新型抗感染药物研究模式生物——家蚕

陈 明 章玉萍 代君君 涂文君 张丽丽 吴传华 刘 健 范 涛

(1安徽省农业科学院蚕桑研究所,安徽合肥 230061; 2安徽省肥西县人民医院,安徽合肥 231200)

·综述·

新型抗感染药物研究模式生物
——家蚕

陈 明1章玉萍1代君君1涂文君2张丽丽1吴传华1刘 健1范 涛1

(1安徽省农业科学院蚕桑研究所,安徽合肥 230061;2安徽省肥西县人民医院,安徽合肥 231200)

在抗生素耐药现象层出不穷的今天,寻找新的抗菌靶点和药物作用机制,开发新的抗感染药物变的越来越紧迫。家蚕,以其特有的生理生化特性和基因组学研究深入为优势,逐渐成为一种重要的用于抗感染药物研究的模式生物。综述了家蚕作为抗感染药物研究新兴的模式生物,凭借世代短、子代多、遗传资源丰富以及基因和人类基因相似性高的若干优势,对家蚕用于抗感染药物研究的相关应用,如家蚕抗感染模型的建立、抗感染防御机制的研究，利用家蚕感染模型研究新型抗病毒药物、新型抗菌药物，家蚕的真菌感染研究等进行了综述,展望了家蚕模式生物研究的前景。

家蚕;模式生物;抗感染;防御机制;药物筛选

随着一线临床抗生素的广泛和大量使用,抗生素耐药问题日益严重,尤其是伴随着细菌多重耐药(Multidrug-resistant, MDR)现象的出现,开发基于新机制和新药理作用的新型抗感染药物已经变得越来越紧迫[1]。新型抗感染药物的研发离不开药物筛选模型的发展。药物筛选是对可能作为药物使用的物质,包括天然产物、合成化合物等,应用适当的方法和技术,检测其可能存在的药理活性并推测其可能的药理作用机制,为新药开发提供实验依据。目前,随着制药工业的发展,大量的新药筛选模型已经被建立,按照其作用对象,可分为三个水平:细胞分子水平、组织器官水平和整体动物水平[2]。将动物个体作为模式生物,从整体动物水平出发进行药物筛选,可以从个体水平直观地反映出药物的药理和药效学特点[3]。所以,寻找和研究更多的模式动物用以整体动物模型构建是药物筛选领域重要的研究课题。目前,大部分和人有关的感染疾病模式动物研究主要以哺乳动物模型为主,如大鼠、小鼠、家兔等。使用哺乳动物作为模式生物,除了生物伦理和生物安全方面的考量之外,还需要投入大量的经费进行哺乳动物的饲养和繁殖,实验成本较高[4]。因此,有国外研究者提出,传统的抗感染药物筛选都是以微生物细胞模型为基础,能否利用低等动物和人在部分相关基因上的相似性,从低等动物模型着手,加速抗感染药物的研发速度[4-5]。而且随着研究的深入,目前国际上已经开始提倡使用低等动物代替高等动物进行损伤性实验。家蚕作为新兴的模式生物,凭借世代短、子代多、遗传资源丰富以及基因和人类基因相似性高的优势,已经成为生物学家在实验室内进行模式生物学研究的新选择,成为重要的抗感染药物研究模式生物之一。

1 家蚕作为抗感染药物筛选模式生物的优点

家蚕(Bombymori)作为生物界的一个大类群,在分类上属于昆虫纲鳞翅目蚕蛾科(Bombycidae)。家蚕与经典的模式生物蝾螈(Salamandralaurenti)、小鼠(Musmusculus)、斑马鱼(Zebrafish)等相比具有一些特殊的研究优势:一是家蚕的培育技术已经非常成熟,易于进行规模化的四季饲养和繁殖,实验成本低。二是家蚕作为重要的经济昆虫,其生理和生化特征已经被广泛深入地研究,作为模式生物的生物学理论背景清楚明确,便于开展后续的药代动力学和药理学研究。三是由于家蚕在实验环境下较难逃逸且在非培养条件下生存不了,相比其它模式生物,家蚕引发生物危害和生物安全问题的可能性较低。四是随着家蚕基因组计划的推进,家蚕基因组的框架图和精细图相继完成,这为深入研究家蚕重要性状和关键的功能基因提供了极为丰富的生物信息资源。特别是随着家蚕核酸数据库、蛋白质数据库及表达数列标签(Expressed Sequence Tag, EST)数据库等各种二级数据库的成功构建,家蚕功能基因组学的相关技术日趋完善,家蚕作为模式生物用于感染性疾病研究已经有了良好的技术先导优势[4,6-8]。目前的研究已经证实,某些人类疾病的相关基因和家蚕基因具有很高的同源性,如家蚕素(Bombyxin)基因编码的类胰岛素肽和人胰岛素的氨基酸组成约有40%的相似性[9]。以家蚕为模式生物,结合相应的基因组学和蛋白质组学研究,研究与人类疾病相关的家蚕基因和编码蛋白质,将有助于致病机制的探索和新型药物的研发。

2 家蚕作为抗感染药物筛选模式生物的研究进展

2.1 家蚕抗感染模型的建立

Kaito等[10]最先开展了家蚕作为模式生物用于抗感染药物测试的研究,认为家蚕可作为模式生物测试细菌对于哺乳动物的潜在致病性,并提出病原菌的致病机制和家蚕抗感染防御机制的研究是利用家蚕作为模式生物开发抗感染药物的基础和前提。作为一种生理学习性和药理学特点已经被研究的较为透彻的无脊椎动物,家蚕在抗感染药物的药代动力学特征上和大鼠等哺乳动物具有非常高的相似性,Sekimizu 等[4]、Kurokawa等[11]、Hamamoto等[12]的大量研究证实了这一点[13-15]。Hamamoto等[16]研究证实,家蚕在伞形花内酯、香豆素等药物的代谢特征上和大鼠等哺乳动物相似,均通过细胞色素P450酶系进行代谢。进一步的研究发现,以家蚕为模式生物得出的药效学结论与哺乳动物药物试验的结果相吻合[17]。与传统的无脊椎动物果蝇、蝗虫、蜜蜂等相比,家蚕可以通过口饲、血淋巴注射、肠管注入等多种方式接入待测药物,且个体适中,便于实施精确的药物剂量控制和组织分离。目前已利用家蚕作为抗感染模式生物研究的病原体包括病毒、细菌和真菌三大类。病毒包括软化病病毒(Iflaviridae virus, FV)、核型多角体病毒(Nuclear polyhedrosis virus, NPV)等,细菌包括金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、绿脓杆菌等医源性感染菌,真菌包括白色念珠菌、曲霉菌等机会性致病真菌。

2.2 家蚕抗感染防御机制的研究

与大多数昆虫类似,家蚕具备简单而完善的先天免疫系统识别外来入侵的病原体并产生一系列的免疫反应,其免疫系统通过细胞免疫和体液免疫2个方面发挥作用。细胞免疫主要通过吞噬、包被和结节等作用来实现对外来病原体的抑制和清除效果,体液免疫则是通过抗菌肽等免疫活性分子发挥免疫作用[18]。Fujyuki等[19]发现家蚕麻痹肽与家蚕的内在免疫应答有密切关联,并以此建立了筛选模型进行免疫活性物质如免疫增强剂的筛选。随后Ishil等[20]、Dhital等[21]的跟进研究证实了家蚕体内的宿主防御系统也和麻痹肽等免疫分子对相关功能基因的表达调控水平有关。通过对抗菌肽、麻痹肽等免疫活性分子以及相关的家蚕模式识别蛋白的研究,发现家蚕虽然在免疫系统的构成上与人类有较大的差异,但其内在的分子机制却具有一定的相似性。家蚕体内也存在被外来病原体激活的免疫信号转导途径,如与哺乳动物Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)和肿瘤坏死因子受体(Tumor necrosis factor receptor,TNFR)途径类似的Toll样受体信号转导途径和免疫缺陷(Imd, Immune deficiency)途径,都能在外界刺激下激活下游的NF-κB转录因子,继而调控相关功能基因的表达水平。家蚕和哺乳动物在免疫应答机制上的相似性决定了其可以作为模式生物应用于抗感染药物筛选模型的构建[19,22-23]。

2.3 利用家蚕病毒感染模型研究新型抗病毒药物

病毒感染家蚕的研究最早是从NPV、FV等病毒的预防和治疗开始的。Arakawa等[24]在对核苷类抗生素(Nikkomycin)的研究过程中发现家蚕可作为病毒感染模式生物应用于抗NPV药物的筛选,这一结果也促成了对于Nikkomycin这类农业新型抗生素药效作用的进一步研究。Orihara等[25]利用家蚕作为模式生物构建抗病毒模型,从中国传统中药肉桂皮中分离得到了具有抗杆状病毒活性的物质乙酰桂二萜醇。东京大学染色体创药研究所的Sekimizu教授根据以上的研究结果提出可以利用病毒——蚕的模式来测试新型抗病毒药物的有效性[16]。

2.4 利用家蚕细菌感染模型研究新型抗菌药物

在早期的研究中,家蚕曾作为宿主模型用以相关病原菌致病性的监测,Kodama等[26]进行的家蚕感染实验确定了多种医源性病原菌可引起家蚕发病,后续的研究报道也证实了金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、绿脓杆菌等临床常见病原菌可使家蚕发病致死。Hamamoto等[27]通过对部分抗生素在家蚕体内的药效学和毒理学研究证实氯霉素、四环素、万古霉素、替考拉宁、卡拉霉素、利奈唑胺等抗生素的ED50和LD50数值在人类和家蚕体内的表现一致,万古霉素和卡那霉素等人体肠道吸收性较差的抗生素以肠管注入的方式接入病原菌感染的家蚕体内后,也未发挥抗菌作用,表明家蚕和人体在抗生素的代谢通路上具有非常高的相似性,这也是家蚕作为模式生物用以抗菌药物研究的前提和基础。

家蚕作为模式生物,近年来被广泛用于常见病原菌如金黄色葡萄球菌的致病机制探索和治疗效果的监测。Hanada等[28]、Kaito等[29]通过对比不同基因敲除条件下的金黄色葡萄球菌感染家蚕结果,提出可以将家蚕作为金黄色葡萄球菌毒性基因的测试生物。Kurokawa等[30]根据Kaito等[29]的实验结果,通过构建家蚕幼虫的金黄色葡萄球菌感染模型,提出家蚕感染模型可以用于金黄色葡萄球菌的耐药机制研究。Uchida等[31]以家蚕为模式生物构建了抗耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant staphylococcus aureus,MRSA)药物筛选模型,筛选得到了新型磷酸糖脂类抗生素(Nosokomycin),Nosokomycin对MRSA的杀菌效果要强于万古霉素,后续的哺乳动物实验结果也证实了Nosokomycin可以有效提高MRSA感染小鼠的存活率[32]。MRSA作为严重影响人类健康的重要致病菌,是医院感染和社区感染的常见病原菌。MRSA除对甲氧西林耐药外,还对临床上广泛应用的多种抗生素耐药,所致感染呈散发或暴发流行,治疗困难,病死率高。由于MRSA耐药机制的复杂性,临床上在治疗MRSA感染的用药选择上,面临着极大的压力。研究MRSA此类耐药菌的耐药机制,筛选出基于崭新机制和药理作用的新型抗感染药物成为医药学领域的一个重大课题[33-34]。Uchida等[31-32]的研究结果确认了家蚕模型在抗MRSA药物筛选上的有效性,随后家蚕作为模式生物被广泛应用于抗金黄色葡萄球菌类抗生素的药效学和药理作用机制研究。Paudel 等[35]以家蚕为模式生物研究了一类新型嘧啶酮类抗生素的构效关系,确认了该类抗生素对金黄色葡萄球菌的抑菌和杀菌效果。Dzoyem等[36]通过家蚕的金黄色葡萄球菌感染模型,研究了自琉桑属(Dorstenia)中分离得到的黄酮类物质的抗金黄色葡萄球菌作用,并探讨了其可能的抗菌作用机制。

2.5 家蚕的真菌感染实验

能够诱发各类机会性感染的真菌如白色念珠菌和曲霉菌也可诱发家蚕发病乃至死亡。Hamamoto等[27]、Matsumoto等[37]进行的定量分析试验确认了两性霉素B、氟康唑这类抗真菌制剂对于被真菌感染的家蚕的治疗效果。目前,家蚕的真菌感染试验主要集中于家蚕和真菌互作的分子机制的研究,被用以探索家蚕宿主和病原真菌的免疫应答,以家蚕为模式生物用于抗真菌药物的筛选研究还进行的较少。

3 总结和展望

细菌、病毒、真菌导致的各类感染性疾病是威胁人类健康的重要因素,致病机制的分析以及抗感染药物的研发也一直是生物医学界面临的重大课题。在过去,这方面的科学研究大量使用大鼠等哺乳动物作为模式生物进行实验,带来了研发成本提高、饲养场地不足以及生物伦理和生物安全方面的诸多问题,因而科学界开始使用果蝇、家蚕等小型无脊椎动物作为模式生物展开新型抗感染药物的研究。对于家蚕作为模式生物用于抗感染药物的筛选,目前国内外的研究尚未深入,更多的是将其作为载体应用于抗菌和抗病毒药物的研究,缺乏系统性和整体性的评价资料。此外,家蚕模型在抗感染药物筛选的应用,目前还仅仅停留在初筛层次,更多的动物和临床试验数据还未取得。因此,以家蚕为模式生物开展抗感染药物的深入研究,将有助于完善家蚕模式生物学的研究资料,并为从另外一个角度探索病原体的致病和耐药机制提供新的研究视角。

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2014-05-16;

：2014-07-04

现代农业产业技术体系建设专项(编号 CARS-22);安徽省蚕桑产业技术体系项目(编号 ahnycytx-16);安徽省农业科学院院长青年创新基金项目(编号 13B0631);安徽省农业科学院学科建设项目(编号 14A0607);种子工程项目(编号 14D0606)。

陈明(1984—),男,安徽合肥，硕士,研究实习员。 Tel：0551-62826686，E-mail:ming-ahas@foxmail.com

范涛(1962—),男,硕士,研究员。 Tel：0551-62826686，E-mail:fantao116@sohu.com

S881.2

B

1007-0982(2014)03-0019-05