CN101570569B - 合成抗菌肽、其制备方法及应用 - Google Patents

合成抗菌肽、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合成抗菌肽,包括具有选自SEQ ID NO:1-SEQ ID NO:13氨基酸序列的多肽。还包括所述合成抗菌肽经环化、N末端和C末端修饰、L-型氨基酸转变为D-型氨基酸、序列末端缺失而得到的功能等同物的多肽。本发明的合成抗菌肽采用固相化学法进行合成。本发明的合成抗菌肽对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、真菌具有广谱杀伤活性,并较天然抗菌肽有更强的杀菌活性,但对动、植物细胞无任何毒害作用,可用于制备治疗感染性疾病的药物。

Description

合成抗菌肽、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及合成抗菌肽、其制备方法及在制备治疗细菌、真菌感染的药物中的应用,该抗菌肽对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌有显著的杀菌活性。
背景技术
抗菌肽是生物体经诱导产生的一种具有生物活性的小分子多肽,一般由20-60个氨基酸组成,分子量在2000-7000D左右。随着医学免疫学和分子生物学的迅速发展,抗菌肽的研究越来越成为生物技术与生物医药领域中的热门课题。迄今为止,在许多动物(尤其是昆虫)、植物、微生物和人体上已发现了超过200多种抗菌肽,这类短肽不仅对细菌、真菌有广谱的杀菌作用,而且对病毒、原虫及癌细胞也有攻击作用。临床试验也表明,在机体感染病菌或可能导致病菌感染的情况下,抗菌肽能快速杀灭已侵入的病菌,并且能阻止病菌的继续侵染。
研究结果表明抗菌肽通过破坏膜的完整性使细菌细胞膜渗漏而杀死细菌(Nakajima Y.etal.,J.Biol.Chem,262:1665-1669;Zasloff M.Nature,2002,415:389-395)。随着对抗菌肽一级结构和高级结构研究的不断深入,已有许多研究者对这些抗菌肽的结构和功能进行研究,发现在模拟膜的疏水环境下,分子中的螺旋度和两亲性与其杀菌活性密切相关。
天然发现的抗菌肽序列cecropin,其抗菌活性比较低,对金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌的最小抑菌浓度分别为50μg/ml和25μg/ml,临床使用价值比较低。为了提高抗菌肽的杀菌活性,本发明者对该天然抗菌肽的序列、结构进行分析,并在此基础上设计合成了一组肽,从而完成了本发明。
因此,本发明的第一个目的是提供新的合成抗菌肽。
本发明的第二个目的是提供所述抗菌肽的制备方法。
本发明的第三个目的是提供所述抗菌肽在制备治疗感染性疾病的药物上的应用。
发明内容
本发明提供一组合成抗菌肽,包括具有如下氨基酸序列的多肽:
CEGK(SEQ ID NO:1):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Ser His Leu Ala Lys Lys Phe
BQ(SEQ ID NO:2):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
K17(SEQ ID NO:3):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Lys Lys Lys Phe
L10(SEQ ID NO:4):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Leu Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
K6(SEQ ID NO:5):
Lys Trp Lys Ser Phe Lys Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
K11(SEQ ID NO:6):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Lys Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
A13(SEQ ID NO:7):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Ala Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
A9(SEQ ID NO:8):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Ala Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
A10(SEQ ID NO:9):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Ala Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
F2(SEQ ID NO:10):
Lys Phe Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
S9(SEQ ID NO:11):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Ser Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Lys Lys Phe
D18(SEQ ID NO:12):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Asp Lys Phe
N18(SEQ ID NO:13):
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala Asn Lys Phe
本发明提供的合成抗菌肽,是在对天然抗菌肽的序列、结构分析的基础上设计合成的。
本发明者在已有天然发现的抗菌肽序列cecropin的基础上,结合了DNAstar,Bioedit等分析软件,设计了一段含有20个氨基酸的新序列CEGK(SEQID NO:2),该序列在原有序列cecropin的基础上大大提高了两亲性,实验证明具有序列CEGK的抗菌肽有较好的杀菌活性。
对序列CEGK进行了一系列的氨基酸置换。将序列CEGK的14、16位氨基酸对调,降低了CEGK的两亲性,得到序列BQ(SEQ ID NO:2)。经实验证明,具有序列SEQ ID NO:2的抗菌肽BQ的杀菌活性是CEGK的4倍。
在BQ序列的基础上,经过氨基酸置换、环化、缺失、末端修饰等,筛选了一系列具有较好杀菌活性的抗菌肽:K17、L10、K6、K11、A13、A9、A10、F2、S9、D18和N18。
本发明的合成抗菌肽中还包括以上所述氨基酸序列SEQ ID NO:1-SEQ IDNO:13经环化、N末端和/或C末端的修饰、L-型氨基酸转变为D-型氨基酸、序列末端缺失中的一种或一种以上处理而得到的功能等同物的多肽。
本发明提供的合成抗菌肽的制备方法可以采用化学合成法或基因重组技术。
化学合成法以固相化学法为佳。基因重组技术系将抗菌肽的编码基因克隆到合适的载体上,然后在宿主细胞中表达后获得所需的抗菌肽。其中表达载体可以是质粒或病毒中的一种,宿主细胞可以是原核细胞,包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等,宿主细胞也可以是真核细胞,包括酵母细胞、植物细胞、昆虫细胞和哺乳动物细胞等。
固相化学法采用多肽合成仪自动控制,将经保护的氨基酸在Rink Amide-AM树脂柱或Wang树脂柱上按预先设计的顺序从C端到N端逐个进行偶合并脱保护。合成的多肽经过高浓度的TFA剪切后,用反向柱纯化,纯化后的多肽通过质谱分析进行鉴定。
利用96孔板法检测多肽的杀菌活性(In Yup Park etc;FEBS Letters;437(1998)258-262),以预先合成的天然抗菌肽buforin II、cecropin A1为对照,进行杀菌活性检测。结果表明本发明合成抗菌肽BQ的杀菌活性强于所述两种天然抗菌肽的杀菌活性。
同样,对多肽中氨基酸缺失、环化等得到的衍生物也进行了制备与生物活性测定。测定结果显示这些多肽的杀菌活性也基本上强于上述的天然抗菌肽的杀菌活性。
抗菌肽在高效杀菌的同时也有可能作用于高等有机体包括人体细胞,因为抗菌肽的作用方式都是在细胞膜上穿孔使得细胞发生渗漏死亡。所以把抗菌肽能否使红细胞发生渗漏作为其是否有毒性的一个标准,如果抗菌肽能使红细胞中的血红蛋白发生渗漏,就可以通过检测OD490值确定毒性的大小。因此本发明还检测了合成抗菌肽对人体红细胞的溶血活性,实验表明,抗菌肽溶血率值很低,证实本发明合成抗菌肽的溶血毒性极小。
此外,又对本发明合成抗菌肽进行动物体内急性毒性试验,证明合成抗菌肽无毒性作用。又进行合成抗菌肽对新西兰兔急性感染绿脓杆菌的抑制作用的试验,表明合成抗菌肽对绿脓杆菌感染有显著的抑制作用。
综上所述,本发明提供一组新的人工设计合成的抗菌肽。这些抗菌肽可方便地采用固相化学法制备或将编码抗菌肽的基因克隆到载体上,然后进入宿主细胞中表达后获得。该合成抗菌肽对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、真菌具有广谱杀伤活性,并较天然抗菌肽有更强的杀菌活性,但对动、植物细胞无任何毒害作用。
附图说明
图1是抗菌肽CEGK的螺旋透视图。
图2是抗菌肽BQ的螺旋透视图。
图3是抗菌肽BQ的质谱图。
具体实施方式
下面用实施例对本发明作进一步阐述。应当理解,这些实施例仅用于说明本发明而非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。
比较例1
采用美国应用生物系统公司生产的Pioneer多肽合成仪进行Cecropin A1和Buforin II的固相化学法合成。
Cecropin A1的序列(SEQ ID NO:14)如下(参见Morishima,I.,etc,Comp.Biochem.Physiol.,1990,B 95(3),551-554):
Arg Trp Lys Leu Phe Lys Lys Ile Glu Lys Val Gly Arg Asn Val Arg AspGly Leu Ile Lys Ala Gly Pro Ala Ile Ala Val Ile Gly Gln Ala Lys Ser Leu
Buforin II的序列(SEQ ID NO:15)如下(参见Park,C.B.,Biochem.Biophys.Res.Commun.1996,218(1),408-413):
Thr Arg Ser Ser Arg Ala Gly Leu Gln Phe Pro Val Gly Arg Val His ArgLeu Leu Arg Lys
合成的Cecropin A1和Buforin II用作以下实验例中的对照。
实施例1  抗菌肽的制备及分离纯化
本实施例采用固相化学合成法,所用仪器为美国应用生物系统公司生产的Pioneer多肽合成仪。合成的多肽经过高浓度的TFA剪切后,用反向柱纯化,纯化后的多肽通过质谱鉴定。具体试验步骤如下:
1、抗菌肽的制备(以制备0.1mmol量为例)
以下所有制备抗菌肽的试剂均购于美国应用生物系统公司。
1.1抗菌肽BQ的制备
BQ多肽序列为序列表中的SEQ ID NO:2:
BQ:Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser Ala LysLys Phe
抗菌肽BQ的制备系从C端到N端逐个进行氨基酸的连接,由合成仪自动控制。首先称量结合了第一个氨基酸即Fmoc-Phe-OH的树脂(Rink Amide-AM,购于吉尔生化上海有限公司)0.1mmol,装柱,再用20%哌啶二甲基甲酰胺溶液脱保护去掉Fmoc,然后用二甲基甲酰胺清洗。将用9-笏甲氧羰基(Fmoc)保护的各相应游离氨基酸溶解于并啶并三氮唑四甲基六氟磷酸盐(HATU)/二异丙基乙基胺(DIPEA)中,溶解后的溶液相继在柱上循环偶合,各反应30分钟,用二甲基甲酰胺清洗去掉Fmoc,重复以上脱保护和偶合反应步骤,直到制备结束(具体操作步骤见pioneer多肽合成仪操作指南)。
制备后的多肽经如下步骤剪切:
取下反应后的树脂,加入B型剪切液(88%三氟乙酸、5%苯酚、5%水、2%三异丙基硅烷),室温反应2小时,过滤,滤出液中加入10倍体积的预冷无水乙醚,4000转/分钟离心10分钟,收集沉淀并室温干燥。
1.2其他抗菌肽的制备
根据所设计的氨基酸序列,按制备抗菌肽BQ同样的方法制得如下抗菌肽K17、L10、K6、K11、A13、A9、A10、F2、S9、D18和N18(表1)。
表1
  序列名称   多肽序列   理论分子量   实测分子量
  BQ   KWKSFIKKLTSKFLHSAKKF   2452   2452.6
  K17   KWKSFIKKLTSKFLHSKKKF   2509   2509.3
  L10   KWKSFIKKLLSKFLHSAKKF   2464   2464.5
  K6   KWKSFKKKLTSKFLHSAKKF   2467   2466.8
  K11   KWKSFIKKLTKKFLHSAKKF   2493   2493.4
  A13   KWKSFIKKLTSKALHSAKKF   2376   2375.9
  A9   KWKSFIKKATSKFLHSAKKF   2410   2409.6
  A10   KWKSFIKKLASKFLHSAKKF   2422   2422.2
  F2   KFKSFIKKLTSKFLHSAKKF   2413   2412.5
  S9   KWKSFIKKSTSKFLHSAKKF   2426   2425.3
  D18   KWKSFIKKLTSKFLHSADKF   2439   2438.7
  N18   KWKSFIKKLTSKFLHSANKF   2438   2438.2
2、抗菌肽的纯化
称量一定量干燥后的多肽,溶于0.1%三氟乙酸,样品处理后经反向柱分离(洗脱液为含80%乙腈的0.1%三氟乙酸),收集洗脱峰。
3、抗菌肽的鉴定
如图3所示,制备的抗菌肽BQ经过质谱分析,BQ在质谱图中显示的分子量2452.6道尔顿,与理论值一致,证明合成的多肽正确。质谱图显示的分子量计算如下:
409.75×6-6=2452.5
491.55×5-5=2452.75
614.15×4-4=2452.6
将上述三个数值平均得到分子量为2452.6。
将制得的各抗菌肽经过质谱分析,分别得到各自的分子量(表1),这些实测值与理论值一致,证明合成的多肽正确。
实施例2  合成抗菌肽的杀菌活性检测和体外溶血活性检测
以下实施例中所使用的菌株绿脓杆菌CMCC10104、金黄色葡萄球菌CMCC26003购于中国生物制品检定所。
采用96孔板法对合成抗菌肽的杀菌活性进行检测,并用固相化学法合成的抗菌肽cecropin A1和buforin II作为对照,以评价本发明中各种抗菌肽的杀菌活性。
按以下步骤进行测定抗菌肽的杀菌活性:
菌种复苏,接种斜面37℃培养过夜,挑菌于普通LB培养基中,37℃培养过夜,稀释菌液使菌浓度为104-105CFU/ml,按每孔100μl菌液接种于96孔板中,将多肽以一定比例稀释后,每孔中加入10μl,将96孔板置于37℃培养过夜,用酶标仪检测OD620值(In Yup Park etc;FEBS Letters;437(1998)258-262)。检测结果见表2。
含有抗菌肽的细菌的生长浓度(OD620)与不加抗菌肽的细菌的生长浓度的比值大于90%时的抗菌肽浓度即为最小抑菌浓度(最小抑菌浓度(MIC)定义为显著抑制细菌生长的最低的浓度)。
按以下步骤进行抗菌肽溶血活性测定:
用检测新鲜的4%红细胞悬液中血红蛋白的释放(在414nm下的OD值)来测定抗菌肽的溶血活性。人红细胞经PBS(PBS:35mM磷酸缓冲液/0.15MNaCl,pH7.0)洗涤,取100μl的8%人红细胞悬液于96孔板中,每孔中加入100μl抗菌肽溶液,置于37℃一小时后,1500rpm离心5分钟,转移100μl上清于新的96孔板中,通过酶标仪检测414nm下的吸收。溶血率=OD414(测试组)/OD414(阳性组)。溶血活性大于500μg/ml表明该抗菌肽的溶血毒性很小,安全性好。阴性对照用PBS,阳性对照用0.1%TritonX-100。检测结果见表2。
表2  不同抗菌肽对细菌的最小抑菌浓度(MIC)和溶血活性的比较
Figure S2008100367689D00081
上表中的最小抑菌浓度值越小,代表抗菌能力越强。溶血活性的值越大表明抗菌肽的毒性越小。结果表明经过修饰改造后的抗菌肽的杀菌活性与cecropin相比提高了十余倍,非常有希望进一步开发成为治疗感染的药品。
实施例3  抗菌肽环化衍生物的杀菌活性检测
用固相合成的方法合成BQ等多肽环化后的修饰产物。合成方法见美国应用生物系统公司(Applied Biosystems)pioneer多肽合成仪操作指南。合成产物经过分离纯化后,检测了衍生物对绿脓杆菌的最小抑菌浓度,杀菌活性检测同实施例2,检测结果见表3。
表3  抗菌肽环化衍生物的杀菌活性检测
Figure S2008100367689D00091
结果表明本发明的抗菌肽经过环化后还保持了很好的抗菌活性。
实施例4  抗菌肽N末端和C末端修饰产物的杀菌活性检测
设计合成抗菌肽功能等同物:以多肽BQ为例,制备N末端酰化修饰、N末端聚乙二醇修饰、C末端酰化修饰的修饰产物。合成方法见美国应用生物系统公司(Applied Biosystems)pioneer多肽合成仪操作指南。多肽BQ的酰化反应和PEG修饰反应简述如下:
1.多肽BQ的PEG修饰反应:
1)甲氧基聚乙二醇甲酸琥珀酰亚胺酯(SC-mPEG)的制备
将甲氧基聚乙二醇2000 12g和三光气3g溶于甲苯90ml/二氯甲烷50ml混合液中,滴加无水三乙胺5ml,搅拌过夜。将溶剂抽干,所得固体用甲苯90ml/二氯甲烷50ml溶解后加入羟基琥珀酰亚胺0.6g进行反应。取三乙胺1.5ml,溶解在15ml二氯甲烷中,混匀后滴加到上述反应液中,继续反应5小时。过滤,固体用热三乙胺3L溶解,过滤,滤液冷却后所得结晶即SC-mPEG粗品,用三乙胺重结晶,得到纯品。
2)多肽BQ的PEG修饰
多肽BQ 0.1mmol,溶解在磷酸缓冲液中,加入SC-mPEG 0.15mmol,室温反应5h。反应完成后,抽真空浓缩。残留物用蒸馏水溶解后,对水透析48小时。冻干,用反相HPLC进行纯化。
2.多肽BQ的酰化修饰反应:
将1mmol多肽BQ溶解在50mM碳酸氢铵溶液20ml中,加入乙酰化试剂(醋酸酐∶甲醇=1∶3)50ml。室温下反应一个小时。冻干,用MS分析乙酰化结果。
按上述制备多肽BQ修饰产物同样的方法制备其他抗菌肽的修饰产物。
合成上述修饰产物后,采用与实施例2同样的方法检测其对金黄色葡萄球菌的杀菌活性,检测结果见表4。
表4  抗菌肽N末端和C末端修饰产物的杀菌活性检测
Figure S2008100367689D00101
结果表明抗菌肽经过末端修饰后还保持了很好的抗菌活性。
实施例5  抗菌肽经过末端缺失后修饰产物的杀菌活性检测
设计合成抗菌肽功能等同物:多肽经过N末端和C末端缺失后的修饰产物。合成方法见美国应用生物系统公司(Applied Biosystems)pioneer多肽合成仪操作指南。合成产物经过分离纯化(同实施例1)后,检测了衍生物对绿脓杆菌的最小抑菌浓度,杀菌活性检测同实施例2,检测结果见表5。
表5  抗菌肽经过末端缺失后修饰产物的杀菌活性检测
Figure S2008100367689D00111
结果表明抗菌肽经过末端缺失后还保持了很好的抗菌活性。
实施例6  动物体内急性毒性试验
本实施例用固相化学法合成的抗菌肽cecropin A1和buforinII作为对照,测定本发明提供的抗菌肽的急性毒性。
采用昆明小白鼠60只,雌雄各半,体重22±0.25g,抗菌肽按1mg/kg剂量,每日一次连续7天经肌注小白鼠,观察动物在最大剂量下毒性反应。实验结果表明,动物经肌注抗菌肽7天后,无异常反应,活动正常。经7天观察,60只小白鼠全部存活。
实施例7  抗菌肽治疗新西兰兔烧伤感染实验
本发明的抗菌肽外用治疗新西兰兔烧伤创面绿脓杆菌感染。
(1)动物模型的建立:新西兰兔,以电烙铁造成兔背部皮肤II-III度烧伤(80℃,30秒)面积约6-7%(20-30cm2)。烧伤后过夜(18-20小时),烧伤部位用刀片划伤,感染绿脓杆菌,感染浓度为109cfu/ml绿脓杆菌(ATCC 25923)液,每个部位感染0.5ml菌液。
(2)实验性治疗:将抗菌肽BQ生理盐水溶液(10μg/ml)直接喷雾于伤口表面。阳性对照组用磺胺嘧啶银、阴性对照组用生理盐水作同样的处理。检测创面细菌转阴率。实验结果表明:用抗菌肽治疗的创面在三天后创面细菌全部转阴,而用磺胺嘧啶银治疗的创面只有35%转阴,本发明的合成抗菌肽对创面绿脓杆菌感染的治疗效果显著优于磺胺嘧啶银。
以上抑菌试验和实验性治疗试验的结果均提示,本发明的抗菌肽非常有希望开发成为治疗感染性疾病的药物。
SEQUENCE LISTING
<110>昆山博青生物科技有限公司
<120>合成抗菌肽、其制备方法及应用
<130>CN081040
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<213>人工序列
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<212>PRT
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<210>9
<211>20
<212>PRT
<213>人工序列
<400>9
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Ala Ser Lys Phe Leu His Ser
1               5                   10                  15
Ala Lys Lys Phe
            20
<210>10
<211>20
<212>PRT
<213>人工序列
<400>10
Lys Phe Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser
1               5                   10                  15
Ala Lys Lys Phe
            20
<210>11
<211>20
<212>PRT
<213>人工序列
<400>11
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Ser Thr Ser Lys Phe Leu His Ser
1               5                   10                  15
Ala Lys Lys Phe
            20
<210>12
<211>20
<212>PRT
<213>人工序列
<400>12
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser
1               5                   10                  15
Ala Asp Lys Phe
            20
<210>13
<211>20
<212>PRT
<213>人工序列
<400>13
Lys Trp Lys Ser Phe Ile Lys Lys Leu Thr Ser Lys Phe Leu His Ser
1               5                   10                  15
Ala Asn Lys Phe
            20
<210>14
<211>35
<212>PRT
<213>人工序列
<400>14
Arg Trp Lys Leu Phe Lys Lys Ile Glu Lys Val Gly Arg Asn Val Arg
1               5                   10                  15
Asp Gly Leu Ile Lys Ala Gly Pro Ala Ile Ala Val Ile Gly Gln Ala
            20                  25                  30
Lys Ser Leu
        35
<210>15
<211>21
<212>PRT
<213>人工序列
<400>15
Thr Arg Ser Ser Arg Ala Gly Leu Gln Phe Pro Val Gly Arg Val His
1               5                   10                  15
Arg Leu Leu Arg Lys
            20

Claims (7)

1.合成抗菌肽,其特征在于包括选自SEQID NO:1-SEQ ID NO:13氨基酸序列的多肽。
2.根据权利要求1所述的合成抗菌肽,其中还包括所述氨基酸序列经环化、N末端和/或C末端的修饰、L-型氨基酸转变为D-型氨基酸、序列末端缺失中的一种或一种以上处理而得到的功能等同物的多肽。
3.根据权利要求2所述的合成抗菌肽,其中所述的N末端和C末端的修饰为酰化或聚乙二醇化。
4.权利要求1-3之一所述合成抗菌肽的制备方法,其特征在于,采用化学合成法或基因重组技术。
5.如权利要求4所述的制备方法,其中所述化学合成法采用固相化学合成法。
6.权利要求1-3所述合成抗菌肽在制备治疗感染性疾病的药物中的应用。
7.如权利要求6所述的应用,其中所述感染性疾病包括绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌引起的感染。
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