抗菌肽在多領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展

沈何放，黃靜，宋小平

（安徽醫(yī)學高等專科學校 藥學院，安徽合肥 230061）

抗生素的發(fā)現(xiàn)和使用拯救了無數(shù)患者的生命，但長期以來，抗生素的濫用對靶標病原微生物產(chǎn)生了選擇壓力，導(dǎo)致了廣泛的耐藥性，日益增長的細菌耐藥性已經(jīng)對人類的生命健康構(gòu)成了極大威脅。不僅如此，常規(guī)抗生素的研發(fā)速度已經(jīng)跟不上細菌產(chǎn)生耐藥性的速度。1920—1980年，人們共發(fā)現(xiàn)了100多種抗生素，但在過去40年中發(fā)現(xiàn)的新抗生素很少，多重耐藥的“超級細菌”的出現(xiàn)讓臨床陷入無藥可用的困境[1]。因此，尋找能夠替代抗生素且不易產(chǎn)生耐藥性的新型藥物至關(guān)重要，而具有獨特殺菌機制的抗菌肽則成為潛在最有效的解決方案。

抗菌肽（Antimicrobial Peptides，AMPs）是活性小分子多肽，可由所有生物體產(chǎn)生，是先天免疫系統(tǒng)不可或缺的組成部分，是真核生物中抵御微生物攻擊的第一道防線，也是原核生物的生存競爭產(chǎn)物，用以限制其他微生物的生長[2]。天然抗菌肽對多種細菌、酵母菌、真菌、病毒和寄生蟲具有廣譜的殺傷活性[3]。抗菌肽不僅能抵御病原體，還具有抗炎、免疫調(diào)節(jié)、中和內(nèi)毒素等作用，受到了社會各界的極大關(guān)注[4]。以下將從多個領(lǐng)域?qū)咕牡膽?yīng)用進展進行綜述。

1 抗菌肽作為臨床藥物的應(yīng)用

1.1 抗菌藥物

抗菌肽是應(yīng)對多重耐藥細菌挑戰(zhàn)最具潛力的候選抗菌藥物，既可以單獨使用，也可以與常規(guī)抗生素、抗病毒藥物或其他抗菌成分聯(lián)合使用以獲得協(xié)同效應(yīng)[5]。目前已有部分抗菌肽被國家藥品監(jiān)督管理局和FDA批準上市，且有多種抗菌肽已經(jīng)處于臨床前階段或臨床試驗階段。例如，達托霉素、萬古霉素及其衍生物、多粘菌素（包括粘菌素和多粘菌素B）等都是已經(jīng)在臨床得到驗證的強效肽類抗生素。富組蛋白（histatin）是一種富含組氨酸的陽離子唾液抗菌肽，具有很強的抗念珠菌活性，其衍生物PAC113在Ⅰ期和Ⅱ期臨床試驗中已被證明是治療和預(yù)防口腔念珠菌病的潛在藥物[6]。奧米加南（Omiganen）的五鹽酸鹽（MBI-226）是一種陽離子抗菌肽，已被證明對1 437種臨床細菌和214種臨床酵母菌有效，其用于治療酒糟鼻的Ⅲ期臨床試驗已經(jīng)完成[7]。人乳鐵蛋白及其各種衍生物已被證實為對抗細菌、真菌和病毒感染的有效藥物。例如，人乳鐵蛋白1-11（hLF1-11）是一種具有廣譜抗菌和抗真菌活性的抗菌肽，已被開發(fā)用于治療免疫受損的干細胞移植受體患者的細菌和真菌感染[8]。此外，諾瓦克汀（Novexatin，又稱NP213）是一種環(huán)狀抗真菌肽，可有效穿透人體指甲，已被提出用于治療局部甲癬（即真菌性指甲感染）[9]。

1.2 抗病毒藥物

抗菌肽能夠通過病毒靶向或宿主靶向作用機制表現(xiàn)出抗病毒活性。病毒靶向的抗病毒作用機制通常為抗菌肽對病毒顆粒的直接作用，包括對病毒包膜的裂解和對某些病毒成分的抑制。而宿主靶向的作用機制則與干擾宿主細胞膜中的病毒結(jié)合位點和阻斷病毒吸附有關(guān)[10]。目前已有多種天然或人工設(shè)計的抗菌肽對多種病毒表現(xiàn)出抗病毒活性。例如，人類免疫缺陷病毒（HIV）融合抑制劑恩夫韋肽（Enfuvirtide）是一種人工合成的36氨基酸肽，被FDA批準用于HIV-1感染的聯(lián)合治療。HIV融合抑制劑西夫韋肽（sifuvirtide）可以有效抑制HIV復(fù)制并表現(xiàn)出對恩夫韋肽耐藥HIV-1毒株的高活性，目前已經(jīng)進入Ⅱ期臨床試驗[11]。波普瑞韋（boceprevir）和特拉匹韋（telaprivir）已經(jīng)被FDA用于治療基因1型慢性丙型肝炎病毒（HCV）感染[12]。上述兩者是選擇性蛋白酶抑制劑，能夠阻斷HCVNS3/4A絲氨酸蛋白酶的活性，而此種蛋白酶活性對病毒復(fù)制至關(guān)重要[12]。另有研究證明廣譜抗冠狀病毒多肽EK1對多種人類冠狀病毒表現(xiàn)出廣泛的融合抑制活性，其衍生物EK1C4對SARS-CoV-2刺突蛋白介導(dǎo)的膜融合的抑制活性比EK1提高240倍[13]。

1.3 抗菌肽耐藥性風險

不同于傳統(tǒng)抗生素作用成分靶標和作用機制的單一性，抗菌肽通過多種機制作用于不同的細菌結(jié)構(gòu)靶標，因而耐藥性的產(chǎn)生較為罕見[14]。然而據(jù)報道，細菌已經(jīng)出現(xiàn)針對抗菌肽的各種細菌耐藥機制，包括修飾細胞表面成分、降解抗菌肽、抗菌肽外排等[15]。與抗生素相比，細菌對抗菌肽的耐藥性通過非特異性和內(nèi)在機制發(fā)生，因此這些相關(guān)基因的水平轉(zhuǎn)移發(fā)生頻率和概率都較低。以上證據(jù)表明抗菌肽的耐藥性風險較低。

2 抗菌肽在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 食品防腐劑

抗菌肽在食品領(lǐng)域已開始用作食品防腐劑。例如，乳鏈菌肽是由乳酸乳球菌自然產(chǎn)生的抗菌肽，其可以抑制革蘭氏陽性食源性致病菌和腐敗細菌，已在50多個國家獲得食品添加劑許可。乳鐵蛋白在美國已被批準用作肉類產(chǎn)品的抗菌劑。胃蛋白酶消化的乳鐵蛋白衍生物乳鐵蛋白素（lactoferricin）是一種更有效的抗菌肽，由于其耐熱性更強，在食品保存方面具有更大潛力[16]。ε-聚賴氨酸是由白鏈霉菌產(chǎn)生的L-賴氨酸多聚物，具備針對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、酵母菌和霉菌的廣譜抗菌活性以及抗病毒活性，已被FDA批準作為食品防腐劑[17]。納他霉素（Natamycin）是一種來源于鏈霉菌的抗真菌抗菌肽，已經(jīng)被成功應(yīng)用到甘薯的保存中[18]。

2.2 食品抗菌包裝

抗菌肽混入食品中有助于食品的保存，此外將抗菌肽通過吸附或固定化涂覆在包裝主體聚合物表面上也能夠起到保存食品的作用。多種抗菌肽，例如溶葡萄球菌素（lysostaphin）和植物霉素S（plantaricin S）都可以單獨或與有機酸和酶組合成為抗菌包裝組分[19]。皮膚菌素（Dermaseptin）對多種病原微生物具有抗菌活性，已被摻入到不同的食品涂料中，并對霉菌和好氧細菌表現(xiàn)出顯著的抑制作用[20]。在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，由于抗菌劑與食品成分的直接混合，導(dǎo)致其活性可能迅速降低，將抗菌肽與食品包裝材料結(jié)合而非直接添加到食品的策略可以通過僅允許釋放所需量的抗菌肽來提高其對食品的保護效率。在短桿菌肽A（Gramicidin A）結(jié)合的不可降解薄膜的研究中，證實了抗菌肽從薄膜中緩慢釋放，能夠長時間抑制細菌生長[21]。因此，將抗菌肽從包裝材料逐漸釋放到食品表面的方法可能比其他混合型的方式更具優(yōu)勢。

3 抗菌肽在畜牧業(yè)中的應(yīng)用

3.1 抗菌

動物飼料中補充抗生素是預(yù)防感染性疾病和提高飼料效率的常見做法，不僅會造成細菌耐藥，還存在耐藥性基因從細菌漂移到人體的風險。目前抗菌肽已開始作為傳統(tǒng)抗生素飼料添加劑的替代品，研究顯示，在斷奶仔豬日糧中添加抗菌肽Gal-13、WK3和Cecropin AD，其能夠增強仔豬免疫功能，減少仔豬腸道病原體[22-24]。在最近的一項研究中，研究人員將抗菌肽piscidin（EP）重組表達產(chǎn)物rEP用作飼料補充劑，結(jié)果顯示，與對照組相比，添加rEP后，家雞的體重、飼料效率、白介素-10和干擾素-γ水平明顯提高[25]。除了將抗菌肽添加到飼料中外，其轉(zhuǎn)基因表達也是另一項有效策略，例如，牛乳鐵蛋白和人乳鐵蛋白在轉(zhuǎn)基因山羊乳腺中的表達，賦予了其針對多種病原體的廣譜抗菌活性，可有效減少乳腺感染[26]。

3.2 抗病毒

抗菌肽已被證明能有效對抗動物感染病毒，如非洲豬瘟病毒（ASFV）、豬傳染性胃腸炎病毒（TGEV）和豬流行性腹瀉病毒（PEDV）[27-29]。研究顯示，豬腸抗菌肽（SIAMP）處理過的雞胚中，傳染性支氣管炎病毒（IBV）引起的死亡率顯著降低，這是因為抗菌肽SIAMP阻斷了IBV與宿主上皮細胞的結(jié)合，從而抑制了病毒復(fù)制[30]。在另一項研究中，豬白細胞起源的抗菌肽PG-1對豬繁殖和呼吸綜合征病毒（PRRSV）感染Marc-145細胞或豬肺泡巨噬細胞（PAMs）的附著階段完成了特異性阻斷，從而抑制了病毒復(fù)制[31]。

4 抗菌肽在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)顯示，2020年中國水產(chǎn)總產(chǎn)量6 549萬t，水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量5 224萬t，占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重達79.8%，但大規(guī)模高密度的養(yǎng)殖導(dǎo)致水產(chǎn)疫病頻發(fā)，這也被認為是導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失的主要問題之一[32]。而使用抗菌肽可以消除水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的有害微生物，具備替代傳統(tǒng)抗生素的潛力。在早期的研究中，合成的抗菌肽epinecidin-1在水體中顯示出對多種細菌的抗菌活性，如大腸桿菌、多殺性巴氏桿菌、氣單胞菌、疏螺旋體和弧菌屬等水產(chǎn)養(yǎng)殖有害菌[33]。最近的一項研究表明，多種合成抗菌肽在水體中具有體外抗菌和抗病毒活性，如青蛙抗菌肽caerin1.1、魚類抗菌肽dicentracin和NK-賴氨酸肽（NKLP）[34]。NKL-24是一種來自斑馬魚的抗菌肽，其通過破壞細胞膜通透性對副溶血弧菌產(chǎn)生有效的抗菌作用[35]。HU等[36]提出來自石斑魚的抗菌肽EmPis-1能夠安全且有效地對抗氨芐西林和卡那霉素耐藥性致病菌。研究表明，全長和截斷形式的EmPis-1可以在水體中低于10 μmol/L的濃度下通過破碎細胞膜和裂解細胞的方式有效地殺死抗生素耐藥性大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和副溶血弧菌。

5 結(jié)語

抗菌肽是生物體先天免疫的重要組成，對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、真菌和病毒等病原體具有廣泛的滅殺作用且不易產(chǎn)生耐藥性。本文綜述了抗菌肽在臨床藥物、食品保存、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進展。盡管抗菌肽在這些領(lǐng)域都表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，但是諸多天然抗菌肽在穩(wěn)定性、毒性或效力等方面存在缺陷，需要通過氨基酸替換、串聯(lián)表達或從頭設(shè)計等技術(shù)路線進行改造優(yōu)化[37-38]。天然抗菌肽的改造結(jié)果往往難以預(yù)測，需要持續(xù)深入的研究。