性的Fe²⁺（0.1 mol/L）会被氧化为不溶性的Fe³⁺（10^-18 mol/L），并被极高亲和力的转铁蛋白结合，游离Fe³⁺也可与乳铁蛋白结合，乳铁蛋白是转铁蛋白家族中的一种球状糖蛋白，存在于母乳、眼泪和唾液等分泌物中，也存在于多形核白细胞的颗粒中，是黏膜对感染做出的免疫反应的关键组成部分^[9]。

2.2 细菌的铁获取

以大肠杆菌为例，每个大肠杆菌中有10⁵ ~ 10⁶个铁原子^[10]，以此计数，如果细菌感染宿主需要10⁹ cell/mL的浓度，那么细菌每繁殖一代就需要10¹⁸个铁原子/升，而pH值为7的溶液中，三价铁的溶解度只有10⁷个铁原子/升，因此为了能在宿主中生存，细菌已经进化了多种铁营养免疫逃避机制（图2）来获取铁营养，主要包括铁离子摄取通道和血红素摄取通道^[5⇓~7]。

2.2.1 铁离子摄取通道

嗜铁素（Siderophore）是一种细菌分泌的Fe³⁺螯合物，其与Fe³⁺亲合力远大于与宿主转铁蛋白和乳铁蛋白的亲合力^[11]。由于分子太大，嗜铁素无法通过革兰氏阴性菌外膜上的非选择性孔蛋白扩散跨过细胞膜，只能借助tonB受体，通过能量依赖型的运输进入细菌。革兰氏阴性菌的周质中缺乏驱动跨外膜运输的ATP或离子梯度，因此，TonB- ExbB-ExbD系统利用内膜产生的质子动能介导嗜铁素跨外膜运输。在周质中，ABC转运体家族中的底物结合蛋白能识别嗜铁素-Fe³⁺复合物，并最终将该复合物运送给同源ABC转运体。革兰氏阳性菌也表达SBP，位于内膜上。当嗜铁素-Fe³⁺复合物到达细胞质时，结合的Fe³⁺通过酶降解还原为Fe²⁺而被释放。

此外，一些细菌，如奈瑟菌、卡他莫拉菌和流感嗜血杆菌，外膜上具有宿主Fe³⁺结合蛋白（转铁蛋白和乳铁蛋白）的受体，这些受体能通过tonB，将Fe³⁺从宿主Fe³⁺结合蛋白上分离，并将其运输到细胞质内^[12]。另外，一些细菌也能利用FeoB转运体系将游离Fe²⁺运输到细胞质内^[13]。

2.2.2 血红素摄取通道

细菌血红素获取大部分都是由细胞外膜的受体介导的，该受体通过一系列的膜运输系统将血红素传递到细胞质中。血红素转运的第一步为宿主血红素复合物（血红蛋白和血红蛋白触珠蛋白）与细胞壁锚定受体（革兰氏阳性菌）或tonB依赖型受体（革兰氏阴性菌）的结合，然后从血红素复合物中分离血红素，并传递给ABC家族转运蛋白相关的SBP，介导血红素转位进入细胞质。此外，一些细菌还产生能与血红素直接结合的分泌蛋白，称为血红素噬体（haemophore），功能类似于嗜铁素，能从宿主的血红素复合物中夺取血红素，之后被血红素噬体受体识别，血红素噬体携带血红素被内化，在进入细菌细胞质后，血红素被血红素分解酶降解，释放Fe²⁺，或直接作为辅因子参与酶反应。

2.3 镓离子的铁阻断抗菌机理

由于铁是细菌生长不可或缺的营养元素，通过阻断细菌的铁代谢能抑制细菌的生长。镓是一种过渡金属元素，在包括癌症和细菌感染在内的许多疾病中显示出了治疗、诊断和成像潜力。Ga³⁺的抗菌作用源于其离子半径几乎与Fe³⁺相同，因此它可以在依赖Fe³⁺的铁转运体和需铁酶等生物系统中取代Fe³⁺（图3）。但是，在生理环境中，铁元素以还原态的Fe²⁺和氧化态的Fe³⁺存在，并且两种价态的铁离子在发挥催化或电子传递功能的同时，能自由地转换。与铁离子不同的是，镓离子没有二价态，Ga³⁺不能被还原，当它被加入需铁酶时，会使依赖Fe³⁺的还原和氧化过程失去活性，而这些过程是细菌生存和增殖所必需的^[14]。此外，宿主中细菌可利用的铁是非常有限的，因此，通过喂食细菌Ga³⁺可以有效阻断细菌的铁代谢，进而抑制其生长或杀死细菌。

在Chitambar等^[15]的研究中，通过放射性标记确定了Ga(NO₃)₃能阻断L1210细胞对⁵⁹Fe的吸收，并抑制细菌的增殖。在Ga³⁺处理的细胞中，细胞浆提取物中的核糖核酸还原酶M₂亚基的电子自旋共振（ESR）信号被明显抑制；然而，这些细胞质提取物暴露于硫酸铁铵10 min内，ESR信号又恢复正常，这一结果证实了Ga³⁺可以通过特异性地限制核糖核酸还原酶M₂亚基活性所需的铁的数量来抑制DNA合成。

Pyochelin是病原菌铜绿假单胞菌产生的一种嗜铁素。Porcaro等^[17]用同步辐射诱导X射线电子能谱和X射线吸收能谱对Pyochelin金属配合物中Fe³⁺和Ga³⁺配位位点的电子性质和配位化学进行了研究，证明了铁和镓在Pyochelin配合物中具有相同的价态，并且具有相同的八面体配位几何结构，此外还发现铁和镓的邻近分布相似，这有力地支持了镓仿生行为起源的相似配位化学。基于CRISPR/cas9的基因突变研究表明，Pyochelin促进摄取和ABC转运子是铜绿假单胞菌Ga³⁺内化的两个主要途径，晶体结构显示Ga³⁺和Fe³⁺完全占据ABC转运体系统的质周铁结合蛋白HitA的同一金属位点^[18]。

2.4 卟啉镓的铁阻断抗菌机理

从细菌的铁摄取途径（图4）中可以看出，除了能直接利用游离的铁离子，细菌还能通过摄取血红素来获得铁，因此血红素中的铁被置换成镓后的类似物，镓原卟啉Ⅸ（Ga-PP），也能起到铁阻断的作用。由于与血红素的相似性，Ga-PP可以借助细菌的血红素摄取通道进入细菌，但是Ga-PP中的镓离子不能进行氧化还原反应，Ga-PP不能替代血红素参与重要的酶促活动，导致血红素需求酶失活，细菌被抑制或者死亡。

牙龈卟啉单胞菌的一种血红素获取系统由HmuR和HmuY蛋白质组成。Olczak等^[19]采用HmuY、HmuR和HmuY-HmuR突变体评估了HmuY和HmuR蛋白在金属卟啉获取过程中的作用。铁卟啉IX能以类似于血红素的方式支持牙龈卟啉单胞菌的生长，相比之下，钴（Ⅲ）、镓（Ⅲ）和铜（Ⅱ）原卟啉IX表现出对牙龈卟啉单胞菌的抗菌活性，牙龈卟啉单胞菌的HmuY、HmuR和HmuY-HmuR均突变的情况下，所有金属卟啉都能抑制细菌的生长，因此，HmuY蛋白可能不直接参与游离金属卟啉进入细菌细胞的运输，但它也可能通过结合过量的金属卟啉化合物对金属卟啉毒性起到保护作用。此外一些研究已经证实，Ga-PP的抗菌活性和超氧化物歧化酶以及ROS的产生有关^[20]。Ga-PP也可能通过靶向细胞色素抑制细菌生长^[21]。

和传统的抗生素与细菌特异性靶向而发挥作用不同，IBAT的靶点是广泛的、多位点的和非特异性的，细菌很难通过变异阻止对铁阻断剂的摄取。此外，细菌需要极大的进化历程才可能放弃对铁的需求，而铁阻断剂是扮演营养铁的“特洛伊木马”，镓和卟啉镓等阻断剂会被作为急需品被细菌主动地摄取，因此，细菌很难对铁阻断治疗产生耐药性。

3 铁阻断剂

3.1 镓盐类

1986年，Hubbard等^[22]报道降低培养基中的铁含量会限制大肠杆菌生长，导致细菌呼吸速率、非血红素铁和细胞色素等水平的降低，在缺铁的培养基中加入Ga³⁺会进一步降低细菌的产量，因此，认为Ga³⁺会影响细菌低亲和力的铁运输系统。之后，Al-Aoukaty等^[23]发现在培养基中添加柠檬酸镓，能使荧光假单胞菌的生长期滞后，而在培养基中加入Fe³⁺或消耗掉培养基中的镓离子能逆转这种结果，并且在细菌的分泌物中发现含镓的物质，这进一步证明了镓能被细菌摄取，并影响细菌生长。

Rzhepishevska等^[24]比较了去铁胺镓和柠檬酸镓的不同杀菌活性，研究了镓的阴离子配合物对其抗菌活性的影响，发现，无论在体外和体内柠檬酸镓比去铁胺镓均表现出了更好的抗菌效果，柠檬酸镓形式的Ga³⁺比去铁胺镓形式的Ga³⁺更能被铜绿假单胞菌吸收。用代谢组学分析来研究柠檬酸镓对细菌细胞的影响，发现Ga³⁺会降低细菌的谷氨酸浓度，而谷氨酸是铜绿假单胞菌的关键代谢物，其他氨基酸的浓度也被降低，表明Ga³⁺影响细菌的多个生物合成途径。

Thompson等^[25]测试了柠檬酸镓在治疗肺炎克雷伯菌感染的伤口时局部给药的效果，结果显示与未治疗的对照组相比，柠檬酸镓治疗后克雷伯菌感染的伤口愈合更快，炎症明显减轻。

DeLeon等^[14]向热损伤铜绿假单胞菌急性感染小鼠的皮下注射低至25 mg/kg体重的麦芽酸镓，就能使全部被感染的小鼠存活，麦芽酸镓能显著减少小鼠热损伤伤口处铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和鲍曼不动杆菌定植，此外，麦芽酸镓也能防止损伤部位的铜绿假单胞菌感染向全身扩散。另外，麦芽酸镓对耐药菌也有抑制活性，例如，浮游状态或者生物膜中的甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林表皮葡萄球菌和耐甲氧西林表皮葡萄球菌^[26]。

麦芽酸镓也被用于涂覆给药抗菌。雅司病是一种由皮肤直接接触而传播的感染性疾病，向皮肤受损的雅司病兔局部涂抹麦芽酸镓，可以有效地减少雅司病致病菌密螺旋体的数量^[27]。此外，马的伤口被金黄色葡萄球菌感染后，外部涂覆0.5%的麦芽酸镓，能减少伤口处的细菌数量，降低伤口周围肉芽组织，显著促进马伤口愈合^[28]。

结核分枝杆菌和鸟分枝杆菌复合体能在单核巨噬细胞内生存和繁殖，而抗生素无法进入巨噬细胞和胞内细菌作用，导致胞内细菌对抗生素耐药。基于Ga³⁺在单核吞噬细胞内的聚集能力，以及Ga³⁺通过取代Fe³⁺而不能进行氧化还原循环，进而破坏细菌铁依赖型代谢途径的报道，Olakanmi等^[29]研究了Ga³⁺对分枝杆菌的铁获取和铁依赖代谢途径的影响，并发现Ga³⁺和转铁蛋白的复合物（Ga-Tf）对结核分枝杆菌株和人巨噬细胞内生长的MAC产生Fe³⁺可逆的浓度依赖性生长抑制，首次证明了Ga³⁺对胞内细菌有抑制作用。

转铁蛋白或2，2-联吡啶能限制培养基中的铁，显著抑制鲍曼棘球绦虫体外生长，单独使用Ga(NO₃)₃对鲍曼螺旋杆菌的生长有一定的抑制作用，减轻小鼠肺部的鲍曼螺旋杆菌负担，但在血清或转铁蛋白存在的情况下，其抑菌作用会减弱^[30]。

Ga(NO₃)₃能抑制绿脓杆菌生物膜的形成，并在小鼠肺部和气道感染模型中显示出效果^[31,32]。为提高Ga³⁺对铜绿假单胞菌的抑菌效果，Frangipani等^[33]研究了Ga³⁺与多种铁载体和合成螯合剂的络合作用，发现Ga³⁺与pyochelin以1∶2的比例络合后，比Ga(NO₃)₃能更有效地抑制铜绿假单胞菌生长，认为pyochelin转位子增强了Ga³⁺进入细胞的能力。此外，包裹在脂质体内的Ga(NO₃)₃和庆大霉素联用，能显著提高庆大霉素对临床分离的铜绿假单胞菌的抗菌效果^[34]。

得益于Ga(NO₃)₃已经被FDA批准用于治疗恶性肿瘤高钙血症，一期临床试验结果证明，全身Ga(NO₃)₃治疗能改善囊性纤维化和慢性铜绿假单胞菌肺部感染患者的肺功能^[35]。更重要的是，与抗生素相比，细菌对Ga(NO₃)₃的耐药性发展缓慢^[35]。之后Olakanmi等^[36]又报道Ga-Tf以及Ga³⁺和乳铁蛋白的复合物（Ga-Lf）能抑制土拉弗朗西斯菌和新弗朗西斯菌的生长，并显著降低了细菌过氧化氢酶活性和超氧化物歧化酶活性，增加了细菌对过氧化氢的敏感性，在治疗肺部土拉菌感染方面具有巨大潜力。

Valappil等^[37]采用熔体淬火技术制备成了掺镓（Ga₂O₃）的磷酸基玻璃，发现该玻璃能溶解和释放Ga³⁺，通过抑菌圈实验证明了其对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和艰难梭菌均有抑菌效果，其中对铜绿假单胞菌的抑制效果最好。将含Ga³⁺的磷化玻璃通过磁控溅射成厚度约400或1400 nm的高表面能薄膜涂层，该涂层通过镓离子释放机理表现出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌良好的抗菌效果，并且具有良好的细胞相容性，有作为体内植入物涂层的巨大潜力^[38]。镓也可以通过阳极火花沉积技术修饰到金属钛表面^[39]，或通过冶金方法将镓添加到钛合金中^[40]，赋予骨科材料钛抗菌性能，并且保持高骨融合能力。镓掺杂的壳聚糖可以采用电泳沉积法制备成医用植入物和器械的抗菌涂层^[41,42]。

Xu等^[43]利用Ga³⁺和胶原蛋白溶液制备了负载镓的抗菌人工真皮支架，体外抗菌试验表明，Ga³⁺具有很好的抗菌性能，也不会影响细胞增殖，在活体实验中，该人工真皮支架能预防大鼠创面被感染，并显示出良好的生物相容性。

Xie等^[44]用镓离子和光敏剂吲哚菁绿合成了一种纳米粒子，能联合光动力和铁阻断机理作用于细菌，光动力效应可破坏细菌细胞膜，促进Ga³⁺的内吞，表现出协同杀灭多重耐药菌和破坏生物膜的作用，在活体实验中，显示了对感染性肝脓肿和角膜炎的显著治疗效果，同时，超微尺寸的纳米粒子可通过肾脏途径被快速清除，保证了生物相容性。

3.2 卟啉镓类

在1999年Stojiljkovic等的报道^[20]中，对比研究了多种金属（镓、铁、镁、钴、锰、银、钯、锡、锌、铟、锑、铜、镍、铂、钆、铷和钛）和原卟啉Ⅸ（PP）的络合物对小肠结肠炎耶尔森杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和红斑葡萄球菌的抗菌活性，其中Ga-PP的抗菌活性最高，并且发现Ga-PP的抗菌效果远优于Ga³⁺和PP，最小抑菌浓度是Ga³⁺和PP的1%（图5）。Ma等^[45]随后发现，除了Ga-PP，meso-原卟啉Ⅸ镓（Ga-MP）对表皮葡萄球菌和铜绿假单胞菌也有很好的抑制作用，并将其封装于多孔的聚醚聚氨酯膜中，可有效维持药物释放至少3个月，将这种材料植入小鼠体内，能有效地防止植入物被生物膜感染，显著提高小鼠的存活率。之后又有报道^[46]证明，Ga-PP和Ga-MP对鲍曼不动杆菌生物膜的抗菌活性，优于Ga(NO₃)₃。此外，将Ga-PP和Ga-MP封装到单乳液F127共聚物纳米颗粒中，卟啉镓纳米颗粒能被巨噬细胞摄取，并在细胞内维持3 d的抗菌活性，能显著提高铜绿假单胞菌和鲍曼假单胞菌感染的秀丽隐杆线虫的存活率^[47]。5，10，15，20-四（4-甲氧基苯基）氯卟啉镓（Ga-MeOTP）也能封装于F127纳米颗粒，在被鸟分枝杆菌感染的巨噬细胞中，与游离的Ga-MeOTP相比，镓纳米颗粒有更好的活性持续时间^[48]。

鲍曼不动杆菌可在肺外播散导致致死性菌血症，de Léséleuc等^[49]发现鲍曼不动杆菌株LAC-4对Ga(NO₃)₃有耐药性，LAC-4菌株含有一个血红素加氧酶基因，表达出一个高效的血红素消耗系统，在体外实验中发现Ga-PP能阻断该菌株血红素消耗系统，完全消除了LAC-4的生长优势及其对Ga(NO₃)₃的耐受性，活体实验表明，腹腔注射Ga-PP可治疗肺部被感染的小鼠，并防止LAC-4的肺外播散，显著降低了被感染后的死亡率。

在体外肉汤培养中，相对于不同镓盐类化合物对脓肿分枝杆菌临床分离株抑制活性的微小差异，Ga-PP显示出了比Ga(NO₃)₃明显优异的抑制脓肿分枝杆菌的能力，尤其是对于人巨噬细胞内的脓肿分枝杆菌，Ga-PP的活性是Ga(NO₃)₃的20倍，具有治疗脓肿分枝杆菌的巨大潜力^[50]。

Hijazi等^[51]系统研究了Ga(NO₃)₃、麦芽酸镓和Ga-PP对超级耐药菌ESKAPE物种（屎肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌）的抗菌活性，同时，考虑到培养基中铁含量对抗菌测试结果的影响，也对比了铁阻断剂在标准MHB培养基、缺铁的MHB培养基（DMHB）和添加10%人血清的RPMI-1640（RPMI-HS）培养基中的抗菌活性，其中低铁含量和添加血清能更好地模拟体内环境。在MHB和DMHB培养基中，除了Ga-PP对金黄色葡萄球菌和鲍曼不动杆菌有抗菌性外，Ga(NO₃)₃和麦芽酸镓的抗菌活性有限；然而，在RPMI-HS培养基中，Ga(NO₃)₃和麦芽酸镓的抗菌活性非常明显，而Ga-PP失去了抗菌活性，可能是由于血清中的白蛋白会和Ga-PP结合，并抵消其抑制作用。此外，他们还发现多重血红素吸收系统的存在强烈影响鲍曼菌对Ga-PP的敏感性；Ga(NO₃)₃和麦芽酸镓仅表现出抑菌作用，而Ga-PP对敏感菌株有杀菌作用。

在壳聚糖水凝胶中，Ga-PP和Deferiprone的联合使用，对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌小菌落变异株生物膜的抗菌活性显著优于单独Ga-PP的抗菌活性，如果再和环丙沙星或庆大霉素联用，三者联合功效超过了任何单个化合物的活性，这种抗生物被膜策略可用于局部生物被膜相关感染的治疗^[52,53]。

本课题组通过在不溶于水的PP分子上修饰了超亲水的两性离子基团，得到了一种水溶性的两性离子卟啉^[54]，基于此思路，我们在Ga-PP上修饰各种亲水基团，合成并优选出一种水溶性好、抗菌性最佳的阳离子卟啉镓血红素仿生分子（Ga-CHP）（图6）。将Ga-CHP用于IBAT，显示出对革兰氏阳性菌、阴性菌，甚至是多重耐药菌广谱高效的抗菌活性，且不易引起耐药性。体内实验证明Ga-CHP能在小鼠感染部位聚集，显著促进伤口愈合^[55]。此外，将Ga-CHP用于治疗巨噬细胞感染，Ga-CHP能以能量依赖的方式微胞饮入巨噬细胞，仅需1.6 μM的Ga-CHP即能杀灭巨噬细胞中的金黄色葡萄球菌。Ga-CHP治疗显著降低了腹腔被感染的小鼠腹腔内及各器官的细菌负担。此外，由于Ga-CHP是一种优良的水溶性光敏剂，基于Ga-CHP的IBAT能失活细菌的过氧化氢酶（一种血红素需求酶），进而使细菌内的过氧化氢无法被清除（图7）。在蓝光照射下，联合光动力抗菌治疗（PDAT）使细胞内的ROS含量增加到原来的2.3倍。IBAT和PDAT的联合作用显示了1 + 1 > 2的协同效果。在小鼠伤口抗感染治疗中，基于Ga-CHP的IBAT和PDAT协同作用，显著优于IBAT或PDAT的单独治疗^[55]。最后，将Ga-CHP装载到两性离子水凝胶中，制备了一种抗污和抗菌的双功能角膜接触镜，其不仅可以抵抗蛋白质、细菌和生物膜黏附，还可以持续释放Ga-CHP，杀死99.9%的浮游细菌和成熟生物膜，借助天然的太阳光，通过铁阻断和光动力协同抗菌治疗，佩戴该角膜接触镜7天后，小鼠的细菌性角膜炎症状明显缓解^[56]。

为了研究卟啉类分子结构和抗菌活性的关系，一系列带有不同电荷和血红素仿生特性的镓卟啉类似物（图8）被精心设计和合成。Ga-CHP对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出最佳的抑制能力，其对两种菌的MBC分别为12.5 μmol/L和25 μmol/L。硝酸镓虽然具有一定的抗菌作用，但远低于Ga-CHP，尤其是对于大肠杆菌。与带负电荷的Ga-PP和电中性的两性离子修饰的镓卟啉（Ga-ZMP）相比，带正电荷的Ga-CHP对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出更高的抗菌活性。可能是由于Ga-CHP中带正电荷的阳离子基团有助于提高卟啉镓类抗菌剂对细菌的靶向能力，进而提高其抗菌活性。血红素仿生结构是细菌能够顺利摄取Ga-CHP的另一个关键。四甲基吡啶卟啉镓（Ga-TMP）虽然含有四个阳离子基团，但其抗菌效果并不比两个阳离子基团的Ga-CHP好，Ga-TMP对细菌有更好的靶向性，但缺少与血红素相似度，Ga-TMP不能通过血红素摄取系统被细菌摄入，这是其抗菌性较差的关键。相反，尽管Ga-PP与细菌之间存在静电排斥，但由于其与血红素高度相似，在与细菌共培养较长时间后，Ga-PP仍可以通过血红素摄取系统被细菌摄入。络合在卟啉环中的镓离子是其抗菌作用的另一个关键。与CHP相比，Ga-CHP对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出更好的抗菌效果，尽管两种化合物具有相似的细菌靶向能力和血红素仿生结构。当Ga-CHP通过血红素摄取系统进入细菌细胞质时，会和血红素需求酶（如过氧化氢酶）结合，但由于Ga-CHP装载的是Ga³⁺，其不能代替Fe³⁺的功能参与酶活动中的氧化还原反应，从而导致细菌死亡。

铁阻断类抗菌剂和传统的抗生素相比，具有不易产生耐药性，且能高效抑制耐药菌的优势。本课题组与波兰格但斯克大学Grinholc等合作，详细研究了Ga-CHP对临床分离的超级耐药菌ESKAPE致病菌（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌）的抑制能力^[57]，结果显示Ga-CHP对所有耐药菌均具有显著抑制效果，在结合光动力治疗后，抑菌能力会被进一步提高，此外，Grinholc等证实了Ga-CHP对耐药性金黄色葡萄球菌引起的特应性皮炎（AD）具有显著治疗效果^[57]。

3.3 镓离子和卟啉镓联用

镓离子和卟啉镓是从不同的途径破坏细菌的铁摄取，因此，镓离子和镓卟啉阻断剂的联用可能会增加对细菌的抑制效果。Choi等的研究^[16]显示，在铁限制条件下，Ga-PP和Ga(NO₃)₃的协同组合对肺炎克雷伯菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有抑菌作用，对铜绿假单胞菌具有杀菌作用，两者的组合显著破坏了等离子包被表面的肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌生物膜，并提高了感染肺炎克雷伯菌或铜绿假单胞菌的秀丽隐杆线虫的存活率。此外，Ga-PP和黏菌素的联用，或者Ga(NO₃)₃和粘菌素的联用也显示出对肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌的协同活性。Choi等^[58]随后报道发现Ga-PP和Ga(NO₃)₃的联用对鸟分枝杆菌、脓肿分枝杆菌和结核分枝杆菌的生长也具有协同抑制活性，其中对脓肿分枝杆菌的抑制活性最强。活性测定表明，Ga(NO₃)₃和Ga-PP在高浓度下对过氧化氢酶和乌头酶均有抑制作用，但对脓肿分枝杆菌乌头酶活性有协同作用。经鼻腔给药，Ga(NO₃)₃和Ga-PP联合治疗组的小鼠肺部脓肿分枝杆菌细菌数量明显低于未治疗或单一药物治疗组的小鼠。这些研究结果表明，Ga(NO₃)₃和Ga-PP通过双重抑制铁和血红素代谢，对几种重要的人类细菌致病菌具有显著的协同作用。

4 结论与展望

基于镓盐类或者卟啉镓类的铁阻断抗菌剂具有显著的抗菌效果，尤其是卟啉镓类抗菌剂，其不仅能有效杀死革兰氏阳性菌和阴性菌，还对耐多种抗生素的超级细菌亦有显著抑制性。此外，相对于传统的抗生素，基于铁阻断抗菌机理的抗菌剂在杀死细菌的同时不易引起细菌耐药性，为解决当前抗生素耐药性危机提供了新的思路。

既往报道的铁阻断抗菌剂已经实现了对特定种类细菌的有效抑制，但对更多类细菌的广谱抗菌性仍待考察；目前关于铁阻断抗菌剂抗菌效果的研究多为实验室体外测试阶段，其在活体乃至临床阶段的有效性仍需大量数据的支持；此外，关于卟啉镓分子结构合成和结构优化方面的研究进展缓慢，详细研究分子结构和抗菌性之间的构效关系有助于提高卟啉镓类抗菌剂的溶解性、靶向性和药物利用度，为更有效分子的设计提供理论指导。

可以预见，基于镓盐或者卟啉镓的IBAT在杀死耐药菌、抑制细菌耐药性和对抗抗生素耐药性危机等方面发挥积极作用，在注射类抗菌剂、口服类抗菌药物以及抗菌医疗器械等领域具有良好发展前景。基于镓盐或卟啉镓的新型抗菌剂合成和优选、药物临床测试、药物剂型开发和抗菌机理探索，将是基于铁阻断抗菌机理新型药物研发工作的发展方向，也将进一步推动其实际应用。

参考文献

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