抗微生物肽在感染性疾病中的研究進展

（昆明醫科大學第一附屬醫院 泌尿外科，云南 昆明 650032）

感染性疾病造成了巨大的醫療負擔，嚴重威脅人類生命健康。抗生素的發現是人類抗擊感染最重要的武器，然而，由于抗生素的濫用，導致病原微生物的耐藥性不斷增強，甚至出現了多重耐藥細菌。除了威脅不減的細菌以外，各種真菌、病毒等所致的感染也帶來了巨大災難。面對如此嚴峻的形勢，除了合理規范地應用抗感染藥物，在傳統藥物基礎上改良或者研究新興抗感染分子也是一個重要的方向，如以多粘菌素為代表的抗微生物肽。

1 抗微生物肽簡介

抗微生物肽也稱抗菌肽或者宿主防御性多肽，是一種陽離子多肽，廣泛存在于自然界幾乎所有生物中，作為天然免疫中一種抵御有害微生物入侵的分子，對細菌、真菌、寄生蟲或病毒等都有生物學活性。截至目前，已鑒定出超過300種抗微生物肽，一般由10～50個氨基酸殘基構成，包括α-螺旋、β-片層、環狀及延伸等結構。除了對多種病原微生物的活性，抗微生物肽還具有募集免疫細胞，促進細胞增殖及傷口愈合，調節基因表達等免疫調節的功能，作為新型藥物候選分子，已經成為了針對感染性疾病治療的研究熱點。

2 抗微生物肽的抗菌作用

2.1 作用機制

大多數抗微生物肽抗菌活性機制主要是膜攻擊，由于其本身帶正電荷，具有親水、疏水兩親性結構，保證了多肽能夠特異性遷移結合靶標并聚集。細菌細胞壁由于含有脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）、磷壁酸等結構，往往帶負電荷，促進與抗微生物肽的相互作用。在穿過細胞壁與細胞膜接觸后，低濃度條件下，抗微生物肽結合到膜表面平行成層狀，隨著濃度不斷升高，與脂質成一定比例時，則改變方向，與細胞膜垂直并插入其中。不同特性的肽形成不同結構機制的孔道，經典的模型包括桶板模型、地毯模型和環形孔道模型。孔道形成破壞了細胞膜，細胞內容物滲漏，跨膜電勢及酸堿失衡，滲透調節及呼吸抑制，最終造成細胞溶解。除了膜攻擊外，一些抗微生物肽能夠抑制細菌核酸及蛋白質合成，干擾DNA修復，通過募集如磷脂酰甘油和雙磷脂酰甘油等陰離子脂質，干擾細胞信號轉導及膜蛋白功能，重排細胞膜脂質從而抑制細菌生長。

2.2 細菌來源的抗微生物肽

來源于多粘桿菌的多粘菌素家族包括多粘菌素B、多粘菌素E等，雖然相關腎毒性限制了其應用，但是由于對多重耐藥細菌有良好效果，近年來又開始受到重視[1]。尼生素又稱乳酸鏈球菌肽，最早從乳酸鏈球菌中獲得，對多種致病菌及腐敗菌具有抑制作用，也是唯一獲得批準廣泛用作食品添加劑的活性肽，其直接殺傷多種細菌的作用也使其在生物醫藥領域被進一步研究[2]。

2.3 植物來源的抗微生物肽

硫堇蛋白是第一個從小麥胚乳中分離出來的植物抗微生物肽，此后從不同的植物體內發現了多種硫堇蛋白類物質，能夠對抗多種細菌、真菌。脂質轉移蛋白也是植物來源的重要的抗微生物肽，具有抗細菌及促進細胞內脂質轉運的作用[3]。環肽類具有抗菌、殺蟲等活性，同時也具有溶血及細胞毒性，閉合的半胱氨酸結構被認為對化學物質、溫度及酶類降解具有耐受性，可用于蛋白質工程及藥物設計[4]。

2.4 非哺乳動物來源的抗微生物肽

抗微生物肽對于沒有復雜免疫系統的低等動物有著重要的作用。來源于鱟類的不同亞型的鱟肽素，對細菌有一定活性[5]。歐洲蜜蜂毒液中分離出的蜂毒肽除了對革蘭陰性細菌有較強活性外，還有致痛等生物學功能[6]。魚類來源的抗微生物肽可以分為抗菌肽、防御素、鐵調素和魚腥草素Piscidins等，作為抵御外界侵襲的重要物質，能夠殺滅多種耐藥病原微生物[7]。兩棲類動物生存環境復雜，皮膚是抵御感染的第一道屏障，分泌物中各類抗微生物肽是其天然免疫中的重要組成部分。從鈴蟾中鑒定出的Bombinins和Bombinins H兩大家族對細菌有很強的對抗作用[8]。從眼鏡王蛇中分離出來的抗菌肽OH-CATH30對包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的多種細菌有抑制作用，同時在動物身上也有對抗感染的作用[9]。

2.5 哺乳動物來源的抗微生物肽

哺乳動物來源的抗微生物肽主要分為抗菌肽和防御素兩個家族。抗菌肽是一類α-螺旋結構的陽離子兩親性抗微生物肽，在人類及其他哺乳動物體內均有表達，有廣泛的抗菌活性。人源性陽離子抗菌蛋白-18是人體唯一表達的抗菌肽，除了能通過形成孔道破壞細胞膜抗菌外，還有趨化作用能夠富集白細胞促進細胞因子分泌，此外，人源性陽離子抗菌蛋白-18還能使大腸埃希菌氧化障礙，給此類抗微生物肽抗菌機制的研究提供了新的方向。防御素主要分為α-防御素、β-防御素和θ-防御素亞家族。人中性粒細胞肽-44、人防御素-5、人防御素-6及人中性粒細胞肽-1具有廣泛抗菌活性，通過二聚體寡聚化形成跨膜孔道最終造成細胞內容物的滲漏[10]。人防御素-5能夠對抗對小腸黏膜有很高毒性的艱難梭菌，人防御素-6則對腸道共生厭氧菌有明顯活性[11-12]。β-防御素能通過呼吸道、胃腸道及泌尿生殖道的非顆粒黏膜上皮細胞分泌，是哺乳動物天然免疫中的重要分子，有較強的抑制菌活性[13]。θ-防御素是第一個在動物身上發現的環狀抗微生物肽，其環狀結構與抗菌活性有密切關系[14]。

3 抗微生物肽的抗結核作用

人類的結核疾病是由各型結核桿菌造成的特異性感染，盡管有成熟的治療藥物和方案，但結核病發病率仍居高不下，而且耐藥結核桿菌也在不斷增多。由于現有抗結核藥物治療周期較長，治療的不規范甚至過度治療，無形中也使耐藥性問題更加凸顯。目前，對異煙肼、利福平甚至二線抗結核藥物阿米卡星等耐藥的超廣譜耐藥結核桿菌已經出現。結核桿菌能夠侵襲并定植于宿主巨噬細胞，通過逃避宿主免疫，造成潛伏感染，當機體免疫力下降時可以再次致病。因此，具有殺菌、免疫調節等多種功能的抗微生物肽，已成為了治療結核疾病的一個新的研究方向。

3.1 抗微生物肽次的抗結核機制

結核桿菌細胞壁結構復雜，由肽聚糖、阿拉伯半乳聚糖及分枝菌酸形成復合物，再與其他蛋白及多糖聚合，組成了對抗菌藥物良好的屏障。與傳統藥物不同，抗微生物肽對結核桿菌具有強大的膜攻擊能力，也能與細胞壁表面蛋白相互作用干擾離子交換，打破細胞內酸堿平衡穩態，增加細胞膜通透性，直接抑制結核桿菌生長或者作為增強其他抗菌藥物作用的佐劑。抗微生物肽還能通過作用于核酸及蛋白酶等細胞內靶點，影響蛋白質合成和折疊，干擾細胞分化等，作為主要或輔助的殺傷機制。另外，免疫治療也是抗結核治療中的重要部分，因此抗微生物肽的相關免疫作用及機制，應該引起足夠的重視。

3.2 抗結核的抗微生物肽

抗菌肽家族的人源性陽離子抗菌蛋白-18已被證明具有穩定的抗結核作用，可以幫助殺滅巨噬細胞內結核桿菌，抑制其在胞內的生長，在保持其抗菌活性的同時，還能調控感染結核桿菌的巨噬細胞產生腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-10等促炎及抗炎因子。主要由肝細胞合成的鐵調素與感染和鐵代謝有關，能在感染結核桿菌的巨噬細胞中表達和定植，能直接抑制細菌的活性[15]。同樣與鐵代謝相關的乳鐵蛋白能明顯減輕結核桿菌感染小鼠所造成的肉芽腫性病變[16]。S100A能夠明顯殺滅結核桿菌，在感染結核桿菌的巨噬細胞中高表達，提示其是巨噬細胞對結核桿菌感染免疫應答網絡中的一部分[17]。

此外，一些在原有基礎上人工合成或者經過改造的抗微生物肽也體現出了優良的抗結核活性，如經過改造的人源性陽離子抗菌蛋白-18類似物LLAP能夠顯著抑制結核桿菌細胞膜上的三磷酸腺苷酶，從而抑制細菌[18]。疏水基團α-螺旋陽離子多肽M2M能夠對抗耐藥的結核桿菌，與利福平聯用也有很好的協同作用[19]。全新合成的富含α，以及α和γ混合結構的穿膜肽γTatM4能夠對抗激活或休眠狀態的結核桿菌，包括對異煙肼及利福平耐藥的菌株[20]。目前，大部分抗微生物肽對結核桿菌研究還局限于基礎研究，最多只涉及一些簡單的動物模型。

4 抗微生物肽的抗病毒作用

埃博拉病毒、非典型肺炎及寨卡病毒等病毒感染造成了一系列公眾健康緊急事件，再加上已經危害人類已久的肝炎病毒、人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus, HIV）及各種呼吸道病毒等，可以說病毒感染性疾病給人類帶來了巨大威脅。由于針對病毒的相關疫苗及藥物研發周期長，且病毒變異迅速，所以具有抗病毒等多種活性的抗微生物肽也成為了研究的熱點。

4.1 抗微生物肽的抗病毒機制

抗微生物肽能夠直接破壞病毒包膜或者衣殼，通過與細胞膜或者融合蛋白作用，影響病毒和宿主細胞膜融合，能與Glycoprotein 120等衣殼糖蛋白作用，抑制病毒的黏附和入侵。一些抗微生物肽能使脫細胞的病毒顆粒失活，還能與病毒核酸等靶標作用阻止病毒復制，此外，對調節免疫細胞的反應和各類細胞因子也有重要作用。

4.2 抗病毒的抗微生物肽

來源于兩棲類抗微生物肽的HS-1能破壞病毒衣殼從而對抗登革熱病毒[21]。人纖維膠凝蛋白等一些呼吸道可溶性多肽，能夠影響甲型流感病毒在巨噬細胞中復制，還能調節病毒誘導的細胞因子釋放[22]。FluPep家族的多肽能與H1N1、H3N2等各種亞型的甲型流感病毒的血細胞凝集素作用或者干擾病毒與細胞膜結合[23]。3種不同結構的防御素，包括HNP-1、人β防御素-2和恒河猴θ防御素-1能通過抑制病毒入胞，干擾其復制等不同機制對抗HIV-1，其中HNP-1能在衣殼結合CD4細胞及共同受體，改變衣殼結構等多位點干擾病毒的入胞和融合[24]。Caerin 1家族多肽能通破壞病毒衣殼，從而對抗皰疹病毒[25]。病毒的種類繁多，各自的活性和特點也不盡相同，因此針對不同病毒的抗微生物肽無論是來源還是作用機制也具有多樣性。

5 抗微生物肽的其他作用

細菌生物膜是黏附在生物及非生物表面的微生物群落及其細胞外基質，是微生物抵御外界環境并造成難治性和反復性感染的重要原因。細菌生物膜能通過基質屏障、降低代謝和信號傳遞等機制，耐藥性相比浮游細菌大大增強。抗微生物肽作為一種新型抗感染分子，也在很多基礎研究中體現出了抗細菌生物膜前景[26]。Medusin-PT除了有明顯抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的作用，也體現出抑制并清除Biofim的活性[27]。與臨床常見的抗生素相比，多粘菌素、人源性陽離子抗菌蛋白-18及合成的抗微生物肽WLBU2均體現出更好的抗細菌生物膜作用[28]。抗微生物肽具有良好的穿透性及高效的抗菌作用，甚至能清除細菌生物膜，但具體的機制還有待進一步深入研究。

LPS又稱內毒素，是革蘭陰性細菌細胞壁的主要組成部分，在被機體免疫的病原相關分子模式受體高效識別后引起一系列炎癥反應，是包括膿毒血癥在內的嚴重感染性疾病的關鍵誘因之一。嗜酸性細胞陽離子蛋白對LPS有很高的親和力，能抑制LPS刺激后免疫細胞腫瘤壞死因子的釋放[29]。一組富含色氨酸的合成抗微生物肽能夠通過靜電結合并且解離LPS，從而更好地作用在細菌質膜[30]。抗菌肽KLK能特異性結合LPS，并抑制LPS對免疫細胞刺激后一氧化氮及細胞因子的釋放[31]。許多抗微生物肽具有中和內毒素的作用，雖然具體機制還不太清楚，但是相關的研究還是值得關注的。

無論細菌本身，還是低等動物或者哺乳動物包括人類，抗微生物肽都是抵御外界病原微生物的有力武器，除了本身的殺傷作用，免疫調節也發揮了重要功能。不同類型的抗微生物肽所承擔的免疫調節功能并不相同，主要包括能夠直接或間接促進如T細胞、單核細胞及嗜酸性細胞等免疫細胞在感染部位的聚集，可以增加免疫細胞的趨化性，能夠誘導和調控各種促炎及抗炎細胞因子的釋放等。

6 抗微生物肽的應用與展望

抗微生物肽來源廣泛，對各種病原微生物都顯示出優良的活性，有廣泛的免疫調節功能，有賴于生物工程技術的發展，人工合成并改造抗微生物肽的能力也大大提高，在保留、增強相關活性的同時，也使得其本身的毒性和副反應降低，抗微生物肽作為人類對抗感染性疾病的新型藥物，具有較高的研究前景和價值。但是，抗微生物肽從基礎研究走向真正的臨床應用，還有很長的時間。由于蛋白結構與功能關系密切，所以抗微生物肽的作用機制復雜，研發時間較長，成本較高。其次，宿主的免疫系統是一個復雜的網絡，基礎研究中的生物學活性并不能代表其在人體內的真實情況。此外，抗微生物肽半衰期較短，具有免疫原性和毒性，蛋白水解等造成的生物利用率下降等問題還需要大量的研究來解決。人類與感染性疾病的斗爭從來沒有停歇過，相信通過進一步深入系統的研究，在不久的將來抗微生物肽將能真正造福于人類。