抗菌肽的研究进展

胡　凌，林星宇，卢　鹏，陈有才，张　军，胡卫杰，武　刚

（1.四川省自贡市动物疫病预防控制中心，四川　自贡　643000；2.四川农业大学动物医学院；3.西南交通大学）

抗菌肽的研究进展

胡凌1，林星宇2，卢鹏3，陈有才1，张军1，胡卫杰1，武刚1

（1.四川省自贡市动物疫病预防控制中心，四川自贡643000；2.四川农业大学动物医学院；3.西南交通大学）

1　概述

随着传统抗生素的大量使用，药物残留和菌株耐药性等问题变得越来越严重，寻找新型抗生素替代品已迫在眉睫。抗菌肽以其独特的抗菌机制及不易产生耐药性等优点，引起了学界的广泛关注，学者们普遍认为其在替代传统抗生素、减少菌株耐药性等方面具有广阔的应用前景。1972年，Boman等首先从果蝇中发现了抗菌肽。1974年，Boman等又从天蚕蛾蛹的血液淋巴中发现了具有抗菌活性的多肽；1980年，Huhmark等从惜古比天蚕蛹中分离到3种抗菌多肽，后来将其发现的抗菌肽命名为Cecropin（天蚕素）；1981年，Steiner等在Nature上发表了CecropinA和CecropinB的氨基酸序列，这被认为是第一个真正意义上的抗菌肽。此后，抗菌肽被分离、纯化和鉴定的种类数量越来越多，至今已有两千多种抗菌肽及其类似物被发现。

抗菌肽（antibacterialpeptides）又被称为抗微生物肽（antimicrobialpeptides，AMPs），是一类具有抗微生物活性的小分子多肽，动物、植物、真菌和细菌都能产生，一般由12～50个氨基酸组成，是机体天然免疫系统的重要组成部分。AMPs首先是作为抗生素替代品被人们所知的，相比于传统抗生素，细菌对AMPs不易产生抗性、耐药性。因为AMPs主要通过与细胞膜相互作用来杀菌而不是抑菌，而传统抗生素一般是抑菌而不是杀菌。且AMPs的抗菌机制除了破坏细胞膜外，还能进入细胞膜内去抑制一系列的生理生化反应；有些AMPs兼具破坏膜完整性和抑制生理生化反应的双重作用机制。值得注意的是，AMPs的本质是多肽，因此其生物活性与其理化性质密切相关，相关理化因素的改变将会导致AMPs生物活性的变化。

2　抗菌肽的分类

AMPs的来源广泛、数量众多，因而AMPs的分类方法多种多样，下面介绍几种目前常用的分类方法。人们依据AMPs的来源不同，将其分为哺乳动物AMPs、昆虫AMPs、水生动物AMPs、两栖类AMPs、禽类AMPs、植物AMPs、真菌AMPs和细菌AMPs等。依据合成形式的不同，将其分为核糖体合成的AMPs和非核糖体合成的AMPs。依据所带电荷的不同，又可分为阳离子AMPs和阴离子AMPs。

依据AMPs的二级结构不同，将其分为α-螺旋型AMPs、β-折叠型AMPs、环形结构AMPs和富含某些氨基酸残基的AMPs。

3　抗菌肽的作用机理

3.1抗菌肽的抗菌机制

由于AMPs大多都带正电荷，其首先通过静电引力与细胞膜上的负电荷区域相互作用，再经一系列的过程最终在细胞膜上形成孔洞或者进入细胞，进而达到杀死细菌的作用。无论如何，AMPs与细胞膜之间相互作用是其发挥抗菌机制的第一步。有些AMPs还能穿透胞膜到细胞内，作用于DNA、RNA、酶和蛋白质等分子，除了直接抑制细胞内核酸、蛋白质等生物大分子的合成，还可以抑制细胞的呼吸作用和细胞壁的合成。

3.2抗菌肽的抗病毒机制

研究发现，AMPs不仅能够杀死细菌，而且还能抑制病毒，这为抗病毒药物的研发提供了新的途径。其抑制病毒的机理为：①直接与病毒衣壳蛋白相互作用，阻断病毒的吸附侵入；②抑制病毒基因表达和病毒蛋白合成，从而抑制病毒的复制；③上调干扰素和趋化因子的表达，刺激宿主细胞的抗病毒免疫系统从而间接发挥其抗病毒活性。

3.3抗菌肽的抗真菌机制

AMPs对真菌也有一定的杀伤作用，其作用机理为：①妨碍真菌细胞壁的正常合成，从而杀死真菌；②与细胞内线粒体及核酸等细胞器相互作用，比如其进入细胞内导致ATP外流，从而导致真菌死亡；③胞膜攻击作用，与抗菌机制相似，其可以破坏真菌细胞膜结构，使得重要内容物外漏，从而导致细胞死亡，这也是AMPs杀伤真菌细胞的最基本的作用机制。

3.4抗菌肽的抗肿瘤机制

AMPs除了能对细菌、病毒、真菌等有抑制作用外，还具有抑制或者杀灭肿瘤的作用，这一发现引起了学者们的关注，对其作用机制的研究也越来越多。目前，发现的作用机制有：①通过攻击肿瘤细胞的细胞膜，从而在其细胞膜上形成孔道，引起细胞内容物大量渗出，最终使肿瘤细胞不能维持渗透压而死亡；②破坏肿瘤细胞的内部结构，主要使肿瘤细胞染色体DNA断裂，从而达到破坏细胞骨架的目的；③通过线粒体途径和死亡受体途径等诱导肿瘤细胞凋亡。

4　抗菌肽的基因工程研究

AMPs以其独特的抗菌机制及不易产生耐药性等优点，在替代传统抗生素、减少菌株耐药性等方面显示出广阔的应用前景。但AMPs的获得途径有限，限制了AMPs产品的开发和应用。因此利用基因工程技术来获得AMPs具有重要意义，其不仅可使生产AMPs的成本降低、还可以使其产量提高。但由于AMPs为具有生物学活性的小分子多肽，因而其容易被蛋白酶降解，且其表达产物通常会杀伤宿主，这使得利用基因工程技术来获得AMPs较为困难。为解决这些问题，科学家们做了许多的探索，最终找到了一些途径来避免这些问题的发生。比如可通过融合表达的方式来获得AMPs以避免其对宿主的伤害，或者用真核表达系统来替代原核表达系统保证AMPs的顺利表达。目前，一般使用原核表达系统和酵母表达系统来获得AMPs。

5　抗菌肽在畜牧业中的应用

5.1抗菌肽在饲料添加剂中的应用

研究发现，在饲料添加剂中使用AMPs能够促进动物生长。此后，学者们对此进行了大量的试验。汪以真等研究发现，重组猪乳铁蛋白（rPLF）不仅对猪肠道微生物菌群有类似于抗生素的调节作用，同时其还能促进益生菌的生长，从而促进动物的生长。马卫明等研究发现，猪小肠AMPs能够使雏鸡小肠对营养物质的消化吸收增加，从而促进雏鸡的生长发育。陈晓生等用CADYP饲喂肉鸭，发现CADYP能显著提高肉鸭的日增重和净肉率。综上表明，AMPs用作饲料添加剂有良好的应用前景。随着AMPs的生产成本降低，在动物生产中的应用也将会越来越广泛。

5.2抗菌肽在疫病防治中的作用

大量研究表明，AMPs具有广谱的抗菌活性，可在一定程度上减少抗生素的临床用量，减少耐药菌株的出现。陈晓生等比较了蚕抗菌肽-AD制剂与金霉素对鸭肠道菌群（大肠杆菌和乳酸菌）的影响情况。结果发现，AMPs对这两种细菌都有明显的抑制作用，而金霉素只对乳酸菌有显著抑制作用，对大肠杆菌抑制作用并不显著，初步证明AMPs调节雏鸭肠道菌群平衡能力优于金霉素。马卫明等研究发现，猪小肠AMPs对多种致病菌均有不同程度的抑制作用，其杀菌率由59.5%～98.5%不等。汪以真等比较了7种 AMPs（cecropinP1、cecropinA、magainin2、defensin1、bactenecin、lactoferricin和indolicidin）与4种抗生素（盐酸金霉素、去甲万古霉素、土霉素、强力霉素）体外对大肠杆菌K88、大肠杆菌（ATCC25922）、猪霍乱沙门氏菌（ATCC50020）、鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌（ATCC25923）的抑菌效果，发现AMPs对几种革兰氏阳性菌和阴性菌有不同程度的抗菌效果，尽管抗生素对金黄色葡萄球菌的抑菌效果要好于AMPs，但某些AMPs对大肠杆菌和沙门氏菌的抑菌效果优于抗生素。马晓艳等研究发现，新疆家蚕抗菌肽（CecropinXJ）对革兰氏阳性球菌的生长有抑制作用，而对大肠杆菌抑制作用不明显。其抑菌效果虽没有抗生素抑菌效果好，但可与抗生素联合使用来减少耐药性。王芳等的体外抑菌试验表明，Nisin在普通肉汤和牛奶中对奶牛乳房炎的主要致病菌金黄色葡萄球菌和无乳链球菌均有良好的抑制作用，且对青霉素耐药的菌株也具有较好的抑制作用。

6　面临的问题

随着AMPs在临床上的应用，必将为生物医药领域带来一场新的革命。但如果要将AMPs药物全面推向市场可能还要面临许多的挑战，还需解决以下几个问题。

6.1抗菌肽的安全性问题

目前，我们缺少AMPs药效动力学和毒理学（包括潜在的免疫毒性）等方面的研究数据；异源性的AMPs应用于动物或在人类全身用药时可能会引起过敏反应；许多天然AMPs都有溶血作用，不利于AMPs的药物开发。因此，如何在保持AMPs生物学活性的同时，降低其细胞毒性是急需解决的问题之一。

6.2抗菌肽的体内稳定性问题

AMPs虽具有一定的热稳定性，但其一级结构中含有多个碱性氨基酸残基（如赖氨酸、精氨酸），因而容易被蛋白酶降解，从而限制了AMPs作为药物在体内的使用。因此，如何使AMPs在体内避免被蛋白酶降解也是需要解决的问题，这直接关系到AMPs药物的应用效果。

6.3抗菌肽的耐药性问题

从进化的观点来看，既然有些细菌可以产生AMPs，因此其也必然存在逃避自身AMPs的作用机制。从生物学的观点来看，虽然AMPs对细菌有多种作用机制，但一般以细胞膜为其主要的作用靶点，进而改变膜完整性或干扰胞内生理生化反应导致细菌死亡。因此，细菌可以通过减弱与AMPs结合、降低AMPs有效浓度等方式产生对AMPs的耐受。研究证实，病原微生物可通过分泌蛋白酶降解胞外AMPs；降低细胞外膜负电荷从而减少与AMPs结合；修饰细胞外膜屏蔽AMPs；排出已进入细胞内的AMPs；改变膜流动性等方式来抵御AMPs的作用。□