陳 明 章玉萍 代君君 涂文君 張麗麗 吳傳華 劉 健 范 濤

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學院蠶桑研究所,安徽合肥 230061; 2安徽省肥西縣人民醫(yī)院,安徽合肥 231200)

·綜述·

新型抗感染藥物研究模式生物
——家蠶

陳 明1章玉萍1代君君1涂文君2張麗麗1吳傳華1劉 健1范 濤1

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學院蠶桑研究所,安徽合肥 230061;2安徽省肥西縣人民醫(yī)院,安徽合肥 231200)

在抗生素耐藥現(xiàn)象層出不窮的今天,尋找新的抗菌靶點和藥物作用機制,開發(fā)新的抗感染藥物變的越來越緊迫。家蠶,以其特有的生理生化特性和基因組學研究深入為優(yōu)勢,逐漸成為一種重要的用于抗感染藥物研究的模式生物。綜述了家蠶作為抗感染藥物研究新興的模式生物,憑借世代短、子代多、遺傳資源豐富以及基因和人類基因相似性高的若干優(yōu)勢,對家蠶用于抗感染藥物研究的相關(guān)應用,如家蠶抗感染模型的建立、抗感染防御機制的研究，利用家蠶感染模型研究新型抗病毒藥物、新型抗菌藥物，家蠶的真菌感染研究等進行了綜述,展望了家蠶模式生物研究的前景。

家蠶;模式生物;抗感染;防御機制;藥物篩選

隨著一線臨床抗生素的廣泛和大量使用,抗生素耐藥問題日益嚴重,尤其是伴隨著細菌多重耐藥(Multidrug-resistant, MDR)現(xiàn)象的出現(xiàn),開發(fā)基于新機制和新藥理作用的新型抗感染藥物已經(jīng)變得越來越緊迫[1]。新型抗感染藥物的研發(fā)離不開藥物篩選模型的發(fā)展。藥物篩選是對可能作為藥物使用的物質(zhì),包括天然產(chǎn)物、合成化合物等,應用適當?shù)姆椒ê图夹g(shù),檢測其可能存在的藥理活性并推測其可能的藥理作用機制,為新藥開發(fā)提供實驗依據(jù)。目前,隨著制藥工業(yè)的發(fā)展,大量的新藥篩選模型已經(jīng)被建立,按照其作用對象,可分為三個水平:細胞分子水平、組織器官水平和整體動物水平[2]。將動物個體作為模式生物,從整體動物水平出發(fā)進行藥物篩選,可以從個體水平直觀地反映出藥物的藥理和藥效學特點[3]。所以,尋找和研究更多的模式動物用以整體動物模型構(gòu)建是藥物篩選領(lǐng)域重要的研究課題。目前,大部分和人有關(guān)的感染疾病模式動物研究主要以哺乳動物模型為主,如大鼠、小鼠、家兔等。使用哺乳動物作為模式生物,除了生物倫理和生物安全方面的考量之外,還需要投入大量的經(jīng)費進行哺乳動物的飼養(yǎng)和繁殖,實驗成本較高[4]。因此,有國外研究者提出,傳統(tǒng)的抗感染藥物篩選都是以微生物細胞模型為基礎(chǔ),能否利用低等動物和人在部分相關(guān)基因上的相似性,從低等動物模型著手,加速抗感染藥物的研發(fā)速度[4-5]。而且隨著研究的深入,目前國際上已經(jīng)開始提倡使用低等動物代替高等動物進行損傷性實驗。家蠶作為新興的模式生物,憑借世代短、子代多、遺傳資源豐富以及基因和人類基因相似性高的優(yōu)勢,已經(jīng)成為生物學家在實驗室內(nèi)進行模式生物學研究的新選擇,成為重要的抗感染藥物研究模式生物之一。

1 家蠶作為抗感染藥物篩選模式生物的優(yōu)點

家蠶(Bombymori)作為生物界的一個大類群,在分類上屬于昆蟲綱鱗翅目蠶蛾科(Bombycidae)。家蠶與經(jīng)典的模式生物蠑螈(Salamandralaurenti)、小鼠(Musmusculus)、斑馬魚(Zebrafish)等相比具有一些特殊的研究優(yōu)勢:一是家蠶的培育技術(shù)已經(jīng)非常成熟,易于進行規(guī)?；乃募撅曫B(yǎng)和繁殖,實驗成本低。二是家蠶作為重要的經(jīng)濟昆蟲,其生理和生化特征已經(jīng)被廣泛深入地研究,作為模式生物的生物學理論背景清楚明確,便于開展后續(xù)的藥代動力學和藥理學研究。三是由于家蠶在實驗環(huán)境下較難逃逸且在非培養(yǎng)條件下生存不了,相比其它模式生物,家蠶引發(fā)生物危害和生物安全問題的可能性較低。四是隨著家蠶基因組計劃的推進,家蠶基因組的框架圖和精細圖相繼完成,這為深入研究家蠶重要性狀和關(guān)鍵的功能基因提供了極為豐富的生物信息資源。特別是隨著家蠶核酸數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫及表達數(shù)列標簽(Expressed Sequence Tag, EST)數(shù)據(jù)庫等各種二級數(shù)據(jù)庫的成功構(gòu)建,家蠶功能基因組學的相關(guān)技術(shù)日趨完善,家蠶作為模式生物用于感染性疾病研究已經(jīng)有了良好的技術(shù)先導優(yōu)勢[4,6-8]。目前的研究已經(jīng)證實,某些人類疾病的相關(guān)基因和家蠶基因具有很高的同源性,如家蠶素(Bombyxin)基因編碼的類胰島素肽和人胰島素的氨基酸組成約有40%的相似性[9]。以家蠶為模式生物,結(jié)合相應的基因組學和蛋白質(zhì)組學研究,研究與人類疾病相關(guān)的家蠶基因和編碼蛋白質(zhì),將有助于致病機制的探索和新型藥物的研發(fā)。

2 家蠶作為抗感染藥物篩選模式生物的研究進展

2.1 家蠶抗感染模型的建立

Kaito等[10]最先開展了家蠶作為模式生物用于抗感染藥物測試的研究,認為家蠶可作為模式生物測試細菌對于哺乳動物的潛在致病性,并提出病原菌的致病機制和家蠶抗感染防御機制的研究是利用家蠶作為模式生物開發(fā)抗感染藥物的基礎(chǔ)和前提。作為一種生理學習性和藥理學特點已經(jīng)被研究的較為透徹的無脊椎動物,家蠶在抗感染藥物的藥代動力學特征上和大鼠等哺乳動物具有非常高的相似性,Sekimizu 等[4]、Kurokawa等[11]、Hamamoto等[12]的大量研究證實了這一點[13-15]。Hamamoto等[16]研究證實,家蠶在傘形花內(nèi)酯、香豆素等藥物的代謝特征上和大鼠等哺乳動物相似,均通過細胞色素P450酶系進行代謝。進一步的研究發(fā)現(xiàn),以家蠶為模式生物得出的藥效學結(jié)論與哺乳動物藥物試驗的結(jié)果相吻合[17]。與傳統(tǒng)的無脊椎動物果蠅、蝗蟲、蜜蜂等相比,家蠶可以通過口飼、血淋巴注射、腸管注入等多種方式接入待測藥物,且個體適中,便于實施精確的藥物劑量控制和組織分離。目前已利用家蠶作為抗感染模式生物研究的病原體包括病毒、細菌和真菌三大類。病毒包括軟化病病毒(Iflaviridae virus, FV)、核型多角體病毒(Nuclear polyhedrosis virus, NPV)等,細菌包括金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、綠膿桿菌等醫(yī)源性感染菌,真菌包括白色念珠菌、曲霉菌等機會性致病真菌。

2.2 家蠶抗感染防御機制的研究

與大多數(shù)昆蟲類似,家蠶具備簡單而完善的先天免疫系統(tǒng)識別外來入侵的病原體并產(chǎn)生一系列的免疫反應,其免疫系統(tǒng)通過細胞免疫和體液免疫2個方面發(fā)揮作用。細胞免疫主要通過吞噬、包被和結(jié)節(jié)等作用來實現(xiàn)對外來病原體的抑制和清除效果,體液免疫則是通過抗菌肽等免疫活性分子發(fā)揮免疫作用[18]。Fujyuki等[19]發(fā)現(xiàn)家蠶麻痹肽與家蠶的內(nèi)在免疫應答有密切關(guān)聯(lián),并以此建立了篩選模型進行免疫活性物質(zhì)如免疫增強劑的篩選。隨后Ishil等[20]、Dhital等[21]的跟進研究證實了家蠶體內(nèi)的宿主防御系統(tǒng)也和麻痹肽等免疫分子對相關(guān)功能基因的表達調(diào)控水平有關(guān)。通過對抗菌肽、麻痹肽等免疫活性分子以及相關(guān)的家蠶模式識別蛋白的研究,發(fā)現(xiàn)家蠶雖然在免疫系統(tǒng)的構(gòu)成上與人類有較大的差異,但其內(nèi)在的分子機制卻具有一定的相似性。家蠶體內(nèi)也存在被外來病原體激活的免疫信號轉(zhuǎn)導途徑,如與哺乳動物Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)和腫瘤壞死因子受體(Tumor necrosis factor receptor,TNFR)途徑類似的Toll樣受體信號轉(zhuǎn)導途徑和免疫缺陷(Imd, Immune deficiency)途徑,都能在外界刺激下激活下游的NF-κB轉(zhuǎn)錄因子,繼而調(diào)控相關(guān)功能基因的表達水平。家蠶和哺乳動物在免疫應答機制上的相似性決定了其可以作為模式生物應用于抗感染藥物篩選模型的構(gòu)建[19,22-23]。

2.3 利用家蠶病毒感染模型研究新型抗病毒藥物

病毒感染家蠶的研究最早是從NPV、FV等病毒的預防和治療開始的。Arakawa等[24]在對核苷類抗生素(Nikkomycin)的研究過程中發(fā)現(xiàn)家蠶可作為病毒感染模式生物應用于抗NPV藥物的篩選,這一結(jié)果也促成了對于Nikkomycin這類農(nóng)業(yè)新型抗生素藥效作用的進一步研究。Orihara等[25]利用家蠶作為模式生物構(gòu)建抗病毒模型,從中國傳統(tǒng)中藥肉桂皮中分離得到了具有抗桿狀病毒活性的物質(zhì)乙酰桂二萜醇。東京大學染色體創(chuàng)藥研究所的Sekimizu教授根據(jù)以上的研究結(jié)果提出可以利用病毒——蠶的模式來測試新型抗病毒藥物的有效性[16]。

2.4 利用家蠶細菌感染模型研究新型抗菌藥物

在早期的研究中,家蠶曾作為宿主模型用以相關(guān)病原菌致病性的監(jiān)測,Kodama等[26]進行的家蠶感染實驗確定了多種醫(yī)源性病原菌可引起家蠶發(fā)病,后續(xù)的研究報道也證實了金黃色葡萄球菌、糞腸球菌、綠膿桿菌等臨床常見病原菌可使家蠶發(fā)病致死。Hamamoto等[27]通過對部分抗生素在家蠶體內(nèi)的藥效學和毒理學研究證實氯霉素、四環(huán)素、萬古霉素、替考拉寧、卡拉霉素、利奈唑胺等抗生素的ED50和LD50數(shù)值在人類和家蠶體內(nèi)的表現(xiàn)一致,萬古霉素和卡那霉素等人體腸道吸收性較差的抗生素以腸管注入的方式接入病原菌感染的家蠶體內(nèi)后,也未發(fā)揮抗菌作用,表明家蠶和人體在抗生素的代謝通路上具有非常高的相似性,這也是家蠶作為模式生物用以抗菌藥物研究的前提和基礎(chǔ)。

家蠶作為模式生物,近年來被廣泛用于常見病原菌如金黃色葡萄球菌的致病機制探索和治療效果的監(jiān)測。Hanada等[28]、Kaito等[29]通過對比不同基因敲除條件下的金黃色葡萄球菌感染家蠶結(jié)果,提出可以將家蠶作為金黃色葡萄球菌毒性基因的測試生物。Kurokawa等[30]根據(jù)Kaito等[29]的實驗結(jié)果,通過構(gòu)建家蠶幼蟲的金黃色葡萄球菌感染模型,提出家蠶感染模型可以用于金黃色葡萄球菌的耐藥機制研究。Uchida等[31]以家蠶為模式生物構(gòu)建了抗耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistant staphylococcus aureus,MRSA)藥物篩選模型,篩選得到了新型磷酸糖脂類抗生素(Nosokomycin),Nosokomycin對MRSA的殺菌效果要強于萬古霉素,后續(xù)的哺乳動物實驗結(jié)果也證實了Nosokomycin可以有效提高MRSA感染小鼠的存活率[32]。MRSA作為嚴重影響人類健康的重要致病菌,是醫(yī)院感染和社區(qū)感染的常見病原菌。MRSA除對甲氧西林耐藥外,還對臨床上廣泛應用的多種抗生素耐藥,所致感染呈散發(fā)或暴發(fā)流行,治療困難,病死率高。由于MRSA耐藥機制的復雜性,臨床上在治療MRSA感染的用藥選擇上,面臨著極大的壓力。研究MRSA此類耐藥菌的耐藥機制,篩選出基于嶄新機制和藥理作用的新型抗感染藥物成為醫(yī)藥學領(lǐng)域的一個重大課題[33-34]。Uchida等[31-32]的研究結(jié)果確認了家蠶模型在抗MRSA藥物篩選上的有效性,隨后家蠶作為模式生物被廣泛應用于抗金黃色葡萄球菌類抗生素的藥效學和藥理作用機制研究。Paudel 等[35]以家蠶為模式生物研究了一類新型嘧啶酮類抗生素的構(gòu)效關(guān)系,確認了該類抗生素對金黃色葡萄球菌的抑菌和殺菌效果。Dzoyem等[36]通過家蠶的金黃色葡萄球菌感染模型,研究了自琉桑屬(Dorstenia)中分離得到的黃酮類物質(zhì)的抗金黃色葡萄球菌作用,并探討了其可能的抗菌作用機制。

2.5 家蠶的真菌感染實驗

能夠誘發(fā)各類機會性感染的真菌如白色念珠菌和曲霉菌也可誘發(fā)家蠶發(fā)病乃至死亡。Hamamoto等[27]、Matsumoto等[37]進行的定量分析試驗確認了兩性霉素B、氟康唑這類抗真菌制劑對于被真菌感染的家蠶的治療效果。目前,家蠶的真菌感染試驗主要集中于家蠶和真菌互作的分子機制的研究,被用以探索家蠶宿主和病原真菌的免疫應答,以家蠶為模式生物用于抗真菌藥物的篩選研究還進行的較少。

3 總結(jié)和展望

細菌、病毒、真菌導致的各類感染性疾病是威脅人類健康的重要因素,致病機制的分析以及抗感染藥物的研發(fā)也一直是生物醫(yī)學界面臨的重大課題。在過去,這方面的科學研究大量使用大鼠等哺乳動物作為模式生物進行實驗,帶來了研發(fā)成本提高、飼養(yǎng)場地不足以及生物倫理和生物安全方面的諸多問題,因而科學界開始使用果蠅、家蠶等小型無脊椎動物作為模式生物展開新型抗感染藥物的研究。對于家蠶作為模式生物用于抗感染藥物的篩選,目前國內(nèi)外的研究尚未深入,更多的是將其作為載體應用于抗菌和抗病毒藥物的研究,缺乏系統(tǒng)性和整體性的評價資料。此外,家蠶模型在抗感染藥物篩選的應用,目前還僅僅停留在初篩層次,更多的動物和臨床試驗數(shù)據(jù)還未取得。因此,以家蠶為模式生物開展抗感染藥物的深入研究,將有助于完善家蠶模式生物學的研究資料,并為從另外一個角度探索病原體的致病和耐藥機制提供新的研究視角。

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2014-05-16;

：2014-07-04

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(編號 CARS-22);安徽省蠶桑產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(編號 ahnycytx-16);安徽省農(nóng)業(yè)科學院院長青年創(chuàng)新基金項目(編號 13B0631);安徽省農(nóng)業(yè)科學院學科建設(shè)項目(編號 14A0607);種子工程項目(編號 14D0606)。

陳明(1984—),男,安徽合肥，碩士,研究實習員。 Tel：0551-62826686，E-mail:ming-ahas@foxmail.com

范濤(1962—),男,碩士,研究員。 Tel：0551-62826686，E-mail:fantao116@sohu.com

S881.2

B

1007-0982(2014)03-0019-05