抗菌肽在抗菌材料中的研究進(jìn)展

辛本凱，王會(huì)巖 (吉林醫(yī)藥學(xué)院，吉林 吉林 132013)

醫(yī)學(xué)迅速發(fā)展的同時(shí)，醫(yī)用材料在臨床上的應(yīng)用意義變得越來越重要。醫(yī)用材料的應(yīng)用雖然給患者帶來了很大的方便，但是往往會(huì)引起患者的感染。據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心2013年報(bào)道，在美國(guó)耐藥病原體感染了近300萬人[1],可以看到耐藥細(xì)菌感染的嚴(yán)重性。細(xì)菌耐藥的機(jī)制為細(xì)菌可以明確地限制或降低其細(xì)胞膜對(duì)抗生素的通透性，從而產(chǎn)生耐藥性[2]；細(xì)菌獲得降解抗菌藥物的能力[3]；抗菌素與其靶標(biāo)之間的化學(xué)親和力喪失而產(chǎn)生耐藥。研究表明，大多數(shù)耐藥菌都會(huì)產(chǎn)生生物膜，生物膜的形成是細(xì)菌耐藥的重要機(jī)制[4-5]。而將抗菌肽應(yīng)用于抗菌材料則可以有效地應(yīng)對(duì)細(xì)菌的耐藥。因此對(duì)于抗菌材料的創(chuàng)新和完善已經(jīng)成為了當(dāng)前的一大研究熱點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單介紹抗菌肽并總結(jié)其抗菌機(jī)制及其在醫(yī)用材料中應(yīng)用的研究進(jìn)展。

1 抗菌肽及抗菌機(jī)制

近年來，由于抗生素的過度依賴和濫用導(dǎo)致多重耐藥菌株的問題不斷加重。雖然醫(yī)學(xué)取得巨大進(jìn)步，戰(zhàn)勝了許多嚴(yán)重危及生命安全的疾病，但是耐藥細(xì)菌的威脅似乎是我們永遠(yuǎn)都需要面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)?？咕淖鳛閷?duì)抗多藥耐藥菌引起嚴(yán)重感染的一種較新的武器引起了科學(xué)家們的注意。抗菌肽是來源于自然的兩親性小分子多肽，具有廣譜的抗菌、抗病毒及抗腫瘤活性。從細(xì)菌到植物、無脊椎動(dòng)物、脊椎動(dòng)物，所有的生命形式中都有抗菌肽的存在。在細(xì)菌中，抗菌肽可以幫助細(xì)菌殺死其他可能與細(xì)菌所利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生存環(huán)境相同的菌株，從而有利于該菌株的生存。而植物缺少適應(yīng)性免疫，因此植物中的抗菌肽在幫助植物預(yù)防細(xì)菌和真菌感染方面有著重要的作用，而且植物抗菌肽在各種植物中都有發(fā)現(xiàn)[6]。與植物相似，在已研究的無脊椎動(dòng)物中都發(fā)現(xiàn)了抗菌肽存在。而作為有適應(yīng)性免疫的脊椎動(dòng)物體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了抗菌肽的存在[7]。

膜滲透是抗菌肽對(duì)抗病原體的主要作用機(jī)制，但也有其他的機(jī)制被描述，包括抑制大分子合成,肽的胞內(nèi)易位,抑制DNA、RNA、蛋白的合成等[8]。作為陽離子多肽，抗菌肽與帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜電作用，然后進(jìn)入細(xì)胞膜，與脂質(zhì)雙層膜相互作用，形成跨膜孔，導(dǎo)致細(xì)胞膜破壞。然而脂膜中膽固醇的存在可能改變肽和磷脂之間的相互作用，從而減少雙分子層的破壞[9]。以下幾種模型可以解釋膜滲透殺菌。①桶壁模型:在抗菌肽附著膜后，當(dāng)抗菌肽達(dá)到閥值濃度時(shí)，肽單體聚集在膜內(nèi)疏水區(qū)形成跨膜孔[10]。②環(huán)狀孔模型:抗菌肽聚集在雙層膜內(nèi)，使得脂質(zhì)單層膜在孔周圍彎曲。抗菌肽的親水區(qū)域與雙層膜連接形成孔的外部，疏水區(qū)域形成孔的內(nèi)部[11]。③地毯模型:抗菌肽平行于脂質(zhì)雙層吸附，從而形成“地毯”。這會(huì)導(dǎo)致膜表面的不良相互作用。因此，膜的完整性喪失，產(chǎn)生了一種類似清潔劑的效果，最終通過形成膠束使膜崩解[12]。④聚合模型:磷脂雙分子層和抗菌肽之間的靜電相互作用導(dǎo)致脂肽復(fù)合物的形成，從而導(dǎo)致形狀和大小不均勻的非特異性定向孔隙的形成。這使得抗菌肽可以瞬間穿過細(xì)胞膜，這樣它們的殺菌效果就與它們與細(xì)胞內(nèi)靶分子(如聚陰離子、DNA或RNA)的相互作用有關(guān)[13]。另外，還有人提出了抗菌肽細(xì)胞死亡的其他機(jī)制，包括抑制細(xì)胞外生物聚合物的合成和細(xì)胞內(nèi)功能[13]。還有其他少數(shù)抗菌肽能抑制陰離子酶的活性[8]。

2 抗菌材料的分類

抗菌材料分為天然抗菌材料、有機(jī)和無機(jī)抗菌材料。天然抗菌材料是指從自然界中獲得的抗菌物質(zhì)，如由動(dòng)物和植物中純化，是人類最開始利用的保護(hù)自己戰(zhàn)勝細(xì)菌的武器。天然抗菌材料的優(yōu)點(diǎn)是生物相容性好，毒性小。但其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，抗菌譜窄、抗菌效率低等[14]。有機(jī)抗菌材料有低分子和高分子抗菌材料，低分子材料主要是季銨鹽類和酚醇酯類等。高分子抗菌材料是抗菌官能團(tuán)單體通過聚合或者接枝等形成抗菌高分子。有機(jī)材料優(yōu)點(diǎn)是種類多，運(yùn)用廣。其缺點(diǎn)也是有機(jī)材料本身缺點(diǎn)造成的，如有的材料有強(qiáng)毒性而且耐熱性差、易分解等。而且有研究表明長(zhǎng)期使用有機(jī)抗菌材料會(huì)造成細(xì)菌耐藥性。另外，抗菌效果會(huì)由于時(shí)間的延長(zhǎng)而變?nèi)鮗15]。無機(jī)抗菌材料則克服了有機(jī)材料的大部分缺點(diǎn)，如具有長(zhǎng)效抗菌、耐熱性好且不會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性等，是近期研究的新型抗菌材料。但相關(guān)研究仍在初步階段，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)仍然不夠完善，生產(chǎn)成本很高[16]。

3 抗菌表面的構(gòu)建策略

在過去的幾年中，研究者們?cè)谔骄坎牧蠘?gòu)建進(jìn)而形成抗細(xì)菌材料方面已經(jīng)做出了巨大的努力。對(duì)于抗菌表面的構(gòu)建，主要的殺菌策略有以下幾種。①接觸殺菌:是指在材料上修飾殺菌物質(zhì)，如抗生素、抗菌肽等物質(zhì)，通過材料上的抗菌物質(zhì)接觸殺死細(xì)菌。②釋放殺菌:是在材料上修飾殺菌物質(zhì)，使得殺菌物質(zhì)從材料中緩慢釋放到環(huán)境中，從而殺死材料上的細(xì)菌，殺菌物質(zhì)有抗生素、釋放活性氧、氮氧化物等。這種方法主要針對(duì)細(xì)菌的生命活動(dòng)，阻止細(xì)菌在材料表面繁殖的方式來殺死細(xì)菌。此方式的主要優(yōu)點(diǎn)是殺菌較迅速且效率高，但抗生素容易產(chǎn)生耐藥性。③抗細(xì)菌黏附策略:主要是指將表面進(jìn)行改性。例如疏水性有利于細(xì)菌的黏附，因此利用親水性物質(zhì)將表面改性后，使得表面可以形成水化層從而抑制表面黏附細(xì)菌。這種方法通常被認(rèn)為是一種被動(dòng)抗菌方法，以抵抗細(xì)菌的初始黏附為目的，試圖在源頭上阻止感染的發(fā)生。優(yōu)點(diǎn)是細(xì)胞毒性低，生物相容性好；但細(xì)菌一旦發(fā)生黏附，此表面將難以阻止細(xì)菌的繁殖和感染的發(fā)展。④將抗細(xì)菌黏附和殺菌方式有機(jī)結(jié)合起來便是抗細(xì)菌黏附-殺菌(抗-殺)結(jié)合策略，這種策略既綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)又規(guī)避了大部分的缺點(diǎn)[17]。⑤抗菌表面構(gòu)建的進(jìn)一步發(fā)展則要求抗菌表面可以智能地控制抗菌劑殺菌性的構(gòu)建方法。智能抗菌表面就是具有感知外界環(huán)境變化并實(shí)現(xiàn)改變自身性能參數(shù)的智能特點(diǎn)，對(duì)于獲取優(yōu)異的抗菌性和豐富的抗菌體系場(chǎng)景具有重要意義[18]。如已經(jīng)有研究者通過光引發(fā)-轉(zhuǎn)移-終止聚合的方法構(gòu)建了在表面溫敏型殺菌向抗污轉(zhuǎn)化的智能型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了生物材料在儲(chǔ)存時(shí)高效殺菌，運(yùn)用時(shí)具有較好的生物相容性。

在以上的這幾個(gè)策略中，材料表面修飾的抗菌物質(zhì)主要為金屬離子氧化物、抗生素、季銨鹽等。但是這些策略中，普遍存在抗菌譜窄、易產(chǎn)生細(xì)菌抵抗性等問題[19]。而抗菌肽作為裝載所用的抗菌物質(zhì)則具有很大的優(yōu)勢(shì)。雖然近期已經(jīng)有少量研究將抗菌肽修飾于抗菌表面上，但要想把抗菌肽裝載在材料上并保留其抗菌活性的確是一個(gè)難題。而且抗菌肽本身對(duì)于正常細(xì)胞也有毒性。雖然已有研究利用物理吸附或者共價(jià)鍵結(jié)合的方式將抗菌肽負(fù)載于材料表面，但是這種方法也存在著很多缺點(diǎn)，如構(gòu)建過程的復(fù)雜、沒有研究證明其穩(wěn)定性等。因此，找到一種能夠有效地把抗菌肽負(fù)載于材料表面并且保持其活性以及增加其相容性是近期較有價(jià)值的研究目標(biāo)。

抗菌肽具有抗炎、抗腫瘤、抗菌等多活性，可抑制細(xì)菌生物膜形成的活性,用于對(duì)抗多藥耐藥菌引起的嚴(yán)重感染。因此抗菌肽將是抗菌材料應(yīng)用中具有巨大應(yīng)用前景的抗菌物質(zhì)。但是抗菌肽作為抗菌物質(zhì)也依然有不少問題，如抗菌肽本身不易大量獲得、抗菌材料被修飾后抗菌肽能否保留其抗菌活性、抗菌肽對(duì)正常細(xì)胞的毒性問題等。因此，仍然需要大量系統(tǒng)地研究來找到獲取抗菌肽的簡(jiǎn)便方法、保存抗菌肽的抗菌性及降低對(duì)正常細(xì)胞毒性的方法等。