蔡菁

（四川大學(xué)華西藥學(xué)院 成都 610041）

抗生素耐藥性在微生物中廣泛存在的事實(shí)已經(jīng)有據(jù)可查，促成這一發(fā)展的因素包括抗生素使用不當(dāng)、廣譜抗生素的過度使用、抗生素在食品和畜牧業(yè)以及家用產(chǎn)品中的使用或添加等，它們導(dǎo)致了許多致病菌株的多藥耐藥性的產(chǎn)生從而成為臨床上的棘手問題。細(xì)菌的多藥耐藥性對人類健康是一個極大的威脅，它激勵我們努力開發(fā)包括潛在替代藥物的抗菌肽。

抗菌肽(Antimicrobial peptides，AMPs)是指有機(jī)體在真核生物的核糖體和原核生物非核糖體合成的小分子堿性多肽，如昆蟲抗菌肽、桿菌肽、多黏菌素等[1]，被稱為進(jìn)化的古代兵器，在動植物中都有發(fā)現(xiàn)。抗菌肽在先天的非特異性防御系統(tǒng)中扮演重要的角色，賦予沒有事先接觸外來病原體而對感染產(chǎn)生抵抗作用，這些反應(yīng)是由遺傳決定并為所有多細(xì)胞生物體所擁有，雖然它們的氨基酸序列各不相同，但它們能形成雙親螺旋結(jié)構(gòu)允許AMPs的相互作用并瓦解細(xì)菌質(zhì)膜?？紤]到它們對細(xì)菌，真菌，包膜病毒和寄生蟲的廣譜活性，尋找抗菌肽作為新的治療藥物的潛力已經(jīng)成為研究的焦點(diǎn)。抗菌肽因?yàn)槠涮烊坏目咕芰?、選擇性、功效和抗細(xì)菌耐藥性等方面的優(yōu)勢，使它們成為現(xiàn)代臨床藥物開發(fā)的理想選擇。

1 抗菌肽的作用特點(diǎn)及應(yīng)用前景

1.1 抗菌肽的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

抗菌肽結(jié)構(gòu)一般少于50個氨基酸殘基，其中50%左右為疏水氨基酸，其靜電荷由來自堿性氨基酸（如賴氨酸和精氨酸）所帶的過量正電荷而呈正。按二級結(jié)構(gòu)來分類，抗菌肽常見的是β折疊和α螺旋分子[2]：β折疊肽由二到三個二硫鍵來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(圖1 A)，而α螺旋僅有一個二硫鍵的環(huán)狀肽(圖1 B)。盡管它們的二級結(jié)構(gòu)各不相同，但當(dāng)它們折疊成兩性分子帶上電荷，親水部分和疏水部分相對隔離時的三維結(jié)構(gòu)相似。這種兩性分子的組織形態(tài)使得帶正電荷的抗菌肽和帶負(fù)電荷的細(xì)菌質(zhì)膜之間產(chǎn)生強(qiáng)相互作用，同時疏水基能促進(jìn)抗菌肽滲透到質(zhì)膜的脂質(zhì)層中去。盡管將近900個抗菌肽序列已從各種生物體中得到分離到，但只有少數(shù)幾種已經(jīng)確定了三維結(jié)構(gòu)[3]。比如，日本的馬蹄蟹血細(xì)胞中分離得到的一種β-折疊類型的抗菌肽鱟素，它的結(jié)構(gòu)特征是靠二硫鍵穩(wěn)定的反向平行β-折疊?；钚躁P(guān)系的研究表明這種β折疊型抗菌肽中的二硫鍵雖然對與抗菌活性是非必須的，但對于膜轉(zhuǎn)位是必需的。

1.2 抗菌肽的作用機(jī)制

抗菌肽的天然作用機(jī)制還無法確切得知，不過已有研究表明抗菌肽的作用模式跟它們的結(jié)構(gòu)特性有很大的關(guān)系，它們的序列、分子大小、天然正電荷、疏水性和雙親性決定了它們和靶細(xì)胞的相互作用，這樣看來不同的抗菌肽針對不同的微生物主要是因?yàn)樗鼈冑|(zhì)膜之間的區(qū)別。簡單說來，是細(xì)菌質(zhì)膜的組織形式和它們的磷脂雙分子層中帶負(fù)電和的磷酸基團(tuán)頭部，使得細(xì)菌容易受抗菌肽的攻擊；另一方面，真核生物細(xì)胞膜中中性脂質(zhì)分子占主要部分，使得不容易被抗菌肽攻擊。

圖1 抗菌肽結(jié)構(gòu)類型

Shai-Matsuzaki-Huang(SMH)模型[4]是一個解釋抗菌作用的模型，更確切地說是解釋抗菌肽和細(xì)菌質(zhì)膜最初相互作用的模型。假設(shè)提出無規(guī)則的小肽段采取一種三維結(jié)構(gòu)與細(xì)菌質(zhì)膜的相互作用折疊到雙親性分子層中，帶正電荷的一側(cè)直接與帶負(fù)電荷的細(xì)菌質(zhì)膜的磷脂分子頭部相作用。接著脂質(zhì)會被抗菌肽移位導(dǎo)致質(zhì)膜上出現(xiàn)一個小的缺口。此后，抗菌肽分子聚集在一起形成一個能允許肽段轉(zhuǎn)位到靶標(biāo)細(xì)胞內(nèi)的通道。然而，不得不說現(xiàn)在對于通道形成的具體過程以及肽段的攝取都還頗具爭議。此外，學(xué)術(shù)界還有3種解釋抗菌肽小孔形成的模型，包括“桶板”模型(barrel-stove model)、“毯式”模型(carpet model)、“環(huán)形孔”模型(toroidal pore model)和“凝聚”模型(aggregate model)，目前還沒有一個統(tǒng)一的模型能解釋所有的抗菌肽作用機(jī)制[4-5]。

實(shí)際的抑菌活性作用是由于對細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞，這可以通過很多種途徑達(dá)到，包括膜的去極化、制造膜上的孔洞使得內(nèi)容物泄露、細(xì)胞壁的降解以及改變膜雙層結(jié)構(gòu)中脂質(zhì)的組成從而導(dǎo)致膜功能的紊亂。由于抗菌肽既能在細(xì)胞內(nèi)部起作用也能激活致死途徑，這能誘導(dǎo)水解作用使得細(xì)胞壁降解，甚至可能破壞細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵因子而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

1.3 耐藥性——細(xì)菌的抵抗

D'Costa的研究[6]表明抗生素耐藥性是一種普遍的自然現(xiàn)象，而據(jù)推測抗菌肽不同于青霉素那樣的抗生素，細(xì)菌對它一般不會產(chǎn)生耐藥性。然而，盡管有這么樂觀的預(yù)測，但還有一個重要因素必須考慮到，那就是耐藥性是否能不激活？耐受性似乎和抗菌肽與細(xì)菌質(zhì)膜間的強(qiáng)制性作用不太相關(guān)，因?yàn)?，抗菌肽的耐藥性得有?xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)重組，而這是一個非常耗能的過程。

但是，少數(shù)細(xì)菌抵抗某些抗菌肽的例子確實(shí)存在，以前認(rèn)為細(xì)菌質(zhì)膜的改變不可能作為一種抵抗機(jī)制，但現(xiàn)在這已經(jīng)被證實(shí)。這些改變包括摻入減少負(fù)電荷的元件以達(dá)到阻止抗菌肽在細(xì)胞膜上聚集的目的，從而阻止藥物進(jìn)入細(xì)胞。例如，研究表明，金黃色葡萄球菌用L-賴氨酸修飾了胞質(zhì)膜陰離子磷脂，造成細(xì)菌細(xì)胞膜凈負(fù)電荷的減少，導(dǎo)致細(xì)菌對抗菌肽的排斥和隨后的抗性[7]。相似地，革蘭陰性菌對脂多糖的修飾是細(xì)菌產(chǎn)生抗性的另一種機(jī)制，在一些病原菌如血清型鼠沙門氏菌中，脂多糖組分脂質(zhì)A的修飾能夠使細(xì)菌對抗菌肽產(chǎn)生抗性，這些修飾包括脂肪酸的摻入從而降低細(xì)胞膜外層的滲透性、增加細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究表明PhoP-PhoQ調(diào)控系統(tǒng)是細(xì)菌對許多不同的抗菌肽產(chǎn)生抗性所必須的，而和PhoP-PhoQ同源的調(diào)控系統(tǒng)也大量存在革蘭陰性菌中。由此看來，抗性產(chǎn)生的關(guān)鍵在于減少細(xì)菌質(zhì)膜所帶的負(fù)電荷，然而，除了上述提及的修飾方式，細(xì)菌還能改變自身細(xì)胞壁的疏水性和質(zhì)膜的流動性，這也是應(yīng)對抗菌肽的重要保護(hù)措施。雖然存在微生物對抗菌肽產(chǎn)生耐藥性的例子，但是完全沒有必要過度擔(dān)憂。因?yàn)槲⑸飳咕牡哪退幮詸C(jī)制會影響其生存和繁殖。耐藥性是微生物妥協(xié)其他功能的產(chǎn)物，例如：是以降低生長率為代價的。這就說明當(dāng)外界不存在抗菌肽的時候，對抗菌肽敏感的微生物會與有耐藥性的菌株進(jìn)行競爭，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)耐藥性菌株付出的代價是：正常情況下，耐藥性菌株比對照菌需要花更多的時間進(jìn)行DNA的復(fù)制等。所以只要嚴(yán)格控制抗菌肽的合理使用，就不會重蹈由于抗生素的誤用或?yàn)E用而導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生的覆轍[8]。

1.4 抗菌肽潛在的治療應(yīng)用

諸多因素決定了抗菌肽是新一代抗菌劑的理想候選者，如抗菌肽分子量相對較小因此容易合成，作用效果迅速，活性抗菌譜廣而且形成耐藥性的傾向較低，它們可能被用作單一的抗菌劑，也可能在聯(lián)合治療中被用作免疫調(diào)制劑或內(nèi)毒素中和試劑。研究表明體外抗菌肽具有突出的抗菌活性，代表著充滿前景的新一類抗菌藥物，也有證據(jù)表明好的體外活性也許暗示著在動物體內(nèi)同樣具有不錯的活性[9]。不過，在抗菌肽用于臨床治療之前還有很多的障礙需要克服。包括膜通過性，穩(wěn)定性和對蛋白酶敏感性，對真核細(xì)胞不必要的毒性，以及大規(guī)模生產(chǎn)的高成本和可能導(dǎo)致的過敏。解析抗菌肽的二級結(jié)構(gòu)有助于了解它如何發(fā)揮功能，只有這樣才能發(fā)現(xiàn)有效的抗菌肽用于藥物應(yīng)用[10]。

目前也有一些用于臨床治療的抗菌肽，但為數(shù)不多?！暗谝淮笨咕氖亲钙つw抗菌素的變體，又叫培西加南，是一種22個氨基酸組成的合成肽，用于輔助傷口愈合，雖然相對無毒而且比較有效，但FDA還是因其并不比現(xiàn)行的治療方式有效而將其拒之門外。目前已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段的抗菌肽有細(xì)菌素、源于蛙馬蓋寧的MSI-78及源于豬Protegrin的IB-367[11]。同時也有一些抗菌肽得到FDA的許可用于治療試劑，這一類包括短桿菌肽S和多黏菌素B等，但不幸的是因?yàn)樗鼈兌拘暂^強(qiáng)而被限制使用。

抗菌肽和抗生素的聯(lián)合療法是有一條值得探索的光明大道，D-9-mer(異構(gòu)體)肽對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和假單胞菌的體外抑制效果已經(jīng)得到證實(shí)[12]。這些改造自昆蟲防御素的合成肽，由于和抗生素的結(jié)合能表現(xiàn)出協(xié)同或者疊加作用，通過和細(xì)菌質(zhì)膜的相互作用，它們能夠增加質(zhì)膜通透性，并且使得抗生素更容易接近細(xì)胞質(zhì)中的靶標(biāo)。某些抗菌肽有另一個令人興奮的特征，它們能抑制細(xì)菌抗生素外排泵的作用從而阻止抗生素的外泄。雖然抗菌肽作為治療藥劑前途一片光明，但為了探究體內(nèi)使用效果、潛在的弊端以及抗菌肽和抗生素該如何結(jié)合仍需要做很多意義深遠(yuǎn)的工作。

2 結(jié)語

抗菌肽的廣譜抗菌活性和作用機(jī)制等特性都使之成為發(fā)展治療藥物的較佳選擇，但是，在它們得到臨床應(yīng)用之前必須解決一些限制因素，包括其毒性和穩(wěn)定性，以及交付難度和大規(guī)模生產(chǎn)的高成本等，只有當(dāng)這些限制因素解決了，基于抗菌肽的治療才能得以充分實(shí)現(xiàn)。另外，細(xì)菌對宿主防御肽形成交叉耐藥性的威脅也值得警惕，尤其是一些細(xì)菌病原體已經(jīng)對抗菌肽也形成了有效的限制對策。因此，我們?nèi)匀恍枰獜倪^去的錯誤中吸取經(jīng)驗(yàn)，而不是簡單地用一種形式的抗生素代替另外一種而不加以監(jiān)管。

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