抗菌肽的分类、作用机制与应用研究

吴家明 李 芹

（福建师范大学生命科学学院，福建福州 350117）

青霉素的发现正式开启了抗生素时代[1]，抗生素的发现和使用拯救了无数患者的生命，但长期使用抗生素对靶标病原微生物产生了选择压力，导致部分细菌产生耐药性，是目前需要解决的公共卫生问题。常规抗生素的研发速度与细菌产生耐药性的速度不匹配，因此寻找能够替代抗生素且不易产生耐药性的新型药物成为当前研究重点。具有独特杀菌机制的抗菌肽成为抗生素的潜在替代药物。

抗菌肽（antibacterial peptides，AMPs），又称抗生素肽，是一类能够抑制细菌、真菌、病毒、寄生虫和肿瘤细胞等的小分子多肽，是生物体先天免疫系统的重要组成部分，在动物、植物及微生物等生物体内广泛存在。1939 年从土壤细菌短芽孢杆菌中发现了第一种AMPs，即gramicidin，其在体外和体内对许多革兰氏阳性菌表现出抗菌活性，随后又发现了大量的防御肽（defensins），这些AMPs通常由几十个氨基酸残基组成，具有正净电荷（通常为+2至+11）和一定比例的疏水残基（通常为50%）。截至2023 年1 月，AMPs数据库（APD3）已经登记了3 569种AMPs。研究表明，AMPs具有杀灭或抑制病原菌、免疫调节、促进伤口愈合以及诱导细胞凋亡等多种活性[2]。本文介绍了抗菌肽的分类、作用机制、应用情况、各领域的发展前景以及面临的挑战，为抗菌肽的相关研究提供参考。

1 抗菌肽的分类

1.1 根据来源分类

可将AMPs 划分为天然抗菌肽和人工合成抗菌肽。天然AMPs是存在于生物体内的天然产物，包括昆虫AMPs、植物AMPs、微生物AMPs和动物AMPs。

1.1.1 天然抗菌肽昆虫AMPs 主要在昆虫的脂肪体和血细胞中合成，是昆虫生存适应性强的主要原因之一[3]。目前已从昆虫中发现了200 多种AMPs。天蚕素是昆虫中研究较明确的AMPs 家族，在蜜蜂和果蝇等昆虫中被发现，其对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有抗菌作用，天蚕素A 还显示出对抗不同炎症性疾病和癌症的活性[4]。植物AMPs，又称植物防御素。研究发现，在植物中存在多种AMPs，主要从植物的茎、种子和叶片中提取和分离获得，可将其分为硫蛋白、防御素和蜕皮素等[5]。目前，已鉴定出数百种植物AMPs，但尚未获得批准用于临床。微生物AMPs由微生物自身分泌，用来防御外来入侵的细菌、真菌等，可以从细菌和真菌等微生物中分离获得。乳酸链球菌肽（nisin）可以从乳酸乳球菌、枯草芽孢杆菌和短芽孢杆菌中获得[6]，并且已被批准用于治疗牛乳腺炎。动物AMPs主要包括两大类，哺乳动物AMPs和两栖动物AMPs。哺乳动物AMPs主要存在于人类、绵羊和牛等动物体中，组织蛋白酶（Cathelicidins）和防御素（Defensins）是哺乳动物AMPs的主要家族[7]。人类宿主防御肽（HDPs）不仅可以保护人类免受微生物感染，还可以影响免疫调节、细胞凋亡和伤口愈合等[8]。两栖动物AMPs在保护其免受病原体侵害方面发挥着至关重要的作用，bombesin是一种由两栖动物产生的抗菌肽，最早从欧洲铃蟾皮肤中分离出来，具有良好的抗菌作用[9]。

1.1.2 人工合成抗菌肽人工合成AMPs 是通过化学合成或基因工程技术合成的具有抗菌活性的多肽。Chen 等[10]设计合成的抗菌肽G（IIKK）3I-NH2，已被证明可以杀死部分细菌，同时对哺乳动物正常细胞保持良性。人工合成抗菌肽CM15，也被证明具有良好的抗菌活性[11]。

1.2 根据理化特性分类

根据理化特性可分为阳离子AMPs 和阴离子AMPs，目前已发现和报道的AMPs中，大多数属于阳离子AMPs，少部分为阴离子AMPs。阳离子AMPs带正电荷，可以与细菌表面负电荷的脂多糖形成静电力吸引，有利于其吸附到细菌表面，发挥抗菌作用；阴离子AMPs 的电荷性质使其不易与靶细胞作用，因此数量相对较少。常见的阴离子AMPs 有抗菌肽Dermcidin，是从人体皮肤分泌物中分离出的一种阴离子AMPs，在酸性条件下带负电荷，可以杀死米氏乳杆菌等革兰氏阳性菌[12]。抗菌肽Maximin H5是从马蛙皮肤分泌物中分离出的一种阴离子AMPs[13]。

1.3 根据活性分类

根据活性可将AMPs 分为20 多个种类，主要包括抗细菌、抗病毒、抗真菌、抗寄生虫以及抗癌等。

抗细菌活性的AMPs 数量众多，其对常见致病菌具有广泛的抑制作用，如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌等。许多天然和合成的AMPs，如乳酸链球菌肽和防御素等，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都表现出较好的抑制活性。BCp12是一种阳离子抗菌肽，其显示出较高的耐盐和耐高温特性，具有良好的抗细菌活性[14]。抗真菌活性的AMPs，主要用于治疗耐药性增强的真菌感染。许多抗真菌活性的AMPs 对常见病原真菌表现出优异的抗真菌活性，如曲霉菌、白色念珠菌、酵母菌和丝状真菌等。研究表明，抗菌肽AurH1 对白色念珠菌有较强的杀灭效果，可以有效治疗白色念珠菌感染[15]；从黄蜂毒液中纯化得到的抗菌肽polybia-CP具有较强的抗真菌活性和杀真菌活性，并表现出较低的溶血活性[16]；人源抗菌肽LL-37可通过降低白色念珠菌细胞壁上相关酶的活性，影响真菌的黏附能力，进而瓦解细胞膜，引起胞内小分子外泄，最终导致细胞死亡[17]。抗病毒活性AMPs，病毒对人类生命安全危害严重，抗病毒肽对病毒具有较强的杀伤作用。据报道，肽brevinin-2GHk 在寨卡病毒（ZIKV）感染的早期和中期具有抑制病毒毒性的作用，其通过破坏寨卡病毒包膜的完整性，使寨卡病毒灭活，同时可以穿透细胞膜，这可能有助于在中期感染阶段抑制寨卡病毒[18]。抗寄生虫肽活性AMPs，在部分热带地区，寄生虫感染威胁着人类的健康[19]。具有抗寄生虫活性的AMPs对寄生虫表现出良好的杀灭作用。Hu等[20]发现从刺舌蝇中分离得到的抗菌肽Attacin 表现出抗布鲁斯氏锥虫的活性；天然抗菌肽Bombinin H4 有抗利什曼原虫的活性，通过快速去极化和破坏质膜完整性，达到杀灭利什曼原虫的目的[21]；抗菌肽cathericidin 和temporinSHd 也显示出对寄生虫的高抑制活性[22]。抗癌活性的AMPs 是一类具有抗癌活性的肽分子。抗菌肽Trirpthicin 及其类似物在体外对Jurkat细胞有很大的毒性，抗菌肽indolicidin和puroindoline A也具有抗癌活性[23]。值得注意的是，净电荷和疏水性在优化抗癌肽的抗癌活性方面有重要作用，它们可以相互制约和影响，因此，实现净电荷和疏水性之间的平衡对于抗菌肽发挥更好的抗癌活性至关重要。

1.4 根据特定氨基酸分类

（1）富含脯氨酸的AMPs。脯氨酸（Pro）是一种典型的非极性氨基酸，这类AMPs 对革兰氏阴性菌有着较强的抗菌活性，其通过内膜转运蛋白SbmA进入细菌细胞质[24]，靶向核糖体，并在翻译终止期间阻断氨酰基tRNA与肽基转移酶中心的结合，或捕获核糖体上的解码释放因子，干扰蛋白质合成[25]。如抗菌肽Tur1A，通过与核糖体结合起到干扰蛋白质合成的作用。（2）富含色氨酸和精氨酸的AMPs。色氨酸（Trp）是非极性氨基酸，精氨酸（Arg）是带正电荷的极性氨基酸。Octa 2是一种典型的富含色氨酸和精氨酸的抗菌肽，可抑制革兰氏阴性大肠杆菌、铜绿假单胞菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌[26]。（3）富含组氨酸的AMPs。组氨酸（His）是常见的碱性氨基酸，富含组氨酸的AMPs 具有良好的膜渗透活性。Dong 等[27]设计了一种富含组氨酸的抗菌肽HV2，其可以增加细菌细胞膜的通透性，导致细菌细胞膜破裂和死亡；其还可以利用浓度依赖的方式抑制细菌运动，并通过抑制肿瘤坏死因子α（TNF-α）的产生显示出强烈的抗炎作用。（4）富含甘氨酸的AMPs。这类AMPs结构中富含的甘氨酸（Gly）与其抗菌机制有关。泛素肽（Ubiquitin peptide）是一种富含甘氨酸的AMPs，其序列中甘氨酸占比达50%，研究表明，泛素肽可以快速杀死金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌[28]。

1.5 根据结构特征分类

α-螺旋AMPs 是含量较丰富的、研究较广泛的一类抗菌肽，分子呈α-螺旋结构，常见的α-螺旋抗菌肽有LL-37等。β-折叠AMPs分子中通常含有二硫键，二硫键可以帮助其稳定结构，动物防御素和抗菌肽Lysozym 是典型的β-折叠AMPs[29-30]。无规则卷曲AMPs 在溶液中通常不形成典型的二级结构。除此之外，还有一些AMPs是α-β结构，其二级结构中既含有α-螺旋又含有β-折叠。

2 抗菌肽的作用机制

AMPs 抗菌的作用机制可以分为膜靶向机制和非膜靶向机制两种类型。

2.1 膜靶向机制

净电荷和疏水性特性是AMPs 能与细菌膜结合的主要原因。带正电荷的AMPs 可与带负电荷的细菌细胞膜发生相互作用，促使AMPs 在膜表面积聚。带负电荷的AMPs 也可以通过与金属离子作用而整体带上正电荷，进而与带负电荷的细菌细胞膜相互作用[31]。膜靶向机制包括极点模型和地毯模型（carpet model）。

2.1.1 极点模型极点模型可以分为环孔模型（toroidal pore model）和桶壁模型（barrel-stave model）。在环孔模型中，AMPs 垂直进入膜，其极性面与脂膜上磷脂的极性头部相结合，弯曲形成环孔，抗菌肽Melittin 被证明是采用该模型作用的抗菌肽[32]。桶壁模型中，AMPs 相互聚集，以多聚体的形式穿透双层细胞膜，形成导致细胞质流出的通道，严重情况下，AMPs可诱导细胞膜塌陷导致细胞死亡[33]。研究表明，牛碱性肽通过使用桶壁模型来进行其成孔活性[34]；抗菌肽Magainin 也被证明以桶壁模型发挥作用[35]。

2.1.2 地毯模型地毯模型中，AMPs可以定位在质膜面上，破坏膜结构。以这种模型发挥作用的AMPs分子结构中常含有β-折叠，如抗菌肽LL-37[36]和Bactenecin[37]。这种成孔机制一般需要一定的浓度阈值和很高的AMPs浓度。

2.2 非膜靶向机制

除了典型的作用于细菌细胞膜的机制外，一些AMPs还可以通过作用细胞内靶点来发挥杀菌作用，这种方式被称为非膜靶向作用机制。AMPs 的非膜靶向抗菌活性由抑制细胞壁、核酸和蛋白质合成及酶活性实现。在非膜靶向机制中，AMPs以直接渗透或者内吞的方式进入细胞后，识别并作用于靶标。根据靶标，AMPs可分为以下类别。

2.2.1 抑制细菌细胞壁形成细胞壁是细菌维持其自身形态的重要结构。革兰氏阳性菌的细胞壁主要是由肽聚糖组成，革兰氏阴性菌的细胞壁也含有肽聚糖。研究发现，从芽孢杆菌中分离出的AMP聚肽B，可以与肽聚糖的脂质A部分结合，不仅可以增加膜通透性，还可以抑制脂质A 与肽聚糖层的相互作用，进而抑制细菌细胞壁的合成[38]。

2.2.2 影响蛋白质合成和相关酶活性AMPs 通过干扰相关酶和效应分子，进而影响转录、翻译和蛋白质折叠。例如，从南非蝎的毒液中分离出的抗菌肽stoporin可以在不损伤细胞膜的情况下，迅速跨过细菌细胞膜，进入细胞内与细菌rRNA 结合，抑制蛋白质合成，这种直接作用于核酸目标的抗菌方式比较独特[39]；富含脯氨酸的昆虫AMPs可以抑制胞内酶活性，如抗菌肽Pyrrhocidin 可以结合胞内蛋白DnaK和GroEL，抑制热休克蛋白ATP酶活性，影响分子伴侣蛋白的折叠，最终导致细胞死亡[40]。

2.2.3 抑制核酸生物合成AMPs 可以通过影响关键酶或诱导核酸分子降解方式抑制核酸生物合成。研究表明，马铃薯抗菌肽Snakin-2能够快速穿透革兰氏阴性菌的外膜，进入细胞质后与DNA分子紧密结合，抑制DNA复制和转录，从而抑制核酸合成[41]；TFP1-1TC24是一种从半滑舌鲲中分离出的AMPs，在细胞膜破裂后进入靶细胞的细胞质，可以降解DNA和RNA[42]。

3 抗菌肽的应用

由于肽类抗菌产品受到了广泛关注，AMPs在医药和食品加工等领域也逐渐得到了广泛应用。

3.1 医药领域

AMPs 是应对多重耐药细菌挑战较有潜力的后续药物，既可以单独使用，也可以与抗生素、抗病毒药物或其他抗菌成分联合使用以获得协同效应[43]。目前已有部分AMPs 处于临床前阶段或临床试验阶段，如奥米加南（Omiganan）和喹红霉素（Cethromycin）等。抗菌肽LTX-109被证实可用于治疗细菌感染、皮肤和肌肉骨骼疾病及呼吸系统疾病，是一种改造后的肿瘤坏死因子α 与β 抗菌肽的融合物，在治疗支气管扩张性疾病方面，已完成I 期临床研究[44]；抗菌肽hLF1-11是一种具有广谱抗菌和抗真菌活性的抗菌肽，被开发用于治疗免疫受损的干细胞移植受体患者的细菌和真菌感染[45]；DPK-060 是一种合成抗菌肽，来源于人蛋白激肽原，其对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有广谱抗菌活性，还具有抗炎活性，在特应性皮炎（AD）患者的II期临床试验中表现出积极效果[46]。

AMPs在治疗口腔疾病、外科感染等方面前景广阔。龋齿、牙髓病和牙周病是人类口腔中的常见疾病。一些产酸细菌是与龋齿相关的主要病原体[47]。抗菌肽CSA-13 对致龋菌和牙周病细菌具有广谱抗菌活性，其对蛋白酶阳性卟啉单胞菌也有效果，即CSA-13 有助于预防和治疗口腔微生物疾病[48]。还有几种AMPs 具有良好的应用潜力，如组氨酸富含肽（Histatin）可有效控制牙菌斑和龋齿病原菌的生长，被应用于口腔健康产品中。

人类皮肤和皮肤结构是细菌感染最常见的部位之一[49]，伤口感染严重时会危害生命，由非洲爪蟾产生的天然看守抗菌肽Pexiganan 是第一个被评估用于治疗人类伤口感染的AMPs[50]。目前，还有一些AMPs 显示出这类疾病的治疗潜力，如LL-37[51]和tylotoin[52]。

3.2 食品加工领域

传统的食品防腐剂多为化学合成，使用这些食品防腐剂对人体存在潜在危害。因此，使用天然防腐剂正被越来越多的人提倡。AMPs 对食物中常见的细菌和真菌有很好的抑制作用，使AMPs 类天然防腐剂成为食品保鲜领域的研究热点。

乳酸链球菌肽等巴氏杆菌产生的AMPs 被广泛应用于乳制品的生产，通过抑制乳糜泻沙门氏菌等病原菌污染，达到食品保鲜的作用[53]，其被美国食品和药物管理局（FDA）归类为公认安全，并用作食品防腐剂[54]。从牛奶中提取的乳铁蛋白，是一种结合铁元素的防御蛋白，具有很高的抑菌活性，研究发现，经乳铁蛋白抗菌肽B处理过的牛肉中，大肠杆菌的数量大幅度减少[55]。肠毒素AS-48是一种用于保存苹果酒、水果和蔬菜汁的AMPs，肠毒素CCM 4231可用于保存豆浆[56]。

3.3 植物抗病领域

在农业中，AMPs作为一种新型的抗菌药物被广泛应用于植物抗病等方面，表现出了良好的应用潜力。植物病原感染严重时会造成经济损失，例如，玉米和花生的黄曲霉毒素感染、指状青霉引起的柑橘绿霉菌、草莓灰葡萄孢引起的灰霉菌病以及柑橘果实的黄曲霉毒素感染等，对农产品的生长和采后食品安全产生了较大危害[57]。转基因作物可抵抗不同病原菌的侵害，进而减少化学杀虫剂类药物的使用量，例如将天蚕素B的基因转入柑橘中，可降低其对黄龙病的易感性[58]。

4 结语

AMPs 独特的抗菌机制使其成为对抗耐药细菌的有力武器，其作为抗生素的潜在替代品具有较高的研究价值。AMPs在医药、食品保鲜和植物抗病等领域都展现出广阔的应用前景。本文对抗菌肽的分类、作用机制以及应用情况等进行介绍，了解了AMPs 领域的最新研究进展和应用。目前AMPs 的研究热点主要包括深入揭示其多样的作用机制、开发高效低毒的抗菌肽类药物、建立经济的制备方法以及AMPs 的临床应用等。计算机模拟和细胞膜模型为解析AMPs 复杂的作用机制提供了有力工具，这对阐明AMPs 抗菌机制意义重大。越来越多的动物试验和临床试验为开发高效低毒的AMPs 药物以及推进AMPs 的临床应用提供了基础。除此之外，AMPs 与其他物质联合使用，提高抗菌效果、降低使用成本也是值得探索的方向，这些研究对推动AMPs的转化与应用意义重大。