兩棲動(dòng)物抗菌肽研究進(jìn)展及其在畜牧業(yè)中的應(yīng)用前景

李思琪，高學(xué)軍，張明輝

（長(zhǎng)江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

濫用抗生素導(dǎo)致大量耐藥菌株產(chǎn)生、抗生素療效下降、食品抗生素殘留超標(biāo)等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人類和動(dòng)物的健康?？咕模ˋntimicrobial peptides，AMPs）作為抗生素的可能替代物，其開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為熱點(diǎn)。兩棲動(dòng)物抗菌肽是一類廣泛存在于兩棲動(dòng)物皮膚表面和黏膜上的天然抗菌物質(zhì)，本文對(duì)其研究進(jìn)展以及在畜牧業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述，為相關(guān)開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 兩棲動(dòng)物抗菌肽概述

抗菌肽源于動(dòng)物、植物、細(xì)菌、病毒和人體中，對(duì)各種病原體具有抗菌作用?？咕牡陌被釘?shù)目為10～100 個(gè)，通常含有大量的親水和疏水氨基酸，使其具有極性和非極性區(qū)域的兩親性特征。與抗生素相比，抗菌肽的抗菌優(yōu)勢(shì)在于抗菌肽會(huì)破壞并滲透靶細(xì)胞膜，造成難以修復(fù)的損傷，其多作用機(jī)制和多作用靶點(diǎn)的抗菌特性使抗菌肽在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生耐藥性的概率較低。除了抗菌作用外，抗菌肽還具有抵御病毒、寄生蟲(chóng)、癌癥、糖尿病、炎癥、氧化脅迫、蛋白酶活性等作用。

兩棲動(dòng)物皮膚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是缺少鱗片或毛發(fā)的保護(hù)，且兩棲動(dòng)物的皮膚內(nèi)含有豐富的腺體，主要包括黏液腺與顆粒腺。兩棲動(dòng)物抗菌肽主要在多核顆粒腺體（也稱為漿液腺或毒腺）中合成，生成的抗菌肽被顆粒包裹生成前原蛋白，經(jīng)特定蛋白酶切割后獲得具有生物活性的成熟抗菌肽。1988年從非洲爪蛙皮膚中分離得到第一個(gè)來(lái)源于兩棲動(dòng)物的抗菌肽Magainins[1]后，陸續(xù)在世界各地發(fā)現(xiàn)各種兩棲動(dòng)物抗菌肽。隨著生物耐藥性逐漸提高，從兩棲動(dòng)物皮膚分離出的抗菌肽作為新型多功能藥物受到關(guān)注。已發(fā)現(xiàn)的兩棲動(dòng)物抗菌肽見(jiàn)表1。

表1 已發(fā)現(xiàn)的兩棲動(dòng)物抗菌肽

2 兩棲動(dòng)物抗菌肽的作用機(jī)制

兩棲動(dòng)物抗菌肽的作用機(jī)制主要包括兩種模式：膜破壞性和非膜破壞性。

2.1 膜破壞性模式

膜破壞性模式是兩棲動(dòng)物抗菌肽最主要的作用機(jī)制。例如來(lái)自奇異多指節(jié)蟾（Paradoxical frog）的兩棲動(dòng)物抗菌肽Pseudin-2 與膜相互作用產(chǎn)生孔隙發(fā)揮作用[8]?？咕姆e聚在病原體的膜上，在桶壁模型中形成孔隙，或在環(huán)孔隙模型中形成肽和脂質(zhì)襯里的孔隙，或在地毯模型中將膜溶解成被抗菌肽分散的顆粒[9]。在所有模型中，都包括抗菌肽在膜表面的積累，其正電荷區(qū)域與細(xì)胞膜上帶負(fù)電荷的磷脂發(fā)生靜電相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入細(xì)胞膜的脂質(zhì)膜中，進(jìn)而改變脂質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂、細(xì)胞死亡。

2.2 非膜破壞性模式

非膜破壞性模式是指兩棲動(dòng)物抗菌肽在進(jìn)入細(xì)胞之后，與細(xì)胞內(nèi)靶點(diǎn)的特異性結(jié)合，干擾細(xì)胞的正常代謝，達(dá)到抑制和殺滅細(xì)菌的目的。兩棲動(dòng)物抗菌肽主要通過(guò)以下幾個(gè)方面在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用：（1）干擾DNA 和RNA 正常代謝[10]，抑制RNA 聚合酶活性；（2）抑制細(xì)胞壁的合成，阻礙細(xì)胞進(jìn)行增殖分裂；（3）影響細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成；（4）抑制細(xì)胞內(nèi)各種酶的活性，如兩棲動(dòng)物抗菌肽P2-HP-1935 可以抑制乙酰膽堿酯酶（AchE）[11]。

3 兩棲動(dòng)物抗菌肽的生物活性

3.1 抗菌活性

大腸桿菌可引起人畜腸道疾病，破壞腸道屏障，加劇全身炎癥反應(yīng)，嚴(yán)重威脅人類健康和畜牧業(yè)發(fā)展。從兩棲動(dòng)物牛蛙（Rana catesbeiana）皮膚中分離出的抗菌肽Ranatuerin-1 具有廣譜抗菌效果，其對(duì)大腸桿菌（Escherichia coli.）、鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumonia）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus au－reus）和白色念珠菌（Candida albicans）具有抗菌作用[12]，可應(yīng)用于治療畜牧養(yǎng)殖業(yè)中大腸桿菌引起的腹瀉。

由傳染性病原體引起的牛乳腺炎通過(guò)降低奶牛生產(chǎn)性能、增加淘汰率給奶業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。牛乳腺炎是由細(xì)菌病原體引起的牛乳腺/乳房的炎癥。大腸菌群、化膿性鏈球菌、無(wú)乳鏈球菌、真菌（酵母樣）和原藻屬均會(huì)引起嚴(yán)重的乳腺炎。將具有抗菌作用的兩棲動(dòng)物抗菌肽代替抗生素加入飼料中，可提高奶牛的免疫力，減少牛乳腺炎發(fā)生的概率[13]。

3.2 抗病毒活性

豬傳染性胃腸炎病毒（TGEV）是一種腸道冠狀病毒，已導(dǎo)致全世界仔豬的高發(fā)病率和死亡率[14]。以往研究表明，TGEV 可導(dǎo)致2 周齡仔豬和斷奶仔豬嚴(yán)重腹瀉、嘔吐和脫水，導(dǎo)致大量仔豬死亡。Jin等[15]研究發(fā)現(xiàn)，從中華蟾蜍（Bufo gargarizans）的皮膚分泌物中分離出來(lái)的蟾蜍靈、華蟾素和遠(yuǎn)華蟾蜍精均對(duì)MERS-CoV、SARS-CoV 和SARS-CoV-2 冠狀病毒變種具有抗病毒活性，可為畜牧業(yè)治療TGEV 提供新策略。

3.3 抗寄生蟲(chóng)活性

許多寄生蟲(chóng)病屬于人畜共患病，因此在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中動(dòng)物感染寄生，不僅對(duì)養(yǎng)殖業(yè)造成極大損失，也會(huì)危及人類生命安全。從海蟾蜍（R. marina）中分離出的抗菌肽蟾蜍靈、脫氫蟾蜍毒素、海蟾蜍毒素和海蟾蜍精具有在體外對(duì)惡性瘧原蟲(chóng)生存能力產(chǎn)生影響的作用[16]。Rodriguez 等[17]從阿拉塔犀牛蟾蜍（Rhinella alata）中分離出的抗菌肽蟾蜍靈和華蟾素表現(xiàn)出抗錐蟲(chóng)活性。這些結(jié)果表明，由于兩棲動(dòng)物抗菌肽具有的抗寄生蟲(chóng)活性，或可將其運(yùn)用于畜禽養(yǎng)殖及水產(chǎn)養(yǎng)殖中，減少寄生蟲(chóng)對(duì)養(yǎng)殖業(yè)造成的損失，降低對(duì)人類安全的威脅。

3.4 抗癌活性

由于癌細(xì)胞被轉(zhuǎn)化并暴露陰離子磷脂酰絲氨酸（PS），這種類似細(xì)菌的膜特性可能為陽(yáng)離子抗菌肽的細(xì)胞選擇性提供分子基礎(chǔ)。Nooranian 等[18]研究發(fā)現(xiàn)來(lái)自湖蛙（Rana ridibunda）皮膚分泌物的抗菌肽Brevinin-2R 通過(guò)抑制人宮頸癌細(xì)胞（HeLa）細(xì)胞的增殖，發(fā)揮抗癌活性。

3.5 抗糖尿病活性

2 型糖尿病（T2D）是一種胰島素釋放不足以保持人體葡萄糖平衡的疾病，刺激胰島素的產(chǎn)生是主要的T2D 治療方式。Soltaninejad 等[19]研究發(fā)現(xiàn)分別分離自特立尼達(dá)猴樹(shù)蛙（Phyllomedusa trinitatis）和紅眼樹(shù)蛙（Agalychnis callidryas）的抗菌肽Dermaseptin B4 和Dermaseptin-LI1 在葡萄糖反應(yīng)性大鼠胰腺β 細(xì)胞（BRIN-BD11）中刺激胰島素釋放，證明這兩種抗菌肽可通過(guò)誘導(dǎo)β 細(xì)胞釋放胰島素，治療糖尿病。

3.6 抗氧化活性

從澤陸蛙（Fejervarya limnocharis）皮膚中分離得到的Brevinin-1FL 可以濃度依賴性地清除NO和羥基自由基，并減輕鐵氧化[20]。Paraso 等[21]發(fā)現(xiàn)Brevinin-1FL 還可以在慢性熱應(yīng)激條件下維持雞正常的腸道結(jié)構(gòu)、腸道吸收和黏膜免疫功能，并可消除由慢性熱應(yīng)激導(dǎo)致的生長(zhǎng)抑制。這些研究表明，作為抗氧化劑的Brevinin-1FL 對(duì)氧化損傷引起的疾病具有強(qiáng)大的治療潛力，可應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖的熱應(yīng)激治療中。

4 兩棲動(dòng)物抗菌肽在畜牧業(yè)中的應(yīng)用展望

隨著抗生素在畜禽生產(chǎn)中的大量使用，動(dòng)物體內(nèi)抗生素殘留和細(xì)菌耐藥性問(wèn)題日益嚴(yán)峻，這一問(wèn)題對(duì)畜牧業(yè)的發(fā)展和人類的食品安全構(gòu)成了巨大威脅。尋求綠色無(wú)污染且安全的抗生素替代品已成為畜牧業(yè)研究的重點(diǎn)，且多種抗菌肽在畜牧業(yè)的應(yīng)用已獲得初步成效。Zhang 等[22]將一種人工合成的抗菌肽（WK3）加入仔豬飼料中，發(fā)現(xiàn)抗菌肽的加入可改善仔豬平均日增重和平均日采食量，并能提高免疫力有效減少腹瀉。Jin 等[23]在閹割的公牛的基礎(chǔ)日糧中添加抗菌肽（天蠶素cecropin 和蜜蜂抗菌肽apidaecin 各50%），使牛的平均日增重、胴體重量和凈肉重顯著增加。

目前，兩棲動(dòng)物抗菌肽在畜牧業(yè)研究中應(yīng)用較少，且至今未能批量運(yùn)用于規(guī)?；酿B(yǎng)殖。限制兩棲動(dòng)物抗菌肽規(guī)?；褂玫膯?wèn)題主要有以下四點(diǎn)：（1）具有帶正電荷的特征，使其在NaCl 濃度升高時(shí)，與NaCl 相互作用降低其與細(xì)菌膜的靜電活性。（2）具有兩親性特征使其易與血清蛋白（如白蛋白和脂蛋白）結(jié)合，降低抗菌活性。（3）易被存在于腸黏膜、胃腸道和血液中的蛋白酶水解降解[24]，影響其穩(wěn)定性。（4）人工合成抗菌肽的成本遠(yuǎn)高于抗生素的合成成本，使其無(wú)法大規(guī)模運(yùn)用。

如今，已制定一些策略解決這些問(wèn)題。（1）運(yùn)用不同的遞送系統(tǒng)來(lái)改善兩棲動(dòng)物抗菌肽蛋白水解降解的情況，提高其穩(wěn)定性和生物利用率[25]。（2）進(jìn)行兩棲動(dòng)物抗菌肽的化學(xué)修飾。Casciaro 等[26]研究發(fā)現(xiàn)兩棲動(dòng)物抗菌肽經(jīng)典的螺旋結(jié)構(gòu)在局部或整體扭曲時(shí)，可提高蛋白酶的穩(wěn)定性和降低肽毒性，而不會(huì)顯著減少抗菌活性。（3）將兩棲動(dòng)物抗菌肽通過(guò)基因工程技術(shù)整合到益生菌（如枯草芽孢桿菌）基因組中，通過(guò)誘導(dǎo)使其大量表達(dá)。

目前，在畜牧生產(chǎn)中使用兩棲動(dòng)物抗菌肽作為治療劑或飼料添加劑的安全性和有效性仍然存在很多問(wèn)題需要解決，同時(shí)需要不斷開(kāi)發(fā)多種抗菌化合物以及闡明其抗菌作用機(jī)制，進(jìn)一步降低耐藥菌產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>