昆虫抗菌肽的研究进展 *

王志涛，王俊刚，申 红*

（石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832003）

昆虫抗菌肽的研究进展*

王志涛，王俊刚，申 红*

（石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832003）

昆虫抗菌肽是昆虫受到刺激或感染后由体内血淋巴产生的一类小分子碱性多肽，具有广谱抗菌活性、分子量小、容易合成、不易形成耐药性等特性，可作为新一代抗菌制剂，具有良好的应用前景。本文对部分昆虫抗菌肽的来源和抗菌机制作了简要概述，并就其应用前景进行阐述，以期为昆虫抗菌肽的深层次研究提供参考。

抗菌肽；昆虫；抗菌

昆虫是世界上最大的生物种群，随着昆虫学研究的不断深入，科学家发现昆虫虽然没有淋巴系统、免疫球蛋白和补体，但却具有无细胞免疫系统、超强的适应和防御能力。昆虫抗菌肽对体液免疫防御系统具有重要的作用，尤其脂肪体合成的抗菌肽进入血淋巴后能对全身的病原体起反应[1]。大量研究表明，昆虫在感染病原菌后，能迅速合成抗菌肽，杀灭已侵入的病菌，并阻止病菌的继续侵染。由于昆虫抗菌肽抗菌谱较广，特别对耐药性菌株有较强的杀伤作用，并且不破坏宿主细胞，没有免疫原性，是宿主防御病原微生物入侵的重要屏障。

自20世纪80年代瑞典科学家G.Boman等用阴沟通杆菌及大肠杆菌诱导惜古比天蚕蛹发现天蚕抗菌肽以来，昆虫抗菌肽以其相对分子量小、受热稳定、遇水易溶解、碱性较强、抗菌谱广泛、不损害正常细胞等独有的特点，并对耐药性菌株、病毒、原虫及癌细胞等都有明显的抑杀，且在抗菌、抗病毒、抗肿瘤等方面均发挥重要作用。因此，受到越来越多的肯定，使昆虫抗菌肽成为众多学者关注并且研究的热点。

1 昆虫抗菌肽的来源

迄今为止，不同生物体内分离获得的抗菌肽已有2 000多种，而且每年都有新的抗菌肽不断被发现，仅从昆虫体内分离获得的抗菌肽就多达200余种。以下仅从目前研究较多的种属（家蝇、黄粉虫和蜜蜂等）阐述抗菌肽的来源。

1.1 家蝇抗菌肽

苍蝇隶属昆虫纲、双翅目、环裂亚目、家蝇科。体内外通常携带大量致病因子，能够传染给人畜多种病原体，但自身不被病原微生物感染并能大量繁殖。即使在人工规模化养殖的条件下，也不会群体发病，这一切主要是由于苍蝇体内含有一种独特的小分子蛋白质，称为抗菌肽。1931年Baer首次报道在美国用蝇蛆治疗感染取得明显效果，到1940年美国已经有数百家医院在临床上使用蝇蛆治疗感染、坏死等疾病。以上研究表明，蝇蛆只对坏死组织有杀伤作用，而不破坏正常的组织细胞。大量的实验也证明蝇蛆在治疗创伤感染方面疗效显著，主要是通过分泌抗菌活性物质而发挥作用[2]。但当时随着抗生素的产生，尤以其良好的抑菌效果，使得蝇蛆的疗效逐渐被人们所遗忘。近年来，由于耐药菌株的出现，以及合成的抗菌药物表现的副作用，人们又重新意识到并开始投身研究蝇蛆的抗感染治疗。

有研究报道，家蝇在体壁损伤、受异物感染等条件下，其血淋巴中受基因调控的活性物质的量会明显增加。目前已成功地对不同虫态使用不同的诱导方法进行诱导并获得抗菌物质的增量表达和新蛋白的激活产生。周永富等采用针刺损伤法对家蝇3龄幼虫进行诱导，除了获得增强的原有抗菌蛋白外，还产生了新的激活蛋白，这种新蛋白也可能有抗菌活性[3]。盛长忠等采用带菌针刺、超声波诱导家蝇蛹均能产生抗革兰氏阴性球菌（大肠杆菌，变形杆菌）的抗菌肽[4]。以上诱导方法中，唯有体壁损伤法经济、方便、效果好。不同诱导源诱导产生的抗菌物质的抗菌谱有所不同，并发现经革兰氏阳性菌类诱导的抗菌物质疑似有免疫记忆功能。

以上研究均说明家蝇幼虫经诱导后在其血淋巴中可以产生抗菌肽，目前由于出现了病原菌对抗生素产生抗药性，而发现新的抗生素又困难重重，家蝇等昆虫抗菌肽极有可能成为新一代的抗菌、抗病毒以及抗肿瘤药的来源。因此应加强家蝇抗菌肽方面的研究，加速家蝇抗菌肽的研发应用。

1.2 黄粉虫抗菌肽

黄粉虫又名黄粉甲、大黄粉虫，俗称面包虫，属于鞘翅目拟步甲科拟步甲属，是目前饲养规模较大的一种资源性昆虫，饲养方便，抗病能力强，具有独特地防御系统，当受到某些刺激或感染后，会引起免疫反应，并产生一系列抗菌物质，尤以抗菌肽最为重要。黄粉虫抗菌肽主要由脂肪体产生，含10～50个氨基酸，大部分为阳离子肽，具有遇水易溶解、热稳定性强、抗菌谱广、不易产生耐药性菌株等优点。国外学者曾以大肠杆菌为诱导源，从黄粉虫的血淋巴中分离到一种含43个氨基酸残基碱性多肽，命名为Tenecin 1[5]，对革兰氏阳性菌尤其是耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌有较好抑制作用[6]。随着抗菌肽研究的逐步深入，又发现Tenecin 1蛋白片段中对应的C -末端β-折叠区域不仅对革兰氏阳性菌有抑制作用，而且对革兰氏阴性菌和真菌也有抑制作用，同时还发现，这些片段主要是通过对靶细胞膜上正静电荷的作用而使其流溢死亡[7]。

面对全球抗生素滥用的现状，越来越多的细菌都有可能发展成为对传统抗生素产生耐药性的菌株，人们迫切地希望寻找一种能够代替抗生素的新药，致使黄粉虫抗菌肽的研究受到了广泛重视。因此，黄粉虫抗菌肽也成为研究的热点。

1.3 蜜蜂抗菌肽

蜜蜂抗菌肽是蜜蜂在受到病原物感染后，其脂肪体迅速合成的一些具有抗菌活性的肽类，然后释放到血淋巴中发挥抑制细菌、真菌、病毒的作用。蜜蜂在野外采集的过程中，随时会受到各种病原物的威胁，经过长期的适应，蜜蜂形成了与之相对应的分子进化策略。接触植物时蜜蜂主要面临革兰氏阳性菌的挑战，因此蜜蜂发展了反应灵敏且高表达的Apidaecin抗菌肽基因家族。Apidaecin是蜜蜂体液内抗菌肽最早被研究的一种，被微生物感染的蜜蜂体液内的Apidaecin由许多个异构物组成，主要对革兰氏阴性菌起作用，最低抑菌浓度在10-8～10-6M浓度范围。蜜蜂抗菌肽属于先天性免疫，自1989年被报道以来，在很多方面被广泛研究，1993年，Casteels-Josson K研究了蜜蜂Apidaecin的前体结构及其抗菌机制。 2008年，Zhou等研究了Apidaecin在细胞外对革兰氏阴性菌的抗菌能力。2011年，Tavano R等研究了 Apidaecin在人体一些细胞中的抗菌能力。在我国，对于蜜蜂抗菌肽的研究主要基于对基因的克隆和原核表达。

除了以上几种来源的昆虫抗菌肽外还有家蚕抗菌肽、蚂蚁抗菌肽等，在此不详细阐述。

2 昆虫抗菌肽的抗菌机制

昆虫抗菌肽抗菌作用机制主要是破坏细胞膜，通过a-螺旋结构的双亲性蛋白质改变细菌质膜的渗透性，区别于抗生素的阻断大分子生物合成抗菌机制，故不易产生耐药性。一般认为是抗菌肽分子和细菌细胞膜通过静电相互作用造成细菌细胞膜结构被破坏形成离子通道，从而改变细胞内外渗透压，引起细胞内钾离子大量外流，三磷酸腺苷（ATP）含量极速降低，继而致使细菌死亡[8，9]。在形成离子通道的过程中，抗菌肽独特的分子结构占据优势。首先，在水相和质膜交界面上，抗菌肽分子通过α-螺旋双亲性蛋白所带正电荷与细菌细胞膜磷脂分子所带负电荷之间的相互静电吸引而固定在细胞膜上；其次，抗菌肽分子借助于连接结构的柔性将羧基疏水端插入细胞膜中；最后，抗菌肽分子把氨基端的双亲性α-螺旋也插入细胞膜内，通过膜内分子间移动使抗菌肽分子聚集在一起并形成离子通道，细菌膜电化学势丧失，因不能维持正常的渗透压而导致细菌死亡。Friedrich等通过对细胞膜的穿孔机制和杀菌动力进行研究，发现在当有90%以上的细菌被杀死后，膜孔的形成仍不完全，因此认为细胞膜渗透性增加不是唯一的作用机制。

综上所述，抗菌肽抗菌作用的靶位是细菌细胞膜，抗菌作用的结果是导致细菌细胞膜通透性增大等基本内容是确切无疑的。另外，人们发现抗菌肽还可通过抑制细胞呼吸、细胞外膜蛋白的合成、细胞壁的形成等机制来杀菌。因此，抗菌肽的作用机制还需做进一步深入研究。

3 抗菌肽的应用现状

3.1 临床上的应用

目前,一些抗菌肽已进入临床试验。用于抗幽门螺杆菌型胃溃疡的乳链菌肽和治疗口腔溃疡的源于猪protegrin的IB-367已在Ⅰ期临床试验中获得成功，IB-367治疗囊性纤维化患者的铜绿假单胞菌致慢性肺感染的Ⅰ期临床试验已经启动[10]。昆虫抗菌肽在新药开发中展现出巨大的潜力，使其成为研究的热点，随着新型抗菌肽的不断发现和人工合成抗菌肽的日趋完善，及相关研究的不断深入，相信不久的将来，昆虫抗菌肽将作为安全有效的新药而应用于临床。

3.2 医药行业的应用

细菌性疾病的防治是长期以来困扰人类的难题，特别是随着青霉素等传统抗生素的长期广泛应用，许多细菌都产生了明显的耐药性。因此，开发一种新的抗菌药物已刻不容缓。辽宁省农科院大连生物技术研究所用大肠杆菌接种滞育柞蚕蛹，诱导其体内产生免疫血淋巴，其中含有抗菌肽等。然后干冻制成干粉（即柞蚕素），用于乙型肝炎的治疗，临床表现为症状消失，体重、体征及肝功能均有明显改善。临床观察并未发现任何毒副作用[11]。

3.3 基因工程的应用

鉴于抗菌肽具有分子量小、受热稳定、遇水易溶解、广谱抗菌等特点，将抗菌肽基因导入动物体内来改造物种，获得抗菌肽转基因的动物可明显地提高自身的抗病能力。1997年，Durvasula等将Cecropin A导入昆虫红猎蝽（Rhodnius prolixus）体内，获得转基因的红猎蝽体内锥虫数量锐减或消失。这为研究抗菌肽转基因动物提供了新思路，即通过构建转基因新品种来阻断疾病的传播。

3.4 畜牧养殖业的应用

禽类养殖一直是我国畜牧业生产的主体。抗菌肽能够代替喂养动物所用的抗生素，降低动物养殖中对药物的依赖性。抗菌肽做为抗生素替代品和饲料添加剂在动物体内使用具有一定的安全性。大量研究表明，抗菌肽对家禽生长和发育有促进作用。畜禽饲料中添加抗菌肽酵母制剂，对雏鸡白痢有明显地预防和治疗效果，并能使肉鸡的饲料转化率和成活率分别提高3.6%和10.0%[12]。将5%的蝇蛆蛋白质添加到肉仔鸡饲料中，能使肉仔鸡的日增重明显提高[13]。Kogut M H等研究发现阳离子抗菌肽可以像抗生素的替代品一样通过添加饲料中给雏鸡提供免疫预防保护，对预防沙门氏菌感染的局部免疫起到调节作用[14]。Qiu Y H等从家蝇体内提取的抗菌肽能很好地抑制金黄色葡萄球菌的繁殖。Linda等发现，内源性抗菌肽对奶牛乳腺炎起多重作用，它们相互影响使抗菌肽对致病菌的杀菌活性提高，宿主细胞的活性得到激活。这些研究都证实蝇蛆抗菌肽既可以做为优质蛋白促进鸡的生长性能，还可以作为抗生素替代品治疗禽类疾病运用于养禽业，在动物体内不会造成病原微生物的扩散，也没有出现不良反应，因此，我们研究的蝇蛆抗菌肽可以作为绿色抗生素和饲料添加剂使用。

4 昆虫抗菌肽的研究展望

近年来由于抗生素的广泛应用，致使许多病原菌对它们产生了耐药性，抗生素耐药性现象日益严重，开发新型绿色抗生素也变得日益重要。昆虫抗菌肽其相对分子质量小、受热稳定、遇水易溶解、不易产生耐药性、抗菌谱较广、只作用于原核细胞和病变细胞而对正常细胞无任何毒害等优点，在将来极有可能被设计出一类具有抗肿瘤细胞、病毒、真菌和高效抗细菌作用的新型昆虫抗菌肽，为人们寻找新型抗菌药物-绿色抗生素提供新的途径，对解决细菌抗药性、药物残留等问题带来希望。新型、高效、低毒、广谱的昆虫抗菌肽将在临床、医药和动物抗病、基因工程、畜牧养殖、生物饲料添加剂等领域正发挥着重要作用，具有广阔的开发应用前景。

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2015—05—13

国家自然科学基金资助项目（31060281）；兵团科技成果转化及产业化引导计划（2012BD056）

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：申红（1970-），硕士生导师，副教授，从事动物生理生化研究；E-mail：shenhong98@163.com.