（青島市實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)，山東青島 266109）

0.引言

自從發(fā)現(xiàn)抗生素以來，科學(xué)家一直致力于研究抗生素的作用機(jī)理及其在臨床工作中的應(yīng)用。不過，濫用抗生素會(huì)導(dǎo)致耐藥菌的出現(xiàn)。近年來，研究人員致力于尋找新型抗生素。但是研發(fā)新型抗生素的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于細(xì)菌發(fā)生突變的速度。尋找有較高的抗菌活性的藥物，成了科學(xué)家的當(dāng)務(wù)之急。

20世紀(jì)80年代，一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種能夠殺死多種細(xì)菌和真菌的新型多肽—抗菌肽?？咕氖侨?、動(dòng)物和植物等生物分泌的用于抵御外來生物的免疫活性分子。目前，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種抗菌肽，其中，大多是帶有陽離子的α-螺旋肽分子。這些陽離子抗菌肽可以改變細(xì)菌細(xì)胞膜上的電化學(xué)勢，引起細(xì)胞膜損傷和生物大分子（如蛋白質(zhì)）的滲漏，破壞細(xì)胞形態(tài)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。研究表明，抗菌肽的抗菌活性非常高，它們能夠用于治療由微生物引起的感染性疾病和過敏性疾病。

不過，天然的抗菌肽不夠穩(wěn)定，半衰期非常短，且有一定的毒副作用。一些抗菌肽會(huì)導(dǎo)致溶血反應(yīng)，對生物的血液循環(huán)造成嚴(yán)重的影響。各個(gè)國家和地區(qū)的科學(xué)家應(yīng)當(dāng)互相分享研究經(jīng)驗(yàn)，致力于開發(fā)藥效更持久的、副作用更小的抗菌肽類似物，從而擴(kuò)大抗菌肽在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、食品等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1.抗菌肽的結(jié)構(gòu)和特征

抗菌肽廣泛存在于各種生物中，如細(xì)菌、真菌、動(dòng)植物中。人類可以分泌多種抗菌肽，它們在人體抵御外來病原體入侵的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

正常情況下，機(jī)體會(huì)合成一定量的抗菌肽，以維持機(jī)體免疫功能。不過，一些特定的外部因素也可以誘導(dǎo)抗菌肽的表達(dá)?？咕耐ǔＪ锹菪嚯模胁怀^100個(gè)氨基酸殘基。多數(shù)抗菌肽帶有陽離子，并具有兩親性。它們可以同時(shí)與極性分子和非極性分子發(fā)生相互作用。這是因?yàn)榭咕姆肿油ǔ０S多具有疏水區(qū)的疏水基團(tuán)，以及具有親水區(qū)的親水基團(tuán)。這些同時(shí)具有疏水部分和親水部分的α-螺旋分子在與細(xì)菌細(xì)胞膜發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出兩親性。當(dāng)吸附到脂質(zhì)膜上時(shí)，這些肽會(huì)被折疊成具有兩親性的α-螺旋。這些帶正電荷的抗菌肽可以吸附到細(xì)菌的細(xì)胞膜上，并發(fā)生構(gòu)象變化。一般而言，抗菌肽以其疏水區(qū)錨定在脂質(zhì)雙層的疏水脂質(zhì)核心中，從而結(jié)合在膜的表面。這些肽的N端富含強(qiáng)堿性氨基酸而呈強(qiáng)堿性，并且其C末端通常富含帶有中性的疏水性氨基酸。這種結(jié)構(gòu)使抗菌肽具有穿透細(xì)胞膜的能力。這些抗菌肽的抗菌活性與所帶的正電荷數(shù)密切相關(guān)，其溶血活性則與疏水性密切相關(guān)。

2.抗菌肽作用機(jī)制的研究

2.1 抗菌肽與細(xì)胞膜的相互作用

數(shù)10年來，研究人員致力于研究抗菌肽與細(xì)胞膜發(fā)生相互作用的具體機(jī)制。他們根據(jù)氨基酸殘基和脂質(zhì)雙分子層的特點(diǎn)，提出了許多非常重要的模型。這些模型能夠幫助人們更好地理解抗菌肽是如何發(fā)揮作用的。其中，最有名的模型是環(huán)孔模型、桶壁模型、地毯模型。在提出這些模型后，科學(xué)家通過一系列實(shí)驗(yàn)對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。他們對影響抗菌肽與細(xì)胞膜發(fā)生相互作用的氨基酸進(jìn)行化學(xué)修飾，研究這些修飾是否會(huì)對抗菌肽穿透膜的能力產(chǎn)生影響。在開展與上述三個(gè)模型相關(guān)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的模型可以基本解釋抗菌肽與微生物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生作用的微觀機(jī)制[1]。

2.2 抗菌肽的殺菌機(jī)制

抗菌肽可以破壞微生物細(xì)胞膜或進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)中，從而發(fā)揮抗菌作用。在研究直接靶向膜和靶向細(xì)胞內(nèi)分子的抗菌肽的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，陽離子抗菌肽與帶負(fù)電荷的細(xì)菌之間的靜電力是決定抗菌肽與微生物膜之間相互作用的關(guān)鍵因素?？咕目梢苑浅Ｈ菀椎亟Y(jié)合到這些細(xì)菌的表面，迅速殺死它們[2]。

2.2.1 膜結(jié)構(gòu)破壞型機(jī)制

能夠通過膜結(jié)構(gòu)破壞型機(jī)制殺死微生物的抗菌肽通常有較高的膜結(jié)合能力。它們通過在細(xì)胞膜上打孔，殺死細(xì)菌或癌細(xì)胞。陽離子抗菌肽能夠與細(xì)菌細(xì)胞表面的脂多糖LPS結(jié)合。用抗菌肽處理細(xì)菌后，細(xì)菌的外膜上會(huì)出現(xiàn)孔洞。此外，一些陽離子抗菌肽也能破壞細(xì)胞內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致細(xì)胞分解。最終，細(xì)胞的內(nèi)容物將快速通過孔洞流出，細(xì)菌會(huì)迅速死亡。

2.2.2 非膜結(jié)構(gòu)破壞型機(jī)制

該種作用機(jī)制沒有破壞膜結(jié)構(gòu)，而是以一種復(fù)雜的機(jī)制抑制靶細(xì)胞細(xì)胞壁的合成，或直接破壞細(xì)胞壁使細(xì)菌死亡。溶菌酶的兩種抑菌機(jī)制均為非膜結(jié)構(gòu)破壞型機(jī)制。溶菌酶可以高效地水解β-1,4糖苷鍵，能夠分解細(xì)菌的細(xì)胞壁。研究表明，用溶菌酶處理細(xì)菌后，細(xì)菌的生理活動(dòng)將受到顯著的影響[3]。

這些研究為改造抗菌肽提供了新思路。研究人員嘗試通過修飾或替換某些抗菌肽分子中的關(guān)鍵氨基酸，提高抗菌肽與微生物細(xì)胞膜結(jié)合的能力，有效抵抗胰蛋白酶和胃蛋白酶的水解作用。這些策略有助于提高抗菌肽的殺菌能力，增強(qiáng)抗菌肽在高溫下的穩(wěn)定性，使其長期保持生物活性。

3.抗菌肽的優(yōu)勢

與抗生素和其他殺菌藥物相比，抗菌肽的分子量更小，且具有耐熱、耐酸等優(yōu)點(diǎn)。許多抗生素只對某類微生物有效，而抗菌肽通常具有廣譜抗微生物活性研究表明，多數(shù)抗菌肽可以高效地殺死數(shù)百種微生物。此外，抗生素通常是真菌的發(fā)酵產(chǎn)物，它在發(fā)揮作用時(shí)，需要與微生物細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合，當(dāng)細(xì)菌變異時(shí)，抗生素與受體的相互作用可能受到一定的影響，細(xì)菌可能會(huì)產(chǎn)生耐藥性?？咕牡淖饔脵C(jī)理非常獨(dú)特，從理論上講，細(xì)菌不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生耐藥性。不僅如此，抗菌肽還能夠提高人體的免疫力，它能夠刺激免疫細(xì)胞，使其對外來微生物迅速做出反應(yīng)，促進(jìn)傷口愈合。與分子量較大的藥物（如免疫球蛋白）相比，抗菌肽能更快地?cái)U(kuò)散到作用位點(diǎn)。這些獨(dú)特的性質(zhì)使抗菌肽在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、食品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

4.抗菌肽的應(yīng)用前景

4.1 抗菌肽在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用前景

為了治療疾病，醫(yī)生常常需要使用一些設(shè)備改善患者的心肺功能。微生物可能會(huì)定植在這些設(shè)備的管道表面，形成含有大量微生物的、無法被常規(guī)方法洗掉的生物膜，引發(fā)醫(yī)源性感染。一些患者的起搏器、鋼板等植入物表面容易附著微生物，可能導(dǎo)致相應(yīng)的器官和組織發(fā)炎。將抗菌肽涂在設(shè)備的管道和植入物表面，有助于降低感染的發(fā)生率。研究人員檢測了多種抗菌肽對該生物膜的抑制作用。例如，植入物表面的合成肽Tet-20（KRWRIRVRVIRKC）在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出廣泛的抗菌活性。它能夠抑制生物膜的形成，并且不會(huì)殺死哺乳動(dòng)物細(xì)胞[4]。在另一項(xiàng)研究中，科學(xué)家嘗試將組蛋白、乳鐵蛋白以及一些抗菌肽涂布于常用的植入材料—鈦合金表面，發(fā)現(xiàn)組蛋白、乳鐵蛋白可以促進(jìn)抗菌肽與鈦合金結(jié)合。后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)表明，微生物很難在附著在這些蛋白的鈦合金的表面生長。在研究抗菌肽對牙齦卟啉單胞菌的抑制作用的過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，抗菌肽可以降低牙齦卟啉單胞菌中ATP的活性，減少被覆表面上生物膜的形成率。

除了天然存在的抗菌肽外，一些合成的抗菌肽也可以發(fā)揮抑制生物膜的形成、清除已形成的生物膜的作用。研究人員測試了合成的組蛋白類似物dhvar4對羥基磷灰石圓盤上口腔菌群的生長與繁殖的影響，與對照組相比，這種抗菌肽可以顯著地減少生物膜中活細(xì)胞的數(shù)量?？茖W(xué)家嘗試將MUC7（人工合成的天然抗菌肽）改造為MUC17 12-mer-L和20-mer，并通過一系列實(shí)驗(yàn)評估了其對變形鏈球菌生物膜形成的抑制作用。他們發(fā)現(xiàn)，這些MUC7的變體能夠高效地抑制變形鏈球菌的生長和繁殖。LL-37的衍生物也能高效地清除新西蘭兔體內(nèi)的鼻竇炎生物膜。不過，它也對鼻竇有一定的毒性。在對處理組的新西蘭兔的鼻腔粘膜進(jìn)行活檢時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多聚集成團(tuán)的炎癥細(xì)胞。這說明，LL-37的衍生物有一定的促炎作用[5]。

4.2 抗菌肽在畜牧領(lǐng)域的應(yīng)用前景

畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的工作人員經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是，各種微生物會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物感染一系列疾病，這些動(dòng)物的肉、蛋、奶的品質(zhì)會(huì)受到一定的影響，一些微生物甚至?xí)?dǎo)致動(dòng)物大面積死亡。在研究豬腹瀉、豬瘟、奶牛乳房炎等疾病的過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果給這些動(dòng)物飼喂含有抗菌肽的飼料，就可以降低這些疾病的發(fā)生率。

仔豬在出生后很容易因免疫力過低而死亡。一些研究人員發(fā)現(xiàn)，在仔豬的飼料中添加抗菌肽，可以增強(qiáng)仔豬的免疫力。相比之下，在飼料中添加抗生素將破壞動(dòng)物腸道中的微生物平衡，而且如果微生物殘留在生物體內(nèi)，畜產(chǎn)品的質(zhì)量就會(huì)受到一定的影響?？梢哉f，在控制畜禽感染的過程中，抗菌肽比抗生素更具優(yōu)勢[6]。

5.結(jié)語

抗菌肽是一種十分重要的新型抗菌藥物。它能夠高效地殺死各種微生物，其作用機(jī)制十分獨(dú)特，不易使微生物產(chǎn)生耐藥性。不過，一些抗菌肽的熱穩(wěn)定性較差、對蛋白酶比較敏感，在進(jìn)入體內(nèi)后，易被快速分解。此外，一些抗菌肽會(huì)導(dǎo)致溶血的發(fā)生?？茖W(xué)家應(yīng)當(dāng)深入研究抗菌肽與微生物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜發(fā)生相互作用的分子機(jī)制，并基于研究結(jié)果對抗菌肽分子進(jìn)行改造，提高其抗菌活性，降低不良反應(yīng)的發(fā)生率，使其應(yīng)用范圍更廣泛。