關于抗菌肽對HIV—1顆粒作用機制的分析和臨床應用創新的思考

朱秀舉 王志偉

摘要：為更好地應用抗菌肽預防與治療艾滋病，本文通過類比法分析了抗菌肽對細菌細胞的作用機制，分析結果揭示了抗菌肽與細菌細胞膜的作用機理，以此為據揭示了抗菌肽對病毒包膜的作用機理，為抗菌肽應用提供了依據。本文還分析了抗菌肽在臨床治療和預防艾滋病方面的創新應用，提出了預防與治療艾滋病的新思路。

關鍵詞：抗菌肽、HIV-1包膜、糖蛋白gp120、糖蛋白gp41、疏水性

【中圖分類號】749 【文獻標識碼】A 【文章編號】2107-2306（2019）02-144-02

1、引言

眾所周知，艾滋病是人類社會的頑疾，現有的治療艾滋病的藥物并不能徹底地殺滅艾滋病毒，只能最大限度和持久地降低病毒載量，獲得免疫功能重建和維持免疫功能，一些治療效果好但是副作用巨大的藥品不能被使用。由于HIV-1病毒的變異性極強，單一的特異性藥物往往在用藥初期效果顯著，但在1-2周后由于藥物不能控制變異病毒導致已經下降的病毒數量反跳式上升，使得治療效果急劇下降。所以，尋找一種能夠具有廣譜性且能夠破壞其基本結構，具有抵抗多種變異性病毒的抗病毒物質極為關鍵。

抗菌肽是一類分子量小、穩定性好、具有廣譜抗菌性的肽類物質，在食品、醫藥、農業等領域均有著廣泛的應用前景。目前隨著研究的進行，全球已經建立起了一些較為完備的抗菌肽數據庫[1]如APD數據庫、ANTIMIC數據庫、APPDb數據庫等，這些數據庫可以讓我們更加方便地對抗菌肽進行各種研究，包括序列比對、分析，結構預測，分子改造設計等。抗菌肽來源廣泛，種類眾多。下面筆者重點介紹與人類息息相關的防御素。

2、作用機制假說

目前隨著對抗菌肽的深入研究，其作用于細菌細胞的機制逐漸明朗，較有說服力的抗菌肽作用機制為抗菌肽與細胞膜的作用[2]：陽離子抗菌肽的正電荷區域與細胞膜上的負電荷區域相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入細胞膜的脂質膜中，進而改變脂質膜結構，抗菌肽與細胞膜作用后形成跨膜電位，影響滲透壓平衡，導致細胞形態的變化，并且可能會使細胞內容物流出，抑制細胞的生命活動，這種抗菌肽與膜的相互作用直接關系到抗菌肽的抗菌活性[3]。

HIV感染人體后，主要侵犯T淋巴細胞及巨噬細胞，并由它的毒粒膜蛋白gp120與細胞表面的CD4受體蛋白結合，這種分子結合作用的特異性很高，親和力很強，HIV與受體結合后，病毒核心進入細胞并在酶作用下脫去蛋白殼，以病毒RNA為模板合成單鏈DNA，隨之經細胞的DNA聚合酶合成雙鏈cDNA。cDNA經環化后整合到細胞染色體上。病毒核酸隨細胞的分裂而傳至子代細胞，所以HIV-1可以長期潛伏。在某些因子的作用下，病毒基因組被激活，轉錄為RNA，部分作為新病毒的基因組，部分作為病毒翻譯蛋白所需的mRNA，翻譯出病毒結構蛋白及各種毒粒酶，經裝配形成HIV核心顆粒，核心顆粒從細胞膜上芽生時，獲得包膜成為成熟的病毒去感染新的細胞。病毒大量復制，造成感染細胞死亡。

其中的關鍵是，HIV病毒顆粒外面由一層包膜包裹，它表面上的突起（Spike）是由糖蛋白gpl20和gp41通過非共價鍵結合而成的。HIV包膜糖蛋白在病毒感染的過程中起著極其重要的作用，并且病毒侵染宿主細胞從病毒包膜與細胞膜的融合開始，如果我們能夠借助抗菌肽與病毒包膜的相互作用來破壞病毒包膜，那么HIV病毒對正常人體細胞就不能進行識別與攻擊，從而大大控制了病毒載量，實現長久對艾滋病的治療乃至治愈。

3、臨床應用前景思考

從上述作用機制出發，筆者可以進而分析抗菌肽的實際應用前景。由于抗菌肽與HIV-1顆粒直接接觸作用，所以其主要抵御艾滋病毒侵染細胞的第一階段，即在病毒進入時或進入前發揮作用。由此，筆者可以想到抗菌肽可以作為阻斷艾滋病傳播的重要方法。抗菌肽可以被設計作為女性陰道表面清洗除菌劑的重要成分起到防護屏障作用，在陰道混合液里與可能存在的HIV-1顆粒直接接觸，起到很好的殺滅艾滋病毒的作用，從而阻斷艾滋病的性傳播途徑，我們亟需驗證抗菌肽在精液與陰道液體存在時生理活性及其對黏膜細胞的影響。我們可以在動物模型中進一步評價，以檢測其對黏膜組織的毒性以及單獨或與其他潛在化合物聯合阻斷HIV-1性傳播的能力。同樣地，抗菌肽可以作為一種微量清除劑加入到血液制品與母乳中去，將溶液中懸浮的HIV-1顆粒殺滅，從而大大降低了艾滋病傳播的風險。這為阻斷艾滋病的傳播途徑，進而消滅艾滋病提供了可能。

與此同時，筆者發現有些存在于靈長類動物的抗菌肽在人體中并不存在。如θ-防御素由于提前產生終止密碼子，不會在人體中表達。目前尚不清楚此種機制是否會導致人類抵抗HIV的能力減弱。但巧合的是沉默的θ-防御素基因可以通過氨基糖甙類來讀取通過提前終止密碼子被“重新喚醒”[5]。通過這種方法我們或許能夠構建更強的自身免疫系統，從而實現預防與治療艾滋病的作用。但是我們亟需驗證氨基糖苷類這類物質的特異性與安全性，倘若這類物質意外地將其他沉默基因激活，則可能導致不希望的結果發生（比如誘發癌癥）。所以我們需要大量實驗來驗證其安全性。

筆者認為應用抗菌肽的關鍵要控制其選擇性，最大限度地降低其對人體細胞的毒害作用。由于抗菌肽的疏水性為抗菌肽的一個基本特性，會影響抗菌肽的選擇性，疏水性可能會驅使抗菌肽與哺乳動物細胞膜相互作用，該種細胞膜由兩性離子磷脂分子組成。實驗證實[6]增加Dermaseptin S4抗菌肽凈正電荷，降低Dermaseptin S4疏水性能夠導致其溶血活性降低，抗菌活性升高。因此，我們可以針對cecropins、magainins和defensins等主要家族的抗菌肽進行過改造或者雜合[6]，控制其疏水性，增加凈正電荷，生產出低毒性，更加高效、廣譜的抗菌肽。將改造實驗后的肽類物質進行氨基酸測序，并以此推測編碼該種抗菌肽的基因序列，利用基因工程的技術構造一種融合性基因載體，利用工程菌大量生產此類融合蛋白，將抗菌肽分離純化，人工修飾，從而生產出具有生物活性的抗菌肽，通過細胞培養實驗和活體動物實驗的方法檢驗人工合成的抗菌肽對病毒的抑制作用及可能出現的不良反應。由于艾滋病人本身免疫缺陷，所以注入此類肽類物質不會引起強烈的免疫反應。抗菌肽通過破壞HIV-1顆粒基本結構而不與HIV-1受體發生特異性相互作用來預防HIV-1感染。因此，理論上出現對此類肽的抗性的概率很小，所以抗菌肽具有長期抑制艾滋病的能力。

上述動物實驗成功后，我們還需要進行大量的臨床試驗，筆者相信抗菌肽最終能夠在艾滋病治療與阻斷艾滋病傳播方面起到重要作用，為廣大艾滋病患者帶來福音。

4、總結與展望

抗菌肽作為生物體天然免疫系統的重要組成部分，其作用越來越受到人們的關注。由于全球抗生素藥物的濫用，越來越多的細菌對傳統的抗生素產生了耐藥性，由于抗菌肽具有廣譜性和很好的穩定性，未來抗菌肽極有可能替代抗生素成為抗菌治療的主要藥物。部分抗菌肽具有殺精活性和抗性傳播微生物活性，這些肽有望開發為聯合避孕藥物和抗性傳播微生物藥物。此外，抗菌肽在抗真菌、抗癌、抗寄生蟲等方面均具有廣闊的前景，本文不再一一贅述。

參考文獻

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[2]李冠楠，夏雪娟，隆耀航，李姣蓉，武婧潔，朱勇. 抗菌肽的研究進展及其應用[J].動物營養學報， 2014，26（1）：17-25

[3] 陳雪琴. 大腸桿菌無細胞系統合成人β-防御素和艾滋病病毒蛋白的研究[D].博士學位論文. 杭州：浙江大學，2006.

[4]PANDEY B K，SRIVASTAVA S，SINGH M，et a1.Inducing toxicity by introducing a leucine-zipper-like motif in frog antimicrobial peptide， magainin 2[J].Biochemical Journal，2011，436（3）：609-620.

[5]Venkataraman N， Cole AL， Ruchala P， Waring AJ， Lehrer RI， Stuchlik O， Pohl J， Cole AM. PLoS Biol. 2009； 7：e95. [PubMed： 19402752]

[6]Clarisse Lorin ，Hela Saidi ， Afifa Belaid ， Amira Zairi ， Francoise Baleux ， Hakim Hocini ， Laurent Belec ， Khaled Hani ， Frederic Tangy . The antimicrobial peptide Dermaseptin S4 inhibits HIV-1 infectivity in vitro. Virology 334 （2005） 264-275.