抗菌肽的研究進展

胡　凌，林星宇，盧　鵬，陳有才，張　軍，胡衛杰，武　剛

（1.四川省自貢市動物疫病預防控制中心，四川　自貢　643000；2.四川農業大學動物醫學院；3.西南交通大學）

抗菌肽的研究進展

胡凌1，林星宇2，盧鵬3，陳有才1，張軍1，胡衛杰1，武剛1

（1.四川省自貢市動物疫病預防控制中心，四川自貢643000；2.四川農業大學動物醫學院；3.西南交通大學）

1　概述

隨著傳統抗生素的大量使用，藥物殘留和菌株耐藥性等問題變得越來越嚴重，尋找新型抗生素替代品已迫在眉睫。抗菌肽以其獨特的抗菌機制及不易產生耐藥性等優點，引起了學界的廣泛關注，學者們普遍認為其在替代傳統抗生素、減少菌株耐藥性等方面具有廣闊的應用前景。1972年，Boman等首先從果蠅中發現了抗菌肽。1974年，Boman等又從天蠶蛾蛹的血液淋巴中發現了具有抗菌活性的多肽；1980年，Huhmark等從惜古比天蠶蛹中分離到3種抗菌多肽，后來將其發現的抗菌肽命名為Cecropin（天蠶素）；1981年，Steiner等在Nature上發表了CecropinA和CecropinB的氨基酸序列，這被認為是第一個真正意義上的抗菌肽。此后，抗菌肽被分離、純化和鑒定的種類數量越來越多，至今已有兩千多種抗菌肽及其類似物被發現。

抗菌肽（antibacterialpeptides）又被稱為抗微生物肽（antimicrobialpeptides，AMPs），是一類具有抗微生物活性的小分子多肽，動物、植物、真菌和細菌都能產生，一般由12～50個氨基酸組成，是機體天然免疫系統的重要組成部分。AMPs首先是作為抗生素替代品被人們所知的，相比于傳統抗生素，細菌對AMPs不易產生抗性、耐藥性。因為AMPs主要通過與細胞膜相互作用來殺菌而不是抑菌，而傳統抗生素一般是抑菌而不是殺菌。且AMPs的抗菌機制除了破壞細胞膜外，還能進入細胞膜內去抑制一系列的生理生化反應；有些AMPs兼具破壞膜完整性和抑制生理生化反應的雙重作用機制。值得注意的是，AMPs的本質是多肽，因此其生物活性與其理化性質密切相關，相關理化因素的改變將會導致AMPs生物活性的變化。

2　抗菌肽的分類

AMPs的來源廣泛、數量眾多，因而AMPs的分類方法多種多樣，下面介紹幾種目前常用的分類方法。人們依據AMPs的來源不同，將其分為哺乳動物AMPs、昆蟲AMPs、水生動物AMPs、兩棲類AMPs、禽類AMPs、植物AMPs、真菌AMPs和細菌AMPs等。依據合成形式的不同，將其分為核糖體合成的AMPs和非核糖體合成的AMPs。依據所帶電荷的不同，又可分為陽離子AMPs和陰離子AMPs。

依據AMPs的二級結構不同，將其分為α-螺旋型AMPs、β-折疊型AMPs、環形結構AMPs和富含某些氨基酸殘基的AMPs。

3　抗菌肽的作用機理

3.1抗菌肽的抗菌機制

由于AMPs大多都帶正電荷，其首先通過靜電引力與細胞膜上的負電荷區域相互作用，再經一系列的過程最終在細胞膜上形成孔洞或者進入細胞，進而達到殺死細菌的作用。無論如何，AMPs與細胞膜之間相互作用是其發揮抗菌機制的第一步。有些AMPs還能穿透胞膜到細胞內，作用于DNA、RNA、酶和蛋白質等分子，除了直接抑制細胞內核酸、蛋白質等生物大分子的合成，還可以抑制細胞的呼吸作用和細胞壁的合成。

3.2抗菌肽的抗病毒機制

研究發現，AMPs不僅能夠殺死細菌，而且還能抑制病毒，這為抗病毒藥物的研發提供了新的途徑。其抑制病毒的機理為：①直接與病毒衣殼蛋白相互作用，阻斷病毒的吸附侵入；②抑制病毒基因表達和病毒蛋白合成，從而抑制病毒的復制；③上調干擾素和趨化因子的表達，刺激宿主細胞的抗病毒免疫系統從而間接發揮其抗病毒活性。

3.3抗菌肽的抗真菌機制

AMPs對真菌也有一定的殺傷作用，其作用機理為：①妨礙真菌細胞壁的正常合成，從而殺死真菌；②與細胞內線粒體及核酸等細胞器相互作用，比如其進入細胞內導致ATP外流，從而導致真菌死亡；③胞膜攻擊作用，與抗菌機制相似，其可以破壞真菌細胞膜結構，使得重要內容物外漏，從而導致細胞死亡，這也是AMPs殺傷真菌細胞的最基本的作用機制。

3.4抗菌肽的抗腫瘤機制

AMPs除了能對細菌、病毒、真菌等有抑制作用外，還具有抑制或者殺滅腫瘤的作用，這一發現引起了學者們的關注，對其作用機制的研究也越來越多。目前，發現的作用機制有：①通過攻擊腫瘤細胞的細胞膜，從而在其細胞膜上形成孔道，引起細胞內容物大量滲出，最終使腫瘤細胞不能維持滲透壓而死亡；②破壞腫瘤細胞的內部結構，主要使腫瘤細胞染色體DNA斷裂，從而達到破壞細胞骨架的目的；③通過線粒體途徑和死亡受體途徑等誘導腫瘤細胞凋亡。

4　抗菌肽的基因工程研究

AMPs以其獨特的抗菌機制及不易產生耐藥性等優點，在替代傳統抗生素、減少菌株耐藥性等方面顯示出廣闊的應用前景。但AMPs的獲得途徑有限，限制了AMPs產品的開發和應用。因此利用基因工程技術來獲得AMPs具有重要意義，其不僅可使生產AMPs的成本降低、還可以使其產量提高。但由于AMPs為具有生物學活性的小分子多肽，因而其容易被蛋白酶降解，且其表達產物通常會殺傷宿主，這使得利用基因工程技術來獲得AMPs較為困難。為解決這些問題，科學家們做了許多的探索，最終找到了一些途徑來避免這些問題的發生。比如可通過融合表達的方式來獲得AMPs以避免其對宿主的傷害，或者用真核表達系統來替代原核表達系統保證AMPs的順利表達。目前，一般使用原核表達系統和酵母表達系統來獲得AMPs。

5　抗菌肽在畜牧業中的應用

5.1抗菌肽在飼料添加劑中的應用

研究發現，在飼料添加劑中使用AMPs能夠促進動物生長。此后，學者們對此進行了大量的試驗。汪以真等研究發現，重組豬乳鐵蛋白（rPLF）不僅對豬腸道微生物菌群有類似于抗生素的調節作用，同時其還能促進益生菌的生長，從而促進動物的生長。馬衛明等研究發現，豬小腸AMPs能夠使雛雞小腸對營養物質的消化吸收增加，從而促進雛雞的生長發育。陳曉生等用CADYP飼喂肉鴨，發現CADYP能顯著提高肉鴨的日增重和凈肉率。綜上表明，AMPs用作飼料添加劑有良好的應用前景。隨著AMPs的生產成本降低，在動物生產中的應用也將會越來越廣泛。

5.2抗菌肽在疫病防治中的作用

大量研究表明，AMPs具有廣譜的抗菌活性，可在一定程度上減少抗生素的臨床用量，減少耐藥菌株的出現。陳曉生等比較了蠶抗菌肽-AD制劑與金霉素對鴨腸道菌群（大腸桿菌和乳酸菌）的影響情況。結果發現，AMPs對這兩種細菌都有明顯的抑制作用，而金霉素只對乳酸菌有顯著抑制作用，對大腸桿菌抑制作用并不顯著，初步證明AMPs調節雛鴨腸道菌群平衡能力優于金霉素。馬衛明等研究發現，豬小腸AMPs對多種致病菌均有不同程度的抑制作用，其殺菌率由59.5%～98.5%不等。汪以真等比較了7種 AMPs（cecropinP1、cecropinA、magainin2、defensin1、bactenecin、lactoferricin和indolicidin）與4種抗生素（鹽酸金霉素、去甲萬古霉素、土霉素、強力霉素）體外對大腸桿菌K88、大腸桿菌（ATCC25922）、豬霍亂沙門氏菌（ATCC50020）、鼠傷寒沙門氏菌和金黃色葡萄球菌（ATCC25923）的抑菌效果，發現AMPs對幾種革蘭氏陽性菌和陰性菌有不同程度的抗菌效果，盡管抗生素對金黃色葡萄球菌的抑菌效果要好于AMPs，但某些AMPs對大腸桿菌和沙門氏菌的抑菌效果優于抗生素。馬曉艷等研究發現，新疆家蠶抗菌肽（CecropinXJ）對革蘭氏陽性球菌的生長有抑制作用，而對大腸桿菌抑制作用不明顯。其抑菌效果雖沒有抗生素抑菌效果好，但可與抗生素聯合使用來減少耐藥性。王芳等的體外抑菌試驗表明，Nisin在普通肉湯和牛奶中對奶牛乳房炎的主要致病菌金黃色葡萄球菌和無乳鏈球菌均有良好的抑制作用，且對青霉素耐藥的菌株也具有較好的抑制作用。

6　面臨的問題

隨著AMPs在臨床上的應用，必將為生物醫藥領域帶來一場新的革命。但如果要將AMPs藥物全面推向市場可能還要面臨許多的挑戰，還需解決以下幾個問題。

6.1抗菌肽的安全性問題

目前，我們缺少AMPs藥效動力學和毒理學（包括潛在的免疫毒性）等方面的研究數據；異源性的AMPs應用于動物或在人類全身用藥時可能會引起過敏反應；許多天然AMPs都有溶血作用，不利于AMPs的藥物開發。因此，如何在保持AMPs生物學活性的同時，降低其細胞毒性是急需解決的問題之一。

6.2抗菌肽的體內穩定性問題

AMPs雖具有一定的熱穩定性，但其一級結構中含有多個堿性氨基酸殘基（如賴氨酸、精氨酸），因而容易被蛋白酶降解，從而限制了AMPs作為藥物在體內的使用。因此，如何使AMPs在體內避免被蛋白酶降解也是需要解決的問題，這直接關系到AMPs藥物的應用效果。

6.3抗菌肽的耐藥性問題

從進化的觀點來看，既然有些細菌可以產生AMPs，因此其也必然存在逃避自身AMPs的作用機制。從生物學的觀點來看，雖然AMPs對細菌有多種作用機制，但一般以細胞膜為其主要的作用靶點，進而改變膜完整性或干擾胞內生理生化反應導致細菌死亡。因此，細菌可以通過減弱與AMPs結合、降低AMPs有效濃度等方式產生對AMPs的耐受。研究證實，病原微生物可通過分泌蛋白酶降解胞外AMPs；降低細胞外膜負電荷從而減少與AMPs結合；修飾細胞外膜屏蔽AMPs；排出已進入細胞內的AMPs；改變膜流動性等方式來抵御AMPs的作用。□