新型抗生素替代品抗菌肽在畜禽養(yǎng)殖上的應(yīng)用

張 利,華 松

(1.陜西省榆林市府谷縣動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心,陜西榆林 719400;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院)

抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)是廣泛存在于多種生物體內(nèi)的一類(lèi)分子量較小的多肽,由12～60個(gè)氨基酸組成,對(duì)細(xì)菌、病毒、真菌和原蟲(chóng)等具有廣泛的抑制和殺滅作用,是生物先天性免疫系統(tǒng)的重要組分。近年來(lái)由于抗生素濫用引起的致病菌耐藥性日益嚴(yán)重,尤其是多重耐藥菌的出現(xiàn),對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為此農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了養(yǎng)殖業(yè)減抗、禁抗的規(guī)定,為了減少和限制獸用抗菌藥的使用,有效遏制動(dòng)物源細(xì)菌耐藥、減少獸藥殘留超標(biāo),全面提升畜禽綠色健康養(yǎng)殖水平,迫切需要尋找高效、不易產(chǎn)生耐藥性且低殘留的新型抗生素替代品。而抗菌肽具有抗菌譜廣、無(wú)污染、低毒副作用、不易產(chǎn)生耐藥性且無(wú)殘留等優(yōu)點(diǎn),將會(huì)是繼中草藥之后的又一理想的替抗產(chǎn)品,正在受到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。

1 抗菌肽的物理化學(xué)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)

抗菌肽分子量非常小,熱穩(wěn)定性高,水溶性好,耐酸堿。此外部分抗菌肽有氟化氨基酸,能夠抵抗胰蛋白酶、胃蛋白酶的水解。

抗菌肽具有一級(jí)和二級(jí)物理結(jié)構(gòu),一級(jí)結(jié)構(gòu)比較保守,肽鏈 N 端富含親水堿性氨基酸,帶正電荷;而肽鏈C 端富含疏水氨基酸,常被酰胺化,呈中性?？咕牡亩?jí)結(jié)構(gòu)具有一個(gè)雙親分子結(jié)構(gòu),即與水和脂類(lèi)物質(zhì)都有親和力,這也許是抗菌肽高效、快速殺菌的前提條件。與抗菌肽的作用機(jī)制緊密相關(guān)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是目前抗菌肽分類(lèi)的重要依據(jù)。

2 抗菌肽的主要生物學(xué)功能及作用機(jī)制。

2.1 廣譜抗菌

抗菌肽對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌皆有高效、快速的殺滅功能?？咕牡臍⒕砼c抗生素的抑菌機(jī)理完全不一樣,后者主要是利用抑制某些大分子物質(zhì)的合成來(lái)起作用,并且通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),抗生素容易導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性,而抗菌肽一般不會(huì),因此抗菌肽有望成為繼中草藥之后的又一種理想的抗生素替代品。

此外,有的抗菌肽,例如天蠶素抗菌肽只對(duì)致病菌有殺滅作用,對(duì)正常腸道菌群具有調(diào)節(jié)和改善作用。抗菌肽帶有正電荷,可以靶向作用于帶負(fù)電荷的致病菌;其次,正常的菌群不帶電荷并且能夠分泌一種識(shí)別抗菌肽的蛋白IpxF,lpxF可阻止抗菌肽在正常菌群細(xì)胞表面的結(jié)合和避免對(duì)膜的破壞,從而說(shuō)明天蠶素抗菌肽對(duì)致病菌具有選擇性殺滅作用。

2.2 抗病毒

目前,利用抗菌肽進(jìn)行抗病毒,其機(jī)制主要有以下三個(gè)方面:1)作用于囊膜病毒的脂膜,直接導(dǎo)致病毒的失活;2)通過(guò)抑制病毒-胞膜融合從而阻止病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞;3)抑制病毒基因的表達(dá)從而阻止病毒的復(fù)制。有研究表明天蠶素和蜂毒素等抗菌肽可以抑制艾滋病毒 HIV-1 的基因表達(dá)。天蠶素及其同源物可以通過(guò)抑制病毒核衣殼從而抗多種魚(yú)類(lèi)病毒。因此,抗菌肽有望開(kāi)發(fā)成高效的抗病毒藥物。

2.3 抗寄生蟲(chóng)

研究發(fā)現(xiàn),來(lái)源于昆蟲(chóng)的抗菌肽對(duì)不同發(fā)育階段的瘧原蟲(chóng)具有完全不同的作用,例如當(dāng)瘧原蟲(chóng)發(fā)育到卵囊期、核子孢子期時(shí), 經(jīng)昆蟲(chóng)抗菌肽處理后,瘧原蟲(chóng)體內(nèi)形成較大的空泡,空泡導(dǎo)致形態(tài)受損,流動(dòng)性降低。此外,人工合成的天蠶素與蜂毒素復(fù)合體可以與萊什曼原鞭毛蟲(chóng)的細(xì)胞質(zhì)膜相結(jié)合,通過(guò)迅速下降細(xì)胞膜離子通道酸、堿離子的通透性,促進(jìn)ATP合成抑制,呼吸受阻,外膜凹陷,原生質(zhì)膜形態(tài)完全被破壞,從而殺死原蟲(chóng)。

2.4 抗真菌

許多研究已經(jīng)證實(shí),抗菌肽還可以殺滅真菌,首先抑制真菌細(xì)胞壁的形成,與真菌質(zhì)膜相互結(jié)合導(dǎo)致真菌細(xì)胞表面形成孔洞,其次,作用于真菌胞內(nèi)某些細(xì)胞器從而發(fā)揮殺滅真菌的作用?？咕牡臍缯婢淖饔?也是通過(guò)在細(xì)胞質(zhì)膜上形成孔洞,導(dǎo)致胞內(nèi)某些重要物質(zhì)向胞外泄露,隨后真菌死亡。

2.5 促進(jìn)傷口愈合

由于抗菌肽能刺激纖維母細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖促進(jìn)肉芽組織增生加快創(chuàng)面愈合,因此,抗菌肽能用于獸醫(yī)外科治療各種外傷性疾病,例如筆者使用天蠶素抗菌肽治療牛的關(guān)節(jié)外傷、蹄葉炎和病毒性水皰導(dǎo)致的潰瘍等疾病效果比較顯著。獸醫(yī)臨床發(fā)現(xiàn),用天蠶素抗菌肽和磺胺嘧啶銀混合而成的軟膏治療被燒傷的小白鼠,發(fā)現(xiàn)效果比單純用磺胺嘧啶銀治療效果要好,恢復(fù)速度快,且最后的疤痕也小。用小鼠皮膚燙傷耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (MRSA) 感染模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),來(lái)源于人的抗菌肽LL-37 對(duì)該模型具有較好的治療作用。

3 抗菌肽在畜牧獸醫(yī)生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 作為飼料添加劑

飼料添加劑是添加于動(dòng)物日糧里面的各種少量或微量的營(yíng)養(yǎng)性或非營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì),或者為了促進(jìn)動(dòng)物采食量,提高適口性的少量物質(zhì)。飼料中添加適量的抗菌肽,能夠提高免疫力,抗應(yīng)激,改善腸道健康,從而提高飼料利用率,促進(jìn)動(dòng)物健康生長(zhǎng)。

3.1.1 提高生長(zhǎng)性能 迄今為止,用作動(dòng)物飼料添加劑的抗菌肽以天蠶素抗菌肽A和D為主。在斷奶仔豬飼料中添加一定比例的天蠶素從而代替抗生素,發(fā)現(xiàn)天蠶素抗菌肽對(duì)仔豬生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著的促進(jìn)作用。利用某種微生態(tài)制劑與天蠶素抗菌肽復(fù)合物飼喂奶牛,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)奶牛平均單產(chǎn)提高1.5 kg/天,乳汁體細(xì)胞含量降低60%以上。筆者在北京某規(guī)?；膛?chǎng)通過(guò)添加0.01%的天蠶素抗菌肽,發(fā)現(xiàn)奶牛單產(chǎn)提高2.6 kg/頭。此外,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在日糧里面添加天蠶素抗菌肽能有效促進(jìn)仔豬十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度,降低空腸隱窩深度,從而顯著提高絨毛高度與隱窩深度的比值。初步說(shuō)明,天蠶素抗菌肽作為動(dòng)物飼料添加劑,能明顯提高飼料消化吸收率,降低養(yǎng)殖成本,提高養(yǎng)殖效益。

3.1.2 增強(qiáng)免疫及抗應(yīng)激 抗菌肽作為飼料添加劑還具有抗應(yīng)激、提高動(dòng)物免疫力的功效?？咕脑谶m當(dāng)濃度下直接殺滅致病菌,而在較低濃度時(shí)以免疫調(diào)節(jié)的形式來(lái)保護(hù)生物體。如α-防御素在極低的濃度下能增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的吞噬作用,誘導(dǎo)體液和細(xì)胞免疫應(yīng)答,具有免疫增強(qiáng)作用等。研究表明,抗菌肽可以促進(jìn)肉雞的生長(zhǎng),改善肉品質(zhì)和產(chǎn)蛋性能,降低肉雞死亡率。通過(guò)對(duì)斷奶仔豬口服一定量的大腸桿菌,同時(shí)拌料飼喂一定比例的天蠶素抗菌肽,13天后,斷奶仔豬血清內(nèi)IgA、IgG含量顯著高于空白對(duì)照組,而IL-1β和IL-6的含量也顯著高于對(duì)照組。

3.2 作為獸藥防治疾病

3.2.1 治療細(xì)菌性疾病 畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中大部分疾病是由致病性細(xì)菌引起的,有一定的傳染性,每年給我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失非常大,而抗菌肽恰好具有快速且廣譜的殺菌功能。利用來(lái)源于豬的抗菌肽進(jìn)行致病菌體外抑菌試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)豬源抗菌肽對(duì)禽大腸桿菌和沙門(mén)氏菌具有良好抑制作用。另一個(gè)研究,用來(lái)源于牛脾臟的抗菌肽,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行體外12株大腸桿菌抑菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),牛源性抗菌肽對(duì)這些大腸桿菌和沙門(mén)氏菌都有較好的抑制作用。綜上,抗菌肽的廣譜抗菌作用療效確實(shí),可用于臨床治療中。

3.2.2 治療病毒性疾病 有些抗菌肽可明顯抑制豬流行性腹瀉病毒的增殖和毒素釋放,從而阻礙該病的發(fā)生和流行。用來(lái)源于雞血的抗菌肽進(jìn)行雞痘病毒體外抑制試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)可顯著降低雞痘病毒的增殖速度。筆者通過(guò)天蠶素抗菌肽對(duì)雞新城疫病毒進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),天蠶素抗菌肽能抑制雞新城疫的發(fā)生發(fā)展。因此,抗菌肽被開(kāi)發(fā)為獸用抗病毒藥物被應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖中前景廣闊。

3.2.3 治療寄生蟲(chóng)性疾病 腦包蟲(chóng)病就是典型的人畜共患病,我國(guó)每年花費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行防控。世界養(yǎng)雞業(yè)發(fā)生的雞球蟲(chóng)病,發(fā)病率非常高,全球每年都造成經(jīng)濟(jì)損失超過(guò) 50億美元。研究發(fā)現(xiàn)將天蠶素-蜂毒素雜和肽CA(1-8)M(1-18)作用于杜氏利什曼原蟲(chóng)前鞭毛體2 h,蟲(chóng)體100%死亡。此外,筆者實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn),使用天蠶素抗菌肽1.0 g/mL能有效治療雞的球蟲(chóng)病。

3.2.4 治療真菌性疾病 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),利用天蠶素A對(duì)曲霉菌屬和鐮刀菌屬的病原菌進(jìn)行體外抑菌試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)殺滅效果顯著。來(lái)源于家蠅的新型抗菌肽 AMP-17 可抑制或殺滅以白色念珠菌、熱帶念珠菌為代表的多種致病性真菌,其通過(guò)阻礙白色念珠菌細(xì)胞壁及其細(xì)胞膜合成相關(guān)基因的表達(dá)、抑制細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大細(xì)胞膜通透性導(dǎo)致胞外物質(zhì)內(nèi)滲透增加胞內(nèi)滲透壓來(lái)發(fā)揮殺滅致病性真菌的作用。

3.3 在畜禽繁殖上的應(yīng)用

抗菌肽作為一款良好的替抗產(chǎn)品在畜禽繁殖上的功能正逐漸被開(kāi)發(fā),其不但具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性,還初步發(fā)現(xiàn)對(duì)精子或胚胎無(wú)毒副作用、對(duì)大多數(shù)致病菌具有抑制作用,還具有一定的營(yíng)養(yǎng)作用。有研究表明,豬精液稀釋液中添加低濃度的環(huán)狀六肽可以代替抗生素,且不影響母豬受胎率,這使其成為極具前景的精液保存候選藥物。筆者所在的實(shí)驗(yàn)室將不同的抗菌肽進(jìn)行了復(fù)合,用納米材料包被,目前在防治羔羊和仔豬腹瀉,預(yù)防綿羊和山羊產(chǎn)后癱瘓,以及防治乳房炎等方面取得了理想的效果,并且開(kāi)發(fā)了預(yù)防羔羊和仔豬腹瀉的開(kāi)口料(待發(fā)表資料)。

4 展望

抗菌肽不僅具有廣譜、快速、高效的殺滅致病菌的作用,還具有促進(jìn)畜禽快速生長(zhǎng)、預(yù)防和治療多種疾病的功效,更值得注意的是,抗菌肽不易產(chǎn)生耐藥性、完全綠色、無(wú)殘留,安全、無(wú)毒副作用。在飼料端禁抗、養(yǎng)殖端減抗、限抗的大背景下,既可作為一種綠色飼料添加劑,用于畜禽保健和疾病預(yù)防,又可以作為獸用藥物治療許多疾病,將會(huì)是未來(lái)獸藥市場(chǎng)的一個(gè)亮點(diǎn)。規(guī)?；a(chǎn)某些抗菌肽的工藝流程正在逐漸成熟,低成本、高效益的抗菌肽很快會(huì)應(yīng)用到畜牧生產(chǎn)中。