抗菌肽
——潛在的抗生素替代品

蔡菁

（四川大學華西藥學院 成都 610041）

抗生素耐藥性在微生物中廣泛存在的事實已經有據可查，促成這一發展的因素包括抗生素使用不當、廣譜抗生素的過度使用、抗生素在食品和畜牧業以及家用產品中的使用或添加等，它們導致了許多致病菌株的多藥耐藥性的產生從而成為臨床上的棘手問題。細菌的多藥耐藥性對人類健康是一個極大的威脅，它激勵我們努力開發包括潛在替代藥物的抗菌肽。

抗菌肽(Antimicrobial peptides，AMPs)是指有機體在真核生物的核糖體和原核生物非核糖體合成的小分子堿性多肽，如昆蟲抗菌肽、桿菌肽、多黏菌素等[1]，被稱為進化的古代兵器，在動植物中都有發現。抗菌肽在先天的非特異性防御系統中扮演重要的角色，賦予沒有事先接觸外來病原體而對感染產生抵抗作用，這些反應是由遺傳決定并為所有多細胞生物體所擁有，雖然它們的氨基酸序列各不相同，但它們能形成雙親螺旋結構允許AMPs的相互作用并瓦解細菌質膜。考慮到它們對細菌，真菌，包膜病毒和寄生蟲的廣譜活性，尋找抗菌肽作為新的治療藥物的潛力已經成為研究的焦點。抗菌肽因為其天然的抗菌能力、選擇性、功效和抗細菌耐藥性等方面的優勢，使它們成為現代臨床藥物開發的理想選擇。

1 抗菌肽的作用特點及應用前景

1.1 抗菌肽的結構和性質

抗菌肽結構一般少于50個氨基酸殘基，其中50%左右為疏水氨基酸，其靜電荷由來自堿性氨基酸（如賴氨酸和精氨酸）所帶的過量正電荷而呈正。按二級結構來分類，抗菌肽常見的是β折疊和α螺旋分子[2]：β折疊肽由二到三個二硫鍵來穩定結構(圖1 A)，而α螺旋僅有一個二硫鍵的環狀肽(圖1 B)。盡管它們的二級結構各不相同，但當它們折疊成兩性分子帶上電荷，親水部分和疏水部分相對隔離時的三維結構相似。這種兩性分子的組織形態使得帶正電荷的抗菌肽和帶負電荷的細菌質膜之間產生強相互作用，同時疏水基能促進抗菌肽滲透到質膜的脂質層中去。盡管將近900個抗菌肽序列已從各種生物體中得到分離到，但只有少數幾種已經確定了三維結構[3]。比如，日本的馬蹄蟹血細胞中分離得到的一種β-折疊類型的抗菌肽鱟素，它的結構特征是靠二硫鍵穩定的反向平行β-折疊。活性關系的研究表明這種β折疊型抗菌肽中的二硫鍵雖然對與抗菌活性是非必須的，但對于膜轉位是必需的。

1.2 抗菌肽的作用機制

抗菌肽的天然作用機制還無法確切得知，不過已有研究表明抗菌肽的作用模式跟它們的結構特性有很大的關系，它們的序列、分子大小、天然正電荷、疏水性和雙親性決定了它們和靶細胞的相互作用，這樣看來不同的抗菌肽針對不同的微生物主要是因為它們質膜之間的區別。簡單說來，是細菌質膜的組織形式和它們的磷脂雙分子層中帶負電和的磷酸基團頭部，使得細菌容易受抗菌肽的攻擊；另一方面，真核生物細胞膜中中性脂質分子占主要部分，使得不容易被抗菌肽攻擊。

圖1 抗菌肽結構類型

Shai-Matsuzaki-Huang(SMH)模型[4]是一個解釋抗菌作用的模型，更確切地說是解釋抗菌肽和細菌質膜最初相互作用的模型。假設提出無規則的小肽段采取一種三維結構與細菌質膜的相互作用折疊到雙親性分子層中，帶正電荷的一側直接與帶負電荷的細菌質膜的磷脂分子頭部相作用。接著脂質會被抗菌肽移位導致質膜上出現一個小的缺口。此后，抗菌肽分子聚集在一起形成一個能允許肽段轉位到靶標細胞內的通道。然而，不得不說現在對于通道形成的具體過程以及肽段的攝取都還頗具爭議。此外，學術界還有3種解釋抗菌肽小孔形成的模型，包括“桶板”模型(barrel-stove model)、“毯式”模型(carpet model)、“環形孔”模型(toroidal pore model)和“凝聚”模型(aggregate model)，目前還沒有一個統一的模型能解釋所有的抗菌肽作用機制[4-5]。

實際的抑菌活性作用是由于對細菌細胞膜的破壞，這可以通過很多種途徑達到，包括膜的去極化、制造膜上的孔洞使得內容物泄露、細胞壁的降解以及改變膜雙層結構中脂質的組成從而導致膜功能的紊亂。由于抗菌肽既能在細胞內部起作用也能激活致死途徑，這能誘導水解作用使得細胞壁降解，甚至可能破壞細胞內關鍵因子而導致細胞死亡。

1.3 耐藥性——細菌的抵抗

D'Costa的研究[6]表明抗生素耐藥性是一種普遍的自然現象，而據推測抗菌肽不同于青霉素那樣的抗生素，細菌對它一般不會產生耐藥性。然而，盡管有這么樂觀的預測，但還有一個重要因素必須考慮到，那就是耐藥性是否能不激活？耐受性似乎和抗菌肽與細菌質膜間的強制性作用不太相關，因為，抗菌肽的耐藥性得有細胞質膜的結構重組，而這是一個非常耗能的過程。

但是，少數細菌抵抗某些抗菌肽的例子確實存在，以前認為細菌質膜的改變不可能作為一種抵抗機制，但現在這已經被證實。這些改變包括摻入減少負電荷的元件以達到阻止抗菌肽在細胞膜上聚集的目的，從而阻止藥物進入細胞。例如，研究表明，金黃色葡萄球菌用L-賴氨酸修飾了胞質膜陰離子磷脂，造成細菌細胞膜凈負電荷的減少，導致細菌對抗菌肽的排斥和隨后的抗性[7]。相似地，革蘭陰性菌對脂多糖的修飾是細菌產生抗性的另一種機制，在一些病原菌如血清型鼠沙門氏菌中，脂多糖組分脂質A的修飾能夠使細菌對抗菌肽產生抗性，這些修飾包括脂肪酸的摻入從而降低細胞膜外層的滲透性、增加細胞膜結構的穩定性。研究表明PhoP-PhoQ調控系統是細菌對許多不同的抗菌肽產生抗性所必須的，而和PhoP-PhoQ同源的調控系統也大量存在革蘭陰性菌中。由此看來，抗性產生的關鍵在于減少細菌質膜所帶的負電荷，然而，除了上述提及的修飾方式，細菌還能改變自身細胞壁的疏水性和質膜的流動性，這也是應對抗菌肽的重要保護措施。雖然存在微生物對抗菌肽產生耐藥性的例子，但是完全沒有必要過度擔憂。因為微生物對抗菌肽的耐藥性機制會影響其生存和繁殖。耐藥性是微生物妥協其他功能的產物，例如：是以降低生長率為代價的。這就說明當外界不存在抗菌肽的時候，對抗菌肽敏感的微生物會與有耐藥性的菌株進行競爭，實驗發現耐藥性菌株付出的代價是：正常情況下，耐藥性菌株比對照菌需要花更多的時間進行DNA的復制等。所以只要嚴格控制抗菌肽的合理使用，就不會重蹈由于抗生素的誤用或濫用而導致細菌耐藥性產生的覆轍[8]。

1.4 抗菌肽潛在的治療應用

諸多因素決定了抗菌肽是新一代抗菌劑的理想候選者，如抗菌肽分子量相對較小因此容易合成，作用效果迅速，活性抗菌譜廣而且形成耐藥性的傾向較低，它們可能被用作單一的抗菌劑，也可能在聯合治療中被用作免疫調制劑或內毒素中和試劑。研究表明體外抗菌肽具有突出的抗菌活性，代表著充滿前景的新一類抗菌藥物，也有證據表明好的體外活性也許暗示著在動物體內同樣具有不錯的活性[9]。不過，在抗菌肽用于臨床治療之前還有很多的障礙需要克服。包括膜通過性，穩定性和對蛋白酶敏感性，對真核細胞不必要的毒性，以及大規模生產的高成本和可能導致的過敏。解析抗菌肽的二級結構有助于了解它如何發揮功能，只有這樣才能發現有效的抗菌肽用于藥物應用[10]。

目前也有一些用于臨床治療的抗菌肽，但為數不多。“第一代”抗菌肽是爪蟾皮膚抗菌素的變體，又叫培西加南，是一種22個氨基酸組成的合成肽，用于輔助傷口愈合，雖然相對無毒而且比較有效，但FDA還是因其并不比現行的治療方式有效而將其拒之門外。目前已進入臨床實驗階段的抗菌肽有細菌素、源于蛙馬蓋寧的MSI-78及源于豬Protegrin的IB-367[11]。同時也有一些抗菌肽得到FDA的許可用于治療試劑，這一類包括短桿菌肽S和多黏菌素B等，但不幸的是因為它們毒性較強而被限制使用。

抗菌肽和抗生素的聯合療法是有一條值得探索的光明大道，D-9-mer(異構體)肽對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和假單胞菌的體外抑制效果已經得到證實[12]。這些改造自昆蟲防御素的合成肽，由于和抗生素的結合能表現出協同或者疊加作用，通過和細菌質膜的相互作用，它們能夠增加質膜通透性，并且使得抗生素更容易接近細胞質中的靶標。某些抗菌肽有另一個令人興奮的特征，它們能抑制細菌抗生素外排泵的作用從而阻止抗生素的外泄。雖然抗菌肽作為治療藥劑前途一片光明，但為了探究體內使用效果、潛在的弊端以及抗菌肽和抗生素該如何結合仍需要做很多意義深遠的工作。

2 結語

抗菌肽的廣譜抗菌活性和作用機制等特性都使之成為發展治療藥物的較佳選擇，但是，在它們得到臨床應用之前必須解決一些限制因素，包括其毒性和穩定性，以及交付難度和大規模生產的高成本等，只有當這些限制因素解決了，基于抗菌肽的治療才能得以充分實現。另外，細菌對宿主防御肽形成交叉耐藥性的威脅也值得警惕，尤其是一些細菌病原體已經對抗菌肽也形成了有效的限制對策。因此，我們仍然需要從過去的錯誤中吸取經驗，而不是簡單地用一種形式的抗生素代替另外一種而不加以監管。

參考文獻

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