抗菌肽的研究進展及應用前景

尹昆侖，王嘉榕，孫紅賓

(中國科學院合肥物質科學研究院 強磁場科學中心，安徽 合肥 230031)

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抗菌肽的研究進展及應用前景

尹昆侖，王嘉榕，孫紅賓Δ

(中國科學院合肥物質科學研究院 強磁場科學中心，安徽 合肥 230031)

抗菌肽(antimicrobial peptides, AMPs)是自然界生物體內(nèi)非常重要的防御體系，能夠對抗細菌、真菌、病毒甚至腫瘤細胞?？咕木哂袕V譜抗菌活性，且不易產(chǎn)生耐藥性，這使得抗菌肽成為應用前景非常廣闊的抑菌劑。本文綜述了抗菌肽的來源、功能及其作用機制，并對其應用前景進行展望。

抗菌肽；來源；功能；機制；應用前景

近年來，由于抗生素等藥物的濫用，藥物殘留、細菌耐藥性等問題日益突出，已經(jīng)引起了社會的廣泛關注，越來越多的國家和地區(qū)開始嚴格控制抗生素等藥物的使用?！俺壖毦钡某霈F(xiàn)和蔓延, 如新德里金屬β-內(nèi)酰胺酶1(New Delhi metallo-β-lactamase-1,NDM-1), 更是對人類敲響了警鐘。因此，尋找抗生素的替代物成為許多國家的研究重點?？咕?antimicrobial peptides, AMPs)是由機體特定基因編碼并經(jīng)過外界誘導產(chǎn)生的，普遍存在于動物、植物和微生物中，是自然界生物體內(nèi)非常重要的防御體系。它們是一類具有生物學活性的小分子多肽，一般由12～100個氨基酸殘基組成，富含賴氨酸、精氨酸等堿性氨基酸，并且含有高于30%的疏水性氨基酸。抗菌肽大多為兩親性且?guī)в幸欢康恼姾?通常是+2～+9)，為陽離子多肽。

抗菌肽能夠對抗細菌、真菌、病毒甚至腫瘤細胞，并且具有分子量小，水溶性好，耐熱性強，無免疫原性，殺菌速度快，不易被蛋白酶水解等特點。這使得抗菌肽成為應用前景非常廣闊的抑菌劑。

20世紀80年代，瑞典科學家Boman等在惜古比天蠶中發(fā)現(xiàn)并命名了第一個抗菌肽——天蠶素[1]。至今，人們已經(jīng)從細菌、真菌、動植物中發(fā)現(xiàn)并分離得到了2000多種有抗菌活性的多肽。

1 抗菌肽來源

1.1 昆蟲抗菌肽 到目前為止，一共發(fā)現(xiàn)了200多種昆蟲抗菌肽，根據(jù)它們的氨基酸序列和抗菌活性，這些抗菌肽可以被分為5大類：天蠶素類，動物防御素，富含脯氨酸的多肽，富含甘氨酸的多肽和溶菌酶[2]。見表1，表2[3]。

表1 昆蟲中的一些抗菌肽Tab.1 Recent AMPs from insects

表2 從其他動物中得到的抗菌肽Tab.2 Recent AMPs from other animals

1.2 植物抗菌肽 植物自身可以合成能夠防御微生物侵襲的一類多肽，其結構與昆蟲、哺乳動物防御素相似，稱為植物防御素，不同的植物可以產(chǎn)生不同的抗菌肽。Thionins是第一類從植物中分離出來的抗菌肽[4]。植物抗菌肽對真菌具有很好的殺滅活性。

1.3 微生物抗菌肽 昂貴的生產(chǎn)成本是抗菌肽在實際應用中存在的一大問題，利用基因工程可以實現(xiàn)大規(guī)模、異源表達抗菌肽的目的，現(xiàn)已有多種AMPs的表達系統(tǒng)，如大腸桿菌、酵母、昆蟲細胞、轉基因動植物等[5-17]，具有良好的表達效果[3](見表3)。

表3 來源于微生物工程菌的抗菌肽Tab.3 Recent AMPs from engineered microorganism

1.4 人工合成抗菌肽 近年來，隨著人們對抗菌肽的不斷深入的研究，人們已經(jīng)可以合成一些抗菌肽，如蛙皮素已經(jīng)進入Ⅲ期臨床實驗。因此，合成具有高活性的抗菌肽是發(fā)展新型抗生素的一條有效途徑[3](見表4)。

表4 一些合成的抗菌肽Tab.4 Recent AMPs from synthesis

2 抗菌肽結構

盡管抗菌肽具有相似的理化性質，但是這些抗菌肽序列的同源性卻很低，它們的二級結構通常分為4類：α螺旋結構，β折疊結構，loop結構和線性延展結構[18-20](見表5，圖1)。

表5 關于抗菌肽不同一級序列的實例Tab.5 Some examples of the diverse primary sequence compositions of antimicrobial peptides

*氨基酸序列用單字母表示，用數(shù)字表示半胱氨酸二硫鍵的配對情況，粗體表示堿性氨基酸殘基

A表示loop結構的thanatin, B表示β折疊結構的polyphemusin, C表示α螺旋結構的magainin-2, D表示延展性結構的lidolicidin圖1 抗菌肽的結構類別Fig.1 Structural classes of antimicrobial peptides

3 抗菌肽功能

3.1 抗菌肽對細菌的殺傷作用 抗菌肽的主要生物學功能就是具有抗菌活性[21-22]，其抗菌作用主要包括抑制革蘭氏陰性細菌、革蘭氏陽性細菌?？咕牟坏哂袕V譜的抗菌性，而且殺菌速度很快。

3.2 抗菌肽對真菌的殺傷作用 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過7萬種真菌，其中一些會對人類的健康產(chǎn)生嚴重威脅，許多抗菌肽除了具有殺滅細菌功能外還具有抗真菌的功能[23]，如Baek和Lee等[24]從毒液中分離出3種多肽(OdVP1, OdVP2, OdVP3)，這3種多肽尤其是OdVP2具有強烈的抗真菌活性，但是抗細菌的活性卻很低[3]。

3.3 抗菌肽對寄生蟲的殺傷作用 寄生蟲引起的熱帶疾病已經(jīng)對人類社會的經(jīng)濟造成了巨大的損失，由于寄生蟲對藥物產(chǎn)生了耐藥性并且藥物的毒副作用也很嚴重，因此尋找新的方法來控制這些問題已經(jīng)成為當務之急[25]。例如，BMAP-18具有對多種寄生蟲很高的殺傷活性，但同時又對哺乳動物細胞和昆蟲細胞具有很低的毒性[26]。

3.4 抗菌肽對病毒和癌癥細胞的殺傷作用 抗菌肽具有殺傷病毒和腫瘤細胞的作用[27]，它們能夠抑制某些腫瘤細胞，但是不會對正常細胞產(chǎn)生影響。據(jù)已有報道，抗菌肽對宮頸癌[28]、膀胱癌[29]等具有殺傷作用。

3.5 抗菌肽的免疫調節(jié)作用(見圖2)[30]已經(jīng)證實，抗菌肽在宿主細胞的免疫調節(jié)方面也起著重要作用。如圖(a)～(c)，溶解細菌細胞壁釋放炎癥刺激信號；刺激肥大細胞脫粒促使組織胺的釋放和血管的擴張；引起嗜中性粒細胞和輔助性T細胞的趨化作用，導致白細胞富集到感染部位；促進非調理性吞噬作用；通過組織纖維蛋白原激活劑抑制纖維蛋白的溶解，進而減少細菌的擴散；通過促進成纖維細胞的趨化和生長來加速組織和傷口的愈合；通過抑制特定的蛋白酶來減少組織的損傷。如果急性炎癥反應不能清除細菌，那么慢性炎癥反應就會被激活，作為單核細胞的趨化因子；招募T細胞；提高趨化因子產(chǎn)量和輔助性T細胞的增殖反應，進而導致免疫球蛋白(IgG)的增加，抑制細胞因子產(chǎn)量和巨噬細胞對脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)的反應；刺激巨噬細胞的凋亡和淋巴細胞的活化，最終消滅被感染的細胞。

圖2 抗菌肽在急性和慢性炎癥反應中的作用Fig.2 Proposed role of antimicrobial peptide in acute (a-c) andchronic (d) inflammation

4 抗菌肽作用機制

見圖3[20]所示，通常有4種模型來解釋抗菌肽作用機制。

圖3 抗菌肽作用機制Fig.3 Mechanisms of action of antimicrobial peptides

A為“聚集通道”模型，抗菌肽插入細胞膜后，與磷脂分子形成膠束狀復合物[31-32]，以聚集物的形式跨越細胞膜，進而形成了一個動態(tài)的通道，抗菌肽通過這種機制可以進入細胞內(nèi)部。在此模型中，抗菌肽沒有特定的取向。

B為“環(huán)孔”模型，抗菌肽結合到細胞膜上之后，其親水區(qū)和疏水區(qū)分別與磷脂分子的極性頭部和非極性尾部相互結合，并且造成細胞膜向內(nèi)彎曲，破壞膜的完整性，當抗菌肽與脂類的比例達到臨界值之后，抗菌肽開始垂直定向于細胞膜，形成肽-脂類超分子復合物。

C為“桶板”模型[33]，抗菌肽垂直插入到細胞膜內(nèi)部，形成一個木桶狀的聚集物，多肽的疏水側朝向細胞膜的?；?，親水側形成一個孔，最終形成橫跨細胞膜的通道。通道一旦形成之后，細胞即可與外界進行物質與能量的交換，最終致使細胞膜崩解而導致細胞死亡。

D為“地毯”模型，通過靜電相互作用，抗菌肽平行地排列在細胞膜的表面，形成“地毯”式結構，當抗菌肽在單位面積上的數(shù)量達到一定的閾值之后，將會導致類似去垢劑的活性，形成膠束狀物質，進而破壞細胞膜導致細胞的死亡。在此模型中，抗菌肽的疏水端并不插入到細胞膜，也沒有形成孔道。

抗菌肽不僅可以和細胞膜相互作用，也可以和細胞內(nèi)的生物大分子相互作用，抑制細胞生物大分子的合成和表達，E表示抗菌肽會抑制DNA的復制、RNA的合成，F(xiàn)表示抗菌肽會抑制蛋白質的合成，G表示抗菌肽會抑制蛋白的折疊，H表示抗菌肽會抑制酶的糖基化修飾，I表示抗菌肽會抑制細菌結構組分的形成，如抑制細胞壁的形成[34]。

5 類抗菌肽藥物研發(fā)[35]

由于抗菌肽高效、低毒和特異性強等特點，它們已經(jīng)在生物醫(yī)藥領域引起的極大關注。美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)在過去的十年間批準了十余種抗菌肽藥物(見表6)。

表6 2004～2013年間FDA批準的抗菌肽藥物[35]Tab.6 Approved peptide-based drugs by the FDA 2004-2013[35]

6 抗菌肽應用前景及展望

抗菌肽具有高效、廣譜的抗菌活性，對革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、真菌、病毒和腫瘤細胞具有較高的活性。與傳統(tǒng)抗生素的抗菌機制不同，抗菌肽對正常的細胞無害，且對機體不產(chǎn)生毒副作用，無殘留等特點。這使得抗菌肽成為在臨床醫(yī)學、動植物轉基因等領域具有廣闊開發(fā)及應用前景的抗微生物制劑，不僅能夠有效解決傳統(tǒng)抗生素日益嚴重的耐藥性問題，更以其獨特的免疫調節(jié)功能，為抗感染治療提供新方法。相信隨著研究的不斷深入，抗菌肽將會極大地造福人類。

致謝

這項工作由國家自然科學基金面上項目(核磁共振研究抗菌肽與細胞膜相互作用的分子機制，No.21372222)資助，在此表示感謝！

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(編校：譚玲)

《當代介入醫(yī)學電子雜志》征稿函

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辦刊方針：以“大介入、大融合”為方向，整合介入醫(yī)學在多學科領域應用的基礎理論、臨床實踐、技術研發(fā)；促進中國介入醫(yī)學整體水平的快速、健康發(fā)展。

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Progress of antimicrobial peptides research and application

YIN Kun-lun, WANG Jia-rong, SUN Hong-binΔ

(High Magnetic Field Laboratory, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Antimicrobial peptides (AMPs) are critical component of the innate immune system of organisms, and have been demonstrated with the activity against a variety of microorganisms including bacteria, yeast, fungi, viruses and even tumor cells.Broad-spectrum activity and low propensity for resistance development make the AMPs as a kind of great potential for development of new anti-infective agents.In this paper, the origins, the action, the mechanism, the application prospects are reviewed.

antimicrobial peptides; origins; action; mechanism; application prospects

國家自然科學基金面上項目(核磁共振研究抗菌肽與細胞膜相互作用的分子機制，No.21372222)

尹昆侖，男，碩士，研究方向：生物大分子結構生物學研究，E-mail: yinkunlun@hmfl.cas.cn；孫紅賓，通訊作者，男，博士，研究員，研究方向：生物大分子結構生物學研究，E-mail：hbsun@hmfl.ac.cn。

S816.7

A

1005-1678(2015)05-0181-05