抗菌肽的分類、作用機制與應(yīng)用研究

吳家明 李 芹

（福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建福州 350117）

青霉素的發(fā)現(xiàn)正式開啟了抗生素時代[1]，抗生素的發(fā)現(xiàn)和使用拯救了無數(shù)患者的生命，但長期使用抗生素對靶標(biāo)病原微生物產(chǎn)生了選擇壓力，導(dǎo)致部分細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，是目前需要解決的公共衛(wèi)生問題。常規(guī)抗生素的研發(fā)速度與細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的速度不匹配，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成為當(dāng)前研究重點。具有獨特殺菌機制的抗菌肽成為抗生素的潛在替代藥物。

抗菌肽（antibacterial peptides，AMPs），又稱抗生素肽，是一類能夠抑制細(xì)菌、真菌、病毒、寄生蟲和腫瘤細(xì)胞等的小分子多肽，是生物體先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分，在動物、植物及微生物等生物體內(nèi)廣泛存在。1939 年從土壤細(xì)菌短芽孢桿菌中發(fā)現(xiàn)了第一種AMPs，即gramicidin，其在體外和體內(nèi)對許多革蘭氏陽性菌表現(xiàn)出抗菌活性，隨后又發(fā)現(xiàn)了大量的防御肽（defensins），這些AMPs通常由幾十個氨基酸殘基組成，具有正凈電荷（通常為+2至+11）和一定比例的疏水殘基（通常為50%）。截至2023 年1 月，AMPs數(shù)據(jù)庫（APD3）已經(jīng)登記了3 569種AMPs。研究表明，AMPs具有殺滅或抑制病原菌、免疫調(diào)節(jié)、促進傷口愈合以及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等多種活性[2]。本文介紹了抗菌肽的分類、作用機制、應(yīng)用情況、各領(lǐng)域的發(fā)展前景以及面臨的挑戰(zhàn)，為抗菌肽的相關(guān)研究提供參考。

1 抗菌肽的分類

1.1 根據(jù)來源分類

可將AMPs 劃分為天然抗菌肽和人工合成抗菌肽。天然AMPs是存在于生物體內(nèi)的天然產(chǎn)物，包括昆蟲AMPs、植物AMPs、微生物AMPs和動物AMPs。

1.1.1 天然抗菌肽昆蟲AMPs 主要在昆蟲的脂肪體和血細(xì)胞中合成，是昆蟲生存適應(yīng)性強的主要原因之一[3]。目前已從昆蟲中發(fā)現(xiàn)了200 多種AMPs。天蠶素是昆蟲中研究較明確的AMPs 家族，在蜜蜂和果蠅等昆蟲中被發(fā)現(xiàn)，其對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有抗菌作用，天蠶素A 還顯示出對抗不同炎癥性疾病和癌癥的活性[4]。植物AMPs，又稱植物防御素。研究發(fā)現(xiàn)，在植物中存在多種AMPs，主要從植物的莖、種子和葉片中提取和分離獲得，可將其分為硫蛋白、防御素和蛻皮素等[5]。目前，已鑒定出數(shù)百種植物AMPs，但尚未獲得批準(zhǔn)用于臨床。微生物AMPs由微生物自身分泌，用來防御外來入侵的細(xì)菌、真菌等，可以從細(xì)菌和真菌等微生物中分離獲得。乳酸鏈球菌肽（nisin）可以從乳酸乳球菌、枯草芽孢桿菌和短芽孢桿菌中獲得[6]，并且已被批準(zhǔn)用于治療牛乳腺炎。動物AMPs主要包括兩大類，哺乳動物AMPs和兩棲動物AMPs。哺乳動物AMPs主要存在于人類、綿羊和牛等動物體中，組織蛋白酶（Cathelicidins）和防御素（Defensins）是哺乳動物AMPs的主要家族[7]。人類宿主防御肽（HDPs）不僅可以保護人類免受微生物感染，還可以影響免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞凋亡和傷口愈合等[8]。兩棲動物AMPs在保護其免受病原體侵害方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，bombesin是一種由兩棲動物產(chǎn)生的抗菌肽，最早從歐洲鈴蟾皮膚中分離出來，具有良好的抗菌作用[9]。

1.1.2 人工合成抗菌肽人工合成AMPs 是通過化學(xué)合成或基因工程技術(shù)合成的具有抗菌活性的多肽。Chen 等[10]設(shè)計合成的抗菌肽G（IIKK）3I-NH2，已被證明可以殺死部分細(xì)菌，同時對哺乳動物正常細(xì)胞保持良性。人工合成抗菌肽CM15，也被證明具有良好的抗菌活性[11]。

1.2 根據(jù)理化特性分類

根據(jù)理化特性可分為陽離子AMPs 和陰離子AMPs，目前已發(fā)現(xiàn)和報道的AMPs中，大多數(shù)屬于陽離子AMPs，少部分為陰離子AMPs。陽離子AMPs帶正電荷，可以與細(xì)菌表面負(fù)電荷的脂多糖形成靜電力吸引，有利于其吸附到細(xì)菌表面，發(fā)揮抗菌作用；陰離子AMPs 的電荷性質(zhì)使其不易與靶細(xì)胞作用，因此數(shù)量相對較少。常見的陰離子AMPs 有抗菌肽Dermcidin，是從人體皮膚分泌物中分離出的一種陰離子AMPs，在酸性條件下帶負(fù)電荷，可以殺死米氏乳桿菌等革蘭氏陽性菌[12]?？咕腗aximin H5是從馬蛙皮膚分泌物中分離出的一種陰離子AMPs[13]。

1.3 根據(jù)活性分類

根據(jù)活性可將AMPs 分為20 多個種類，主要包括抗細(xì)菌、抗病毒、抗真菌、抗寄生蟲以及抗癌等。

抗細(xì)菌活性的AMPs 數(shù)量眾多，其對常見致病菌具有廣泛的抑制作用，如大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和銅綠假單胞菌等。許多天然和合成的AMPs，如乳酸鏈球菌肽和防御素等，對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都表現(xiàn)出較好的抑制活性。BCp12是一種陽離子抗菌肽，其顯示出較高的耐鹽和耐高溫特性，具有良好的抗細(xì)菌活性[14]?？拐婢钚缘腁MPs，主要用于治療耐藥性增強的真菌感染。許多抗真菌活性的AMPs 對常見病原真菌表現(xiàn)出優(yōu)異的抗真菌活性，如曲霉菌、白色念珠菌、酵母菌和絲狀真菌等。研究表明，抗菌肽AurH1 對白色念珠菌有較強的殺滅效果，可以有效治療白色念珠菌感染[15]；從黃蜂毒液中純化得到的抗菌肽polybia-CP具有較強的抗真菌活性和殺真菌活性，并表現(xiàn)出較低的溶血活性[16]；人源抗菌肽LL-37可通過降低白色念珠菌細(xì)胞壁上相關(guān)酶的活性，影響真菌的黏附能力，進而瓦解細(xì)胞膜，引起胞內(nèi)小分子外泄，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[17]?？共《净钚訟MPs，病毒對人類生命安全危害嚴(yán)重，抗病毒肽對病毒具有較強的殺傷作用。據(jù)報道，肽brevinin-2GHk 在寨卡病毒（ZIKV）感染的早期和中期具有抑制病毒毒性的作用，其通過破壞寨卡病毒包膜的完整性，使寨卡病毒滅活，同時可以穿透細(xì)胞膜，這可能有助于在中期感染階段抑制寨卡病毒[18]?？辜纳x肽活性AMPs，在部分熱帶地區(qū)，寄生蟲感染威脅著人類的健康[19]。具有抗寄生蟲活性的AMPs對寄生蟲表現(xiàn)出良好的殺滅作用。Hu等[20]發(fā)現(xiàn)從刺舌蠅中分離得到的抗菌肽Attacin 表現(xiàn)出抗布魯斯氏錐蟲的活性；天然抗菌肽Bombinin H4 有抗利什曼原蟲的活性，通過快速去極化和破壞質(zhì)膜完整性，達(dá)到殺滅利什曼原蟲的目的[21]；抗菌肽cathericidin 和temporinSHd 也顯示出對寄生蟲的高抑制活性[22]?？拱┗钚缘腁MPs 是一類具有抗癌活性的肽分子。抗菌肽Trirpthicin 及其類似物在體外對Jurkat細(xì)胞有很大的毒性，抗菌肽indolicidin和puroindoline A也具有抗癌活性[23]。值得注意的是，凈電荷和疏水性在優(yōu)化抗癌肽的抗癌活性方面有重要作用，它們可以相互制約和影響，因此，實現(xiàn)凈電荷和疏水性之間的平衡對于抗菌肽發(fā)揮更好的抗癌活性至關(guān)重要。

1.4 根據(jù)特定氨基酸分類

（1）富含脯氨酸的AMPs。脯氨酸（Pro）是一種典型的非極性氨基酸，這類AMPs 對革蘭氏陰性菌有著較強的抗菌活性，其通過內(nèi)膜轉(zhuǎn)運蛋白SbmA進入細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)[24]，靶向核糖體，并在翻譯終止期間阻斷氨?；鵷RNA與肽基轉(zhuǎn)移酶中心的結(jié)合，或捕獲核糖體上的解碼釋放因子，干擾蛋白質(zhì)合成[25]。如抗菌肽Tur1A，通過與核糖體結(jié)合起到干擾蛋白質(zhì)合成的作用。（2）富含色氨酸和精氨酸的AMPs。色氨酸（Trp）是非極性氨基酸，精氨酸（Arg）是帶正電荷的極性氨基酸。Octa 2是一種典型的富含色氨酸和精氨酸的抗菌肽，可抑制革蘭氏陰性大腸桿菌、銅綠假單胞菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌[26]。（3）富含組氨酸的AMPs。組氨酸（His）是常見的堿性氨基酸，富含組氨酸的AMPs 具有良好的膜滲透活性。Dong 等[27]設(shè)計了一種富含組氨酸的抗菌肽HV2，其可以增加細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜破裂和死亡；其還可以利用濃度依賴的方式抑制細(xì)菌運動，并通過抑制腫瘤壞死因子α（TNF-α）的產(chǎn)生顯示出強烈的抗炎作用。（4）富含甘氨酸的AMPs。這類AMPs結(jié)構(gòu)中富含的甘氨酸（Gly）與其抗菌機制有關(guān)。泛素肽（Ubiquitin peptide）是一種富含甘氨酸的AMPs，其序列中甘氨酸占比達(dá)50%，研究表明，泛素肽可以快速殺死金黃色葡萄球菌等革蘭氏陽性菌[28]。

1.5 根據(jù)結(jié)構(gòu)特征分類

α-螺旋AMPs 是含量較豐富的、研究較廣泛的一類抗菌肽，分子呈α-螺旋結(jié)構(gòu)，常見的α-螺旋抗菌肽有LL-37等。β-折疊AMPs分子中通常含有二硫鍵，二硫鍵可以幫助其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，動物防御素和抗菌肽Lysozym 是典型的β-折疊AMPs[29-30]。無規(guī)則卷曲AMPs 在溶液中通常不形成典型的二級結(jié)構(gòu)。除此之外，還有一些AMPs是α-β結(jié)構(gòu)，其二級結(jié)構(gòu)中既含有α-螺旋又含有β-折疊。

2 抗菌肽的作用機制

AMPs 抗菌的作用機制可以分為膜靶向機制和非膜靶向機制兩種類型。

2.1 膜靶向機制

凈電荷和疏水性特性是AMPs 能與細(xì)菌膜結(jié)合的主要原因。帶正電荷的AMPs 可與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜發(fā)生相互作用，促使AMPs 在膜表面積聚。帶負(fù)電荷的AMPs 也可以通過與金屬離子作用而整體帶上正電荷，進而與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用[31]。膜靶向機制包括極點模型和地毯模型（carpet model）。

2.1.1 極點模型極點模型可以分為環(huán)孔模型（toroidal pore model）和桶壁模型（barrel-stave model）。在環(huán)孔模型中，AMPs 垂直進入膜，其極性面與脂膜上磷脂的極性頭部相結(jié)合，彎曲形成環(huán)孔，抗菌肽Melittin 被證明是采用該模型作用的抗菌肽[32]。桶壁模型中，AMPs 相互聚集，以多聚體的形式穿透雙層細(xì)胞膜，形成導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)流出的通道，嚴(yán)重情況下，AMPs可誘導(dǎo)細(xì)胞膜塌陷導(dǎo)致細(xì)胞死亡[33]。研究表明，牛堿性肽通過使用桶壁模型來進行其成孔活性[34]；抗菌肽Magainin 也被證明以桶壁模型發(fā)揮作用[35]。

2.1.2 地毯模型地毯模型中，AMPs可以定位在質(zhì)膜面上，破壞膜結(jié)構(gòu)。以這種模型發(fā)揮作用的AMPs分子結(jié)構(gòu)中常含有β-折疊，如抗菌肽LL-37[36]和Bactenecin[37]。這種成孔機制一般需要一定的濃度閾值和很高的AMPs濃度。

2.2 非膜靶向機制

除了典型的作用于細(xì)菌細(xì)胞膜的機制外，一些AMPs還可以通過作用細(xì)胞內(nèi)靶點來發(fā)揮殺菌作用，這種方式被稱為非膜靶向作用機制。AMPs 的非膜靶向抗菌活性由抑制細(xì)胞壁、核酸和蛋白質(zhì)合成及酶活性實現(xiàn)。在非膜靶向機制中，AMPs以直接滲透或者內(nèi)吞的方式進入細(xì)胞后，識別并作用于靶標(biāo)。根據(jù)靶標(biāo)，AMPs可分為以下類別。

2.2.1 抑制細(xì)菌細(xì)胞壁形成細(xì)胞壁是細(xì)菌維持其自身形態(tài)的重要結(jié)構(gòu)。革蘭氏陽性菌的細(xì)胞壁主要是由肽聚糖組成，革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁也含有肽聚糖。研究發(fā)現(xiàn)，從芽孢桿菌中分離出的AMP聚肽B，可以與肽聚糖的脂質(zhì)A部分結(jié)合，不僅可以增加膜通透性，還可以抑制脂質(zhì)A 與肽聚糖層的相互作用，進而抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成[38]。

2.2.2 影響蛋白質(zhì)合成和相關(guān)酶活性AMPs 通過干擾相關(guān)酶和效應(yīng)分子，進而影響轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白質(zhì)折疊。例如，從南非蝎的毒液中分離出的抗菌肽stoporin可以在不損傷細(xì)胞膜的情況下，迅速跨過細(xì)菌細(xì)胞膜，進入細(xì)胞內(nèi)與細(xì)菌rRNA 結(jié)合，抑制蛋白質(zhì)合成，這種直接作用于核酸目標(biāo)的抗菌方式比較獨特[39]；富含脯氨酸的昆蟲AMPs可以抑制胞內(nèi)酶活性，如抗菌肽Pyrrhocidin 可以結(jié)合胞內(nèi)蛋白DnaK和GroEL，抑制熱休克蛋白ATP酶活性，影響分子伴侶蛋白的折疊，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[40]。

2.2.3 抑制核酸生物合成AMPs 可以通過影響關(guān)鍵酶或誘導(dǎo)核酸分子降解方式抑制核酸生物合成。研究表明，馬鈴薯抗菌肽Snakin-2能夠快速穿透革蘭氏陰性菌的外膜，進入細(xì)胞質(zhì)后與DNA分子緊密結(jié)合，抑制DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，從而抑制核酸合成[41]；TFP1-1TC24是一種從半滑舌鯤中分離出的AMPs，在細(xì)胞膜破裂后進入靶細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，可以降解DNA和RNA[42]。

3 抗菌肽的應(yīng)用

由于肽類抗菌產(chǎn)品受到了廣泛關(guān)注，AMPs在醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域也逐漸得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 醫(yī)藥領(lǐng)域

AMPs 是應(yīng)對多重耐藥細(xì)菌挑戰(zhàn)較有潛力的后續(xù)藥物，既可以單獨使用，也可以與抗生素、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)[43]。目前已有部分AMPs 處于臨床前階段或臨床試驗階段，如奧米加南（Omiganan）和喹紅霉素（Cethromycin）等?？咕腖TX-109被證實可用于治療細(xì)菌感染、皮膚和肌肉骨骼疾病及呼吸系統(tǒng)疾病，是一種改造后的腫瘤壞死因子α 與β 抗菌肽的融合物，在治療支氣管擴張性疾病方面，已完成I 期臨床研究[44]；抗菌肽hLF1-11是一種具有廣譜抗菌和抗真菌活性的抗菌肽，被開發(fā)用于治療免疫受損的干細(xì)胞移植受體患者的細(xì)菌和真菌感染[45]；DPK-060 是一種合成抗菌肽，來源于人蛋白激肽原，其對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有廣譜抗菌活性，還具有抗炎活性，在特應(yīng)性皮炎（AD）患者的II期臨床試驗中表現(xiàn)出積極效果[46]。

AMPs在治療口腔疾病、外科感染等方面前景廣闊。齲齒、牙髓病和牙周病是人類口腔中的常見疾病。一些產(chǎn)酸細(xì)菌是與齲齒相關(guān)的主要病原體[47]?？咕腃SA-13 對致齲菌和牙周病細(xì)菌具有廣譜抗菌活性，其對蛋白酶陽性卟啉單胞菌也有效果，即CSA-13 有助于預(yù)防和治療口腔微生物疾病[48]。還有幾種AMPs 具有良好的應(yīng)用潛力，如組氨酸富含肽（Histatin）可有效控制牙菌斑和齲齒病原菌的生長，被應(yīng)用于口腔健康產(chǎn)品中。

人類皮膚和皮膚結(jié)構(gòu)是細(xì)菌感染最常見的部位之一[49]，傷口感染嚴(yán)重時會危害生命，由非洲爪蟾產(chǎn)生的天然看守抗菌肽Pexiganan 是第一個被評估用于治療人類傷口感染的AMPs[50]。目前，還有一些AMPs 顯示出這類疾病的治療潛力，如LL-37[51]和tylotoin[52]。

3.2 食品加工領(lǐng)域

傳統(tǒng)的食品防腐劑多為化學(xué)合成，使用這些食品防腐劑對人體存在潛在危害。因此，使用天然防腐劑正被越來越多的人提倡。AMPs 對食物中常見的細(xì)菌和真菌有很好的抑制作用，使AMPs 類天然防腐劑成為食品保鮮領(lǐng)域的研究熱點。

乳酸鏈球菌肽等巴氏桿菌產(chǎn)生的AMPs 被廣泛應(yīng)用于乳制品的生產(chǎn)，通過抑制乳糜瀉沙門氏菌等病原菌污染，達(dá)到食品保鮮的作用[53]，其被美國食品和藥物管理局（FDA）歸類為公認(rèn)安全，并用作食品防腐劑[54]。從牛奶中提取的乳鐵蛋白，是一種結(jié)合鐵元素的防御蛋白，具有很高的抑菌活性，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)乳鐵蛋白抗菌肽B處理過的牛肉中，大腸桿菌的數(shù)量大幅度減少[55]。腸毒素AS-48是一種用于保存蘋果酒、水果和蔬菜汁的AMPs，腸毒素CCM 4231可用于保存豆?jié){[56]。

3.3 植物抗病領(lǐng)域

在農(nóng)業(yè)中，AMPs作為一種新型的抗菌藥物被廣泛應(yīng)用于植物抗病等方面，表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。植物病原感染嚴(yán)重時會造成經(jīng)濟損失，例如，玉米和花生的黃曲霉毒素感染、指狀青霉引起的柑橘綠霉菌、草莓灰葡萄孢引起的灰霉菌病以及柑橘果實的黃曲霉毒素感染等，對農(nóng)產(chǎn)品的生長和采后食品安全產(chǎn)生了較大危害[57]。轉(zhuǎn)基因作物可抵抗不同病原菌的侵害，進而減少化學(xué)殺蟲劑類藥物的使用量，例如將天蠶素B的基因轉(zhuǎn)入柑橘中，可降低其對黃龍病的易感性[58]。

4 結(jié)語

AMPs 獨特的抗菌機制使其成為對抗耐藥細(xì)菌的有力武器，其作為抗生素的潛在替代品具有較高的研究價值。AMPs在醫(yī)藥、食品保鮮和植物抗病等領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文對抗菌肽的分類、作用機制以及應(yīng)用情況等進行介紹，了解了AMPs 領(lǐng)域的最新研究進展和應(yīng)用。目前AMPs 的研究熱點主要包括深入揭示其多樣的作用機制、開發(fā)高效低毒的抗菌肽類藥物、建立經(jīng)濟的制備方法以及AMPs 的臨床應(yīng)用等。計算機模擬和細(xì)胞膜模型為解析AMPs 復(fù)雜的作用機制提供了有力工具，這對闡明AMPs 抗菌機制意義重大。越來越多的動物試驗和臨床試驗為開發(fā)高效低毒的AMPs 藥物以及推進AMPs 的臨床應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。除此之外，AMPs 與其他物質(zhì)聯(lián)合使用，提高抗菌效果、降低使用成本也是值得探索的方向，這些研究對推動AMPs的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用意義重大。