目前, 所有的常规抗生素都出现了相应的抗药性致病菌株, 病原菌的抗药性问题已经日益严重地威胁着人们的健康。开发全新类型的抗生素是解决抗药性问题的一条有效途径。抗菌肽具有广谱抗菌性、抗菌活性高、种类多等优点, 成为传统抗生素的理想替代药物。抗菌肽的来源非常广泛, 如植物、动物、微生物等; 不同抗菌肽的作用机制及其研究方法也有显著的差异。本文就抗菌肽的制备、抗菌机制和研究抗菌机制的方法做一概述。
引用本文: 李燕, 王嘉榕, 孙红宾. 抗菌肽的制备和抗菌机制研究进展. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(2): 465-469. doi: 10.7507/1001-5515.20150084 复制
引言
目前,抗生素滥用导致病原菌产生耐药性是困扰许多国家的一个难题,寻找新型抗生素替代品迫在眉睫。抗菌肽因其优良的抗菌特性减少了传染病的发病率,成为抗生素的理想替代品[1]。抗菌肽是一类具有抗菌作用的小分子多肽,一般由12~50个氨基酸组成。目前已从自然界发现了两千多种抗菌肽。抗菌肽具有广谱抗菌性,可杀死革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌等。根据抗菌肽的氨基酸组成和结构特征可分为四类:α-螺旋结构的抗菌肽(amphipathicα-helical peptide)、β-折叠型的抗菌肽(β-sheet peptide stabilized)、具有环链结构的抗菌肽(peptide with loop structures)和伸展性螺旋结构的抗菌肽。
抗菌肽是宿主免疫的重要组成部分,是抵御细菌感染的第一道防线,它一般是杀菌而不是抑菌,而抗生素一般是抑菌而不是杀菌[2]。目前有些抗菌肽用来治疗革兰氏阳性菌引起的感染已经进入临床二期实验[3],相比于传统抗生素,细菌对抗菌肽不易产生抗性。抗菌肽作为抗菌药物具有无毒副作用、无残留、无污染等优点[4],目前关于抗菌肽的制备和抗菌机理研究已广泛展开。
1 抗菌肽的制备
获得抗菌肽的方法有四种[5]:从生物体内提取内源性抗菌肽;采用化学合成法合成已知序列的抗菌肽;通过基因工程的办法获得抗菌肽;酶解法获得抗菌肽。
1.1 天然抗菌肽
抗菌肽存在于天然生物中,但在天然生物组织中的含量很低,难以提取足够的天然肽进行结构鉴定、生物学分析和临床研究是获得天然抗菌肽的一大障碍[5]。依据从天然生物中提取抗菌肽的工序:浸提、吸附、洗脱、盐析、凝胶过滤、离子交换层析和反相层析,每一步纯化,样品都会至少损失10%,因此从天然生物组织中提取抗菌肽存在得率低,成本高的缺点,利用这种方法进行大规模生产受到限制。同时,在提取抗菌肽的过程中,需要利用大量的强酸、强碱和有机试剂,会对环境造成污染。虽然目前研究人员相继从细菌、真菌、植物、昆虫、两栖动物和人体中发现并分离了2 000多种抗菌肽,但想满足行业和消费者需要,还需进一步发现抗菌肽含量丰富的天然生物组织来源和改进分离纯化方法。
1.2 化学合成法
化学合成抗菌肽,需要已知抗菌肽序列,通过人工的方式把氨基酸残基连接起来,从而进行抗菌效果的研究,研究人员往往通过对抗菌肽的某些氨基酸进行删减替换或者片段的拼接修改来获得高杀菌效果的抗菌肽[6]。但是由于化学合成抗菌肽对合成肽的长度有限制,而且也涉及到大量有机溶剂的使用,所以利用化学合成法合成抗菌肽进行产业化非常困难。
1.3 基因工程法
基因工程法获得抗菌肽是从生物的基因组中分离出抗菌肽的目的基因,通过对这段基因的克隆,把它连接到特定的载体上,然后转化到受体细胞中,通过细胞表达从而获得目的抗菌肽。Xie等[7]通过基因工程法获得了抗菌肽OG2。Yang等[8]将抗菌肽cecropin AD(cecropin AD, CAD)与阳离子类弹性蛋白(cationic elastin-like polypeptides, CELP)融合表达,获得了抗菌肽CAD。基因工程法可以获得大量的抗菌肽且成本低,但是基因工程法获得的抗菌肽的二三级结构可能和天然抗菌肽不太一致,其抑菌活力和天然抗菌肽存在差异。而且有些抗菌肽会导致受体细胞的自杀行为,所以在实际操作中也存在一定的难题。
1.4 酶解法
酶解法是通过食品级酶对某些利用率或生物效价不高的农副产品的蛋白质进行水解获得抗菌肽。利用蛋白水解法获得抗菌肽,不仅水解条件易于控制,而且环保,大量研究表明,采用酶解技术水解农副产品和水产品等废弃物获得抗菌肽是大批量生产抗菌肽最有前途的方法。而且这种方法在制备抗菌肽中得到了广泛应用。但是蛋白水解法也存在一定的局限性,如蛋白酶本身的水解效率,蛋白酶解过程中的副产物等都会使得纯化得到目的抗菌肽的分离效率降低。袁永俊等[9]利用胃蛋白酶水解酪蛋白制备酪蛋白源抗菌肽。
综上所述,不管是从天然生物组织中提取抗菌肽,还是通过生物或化学的方法制备抗菌肽,都存在不足(见表 1),限制了抗菌肽行业的发展,因此,绿色、高效、高通量的抗菌肽制备方法的发现和建立,是抗菌肽生产规模扩大,成本降低的关键。

2 抗菌肽的抗菌机制
迄今为止,在抗菌机制模型中,有些模型提出抗菌肽插入膜提高了双层膜的通透性[10],随后有些机制侧重在生物膜磷脂分子的固有特征和动态性质,特别是抗菌肽的插入导致膜缺损,使得抗菌肽可以和内部的分子作用[11-13]。不同抗菌肽的分子作用机制不同,还没有涵盖所有抗菌肽作用机理的理论。目前存在的作用机理有以下几种[14]:破环细胞膜,抑制细胞呼吸,抑制细胞壁形成等(见表 2),理解抗菌肽的分子作用机制对开发新的药物非常重要[15]。

2.1 破坏细胞膜
目前发现,破坏细胞膜的抗菌肽作用机制有桶-板、地毯、环形孔三种模型[16]。三种模型都是使膜形成孔洞,从而杀死细胞,都存在抗菌肽与膜通过静电和疏水作用结合的过程。
Cho等[17]阐明抗菌肽Alamethicin聚集插入细胞膜中,形成桶-板孔洞,杀死细菌;Magainin具有双亲结构,通过环形孔模型机制作用于细胞膜[18];Dermaseptin S像地毯一样聚集在细胞膜表面,从而引起细胞膜损伤,杀死细胞[19]。
2.2 抑制细胞呼吸
有些抗菌肽不是通过改变细胞膜通透性来抑杀细菌,而是通过作用于线粒体达到杀菌目的。Bobek等[20]将人唾液抗菌肽MUC7与临床常见的细菌及真菌作用,检测到线粒体肿胀、破裂,有内容物溢出。
Hwang等[21]发现抗菌肽Psacotheasin能够诱导线粒体膜孔洞形成从而使得线粒体内部的凋亡分子释放到细胞质内。
2.3 抑制细胞壁的形成
从麻蝇体内获得的麻蝇毒素Ⅱ,分子量30 kd,比一般的抗菌肽都大,对少数革兰氏阳性菌有杀菌作用,对它作用机制的研究表明,它能抑制革兰氏阳性菌细胞壁的形成,从而使细菌不能正常生长而死亡。人的抗菌肽β-defensin-3,能够通过抑制细菌形成细胞壁,引起细菌细胞形态异常,生长受限,从而促使细胞死亡[22]。
2.4 作用非膜性的外部靶点
研究表明,表皮葡萄球菌S.epidermidis 5产生的Pep和乳酸链球菌Streptococcus lactis产生的nisin可以激活细胞壁中的自溶素。attacin通过干扰大肠杆菌细胞外膜蛋白的转录从而导致细胞膜的通透性增加,抑制细菌的生长[23]。
2.5 作用胞内生物大分子
有些抗菌肽通过作用于胞内的核酸或蛋白从而影响胞内蛋白的结构和功能,最终杀死细菌[17]。而有些抗菌肽可以作用于细菌内的内共生体,通过抑制细胞分裂调节他们的生长[24]。
3 研究方法
目前已有很多实验方法用来研究抗菌肽对细菌的作用。大部分研究抗菌肽作用机理的体外实验重点放在这些抗菌肽和膜体系的作用。
示差扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)是直接测定抗菌肽和膜作用的一种方法。把抗菌肽和膜两种组分溶解到一种有机溶剂中,待有机溶剂蒸发,留下抗菌肽和磷脂的一层膜,膜用溶液溶掉形成液体的抗菌肽和膜的悬浊液。肽脂悬浊液的类型决定于膜的种类,这种技术一般都是形成多层囊泡,于是DSC可以用来确定抗菌肽更倾向于与哪种磷脂结合,而且还可以确定抗菌肽在片层到非片层转换的相变温度。这直接关联到抗菌肽对膜稳定性和非稳定性的影响[25]。DSC在磷脂相变焓变化大的体系中起作用。当抗菌肽并没有诱导非层状相变的情况下,焓的变化非常小,DSC虽然灵敏度非常高,但还是检测不到焓的变化。在这种情况下,核磁共振光谱和X射线衍射常用来检测抗菌肽引起的拓扑结构变化。
由于抗菌肽非常小,可以用核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)光谱来确定它们在表面活性剂胶团中的液体结构[26]。最近研究发展了NMR实验用来测定抗菌肽在磷脂双分子层中的特征[27]。例如以31P NMR实验来研究抗菌肽和膜的相互作用,31P实验直接用来检测磷脂分子中磷原子在结合抗菌肽的变化。纯磷脂的31P NMR光谱是一个各向异性的信号,当抗菌肽加入后会引起磷脂状态的变化,从而出现另外的一个31P NMR光谱信号。新信号的产生可能是形成了小的单分子囊泡或胶团,或者产生一种新的立体脂质体。通过测定31P NMR光谱信号表明抗菌肽P5促进了微孔膜头部的无序化[28]。
X-衍射是研究磷脂双分子层形态变化的另一种技术。当抗菌肽作用于立体脂质体时会引起空间结构的变化,X-射线衍射方法可用来研究立体脂质相的三维结构变化,以其研究抗菌肽作用生物膜立体结构的细节,是一强大的工具[29]。
流式细胞仪(fluorescence-activated cell sorting, FACS)分析法是基于正常细菌的胞膜完整,对荧光分子(propidium iodide, PI)不通透,因此只有细菌死亡或凋亡,生物膜的完整性被破坏后,PI才可以和细胞内的核酸结合的原理,通过流式细胞仪计算死亡细菌的比例[30]。抗菌肽可以使细胞膜损坏,影响膜的结构和功能的完整性[31],因此基于细胞形态学和膜的功能改变可以通过流式细胞技术测定[30], Philips等利用流式细胞技术把酵母染色,发现经抗菌肽处理后,与未经抗菌肽处理的细胞相比荧光强度增加。意味着一些抗菌肽除了对膜有作用外,还可以诱导酵母的程序性凋亡。
荧光泄漏实验是选取不同的磷脂分别代表细菌细胞和动物细胞来构建脂质体,脂质体中包裹着荧光分子,如果抗菌肽可以在膜上打孔,荧光分子就会泄漏出来,通过荧光分析仪测荧光强度,就可以推断抗菌肽与膜的相互作用。Evan等[32]发现抗菌肽LFchimera可以引起荧光分子的泄漏,推断它可以在膜上打孔,扰乱细胞膜。
透射电镜实验是用透射电镜观察抗菌肽处理和未处理的细菌的细胞膜形态,如果抗菌肽与膜有作用,会导致细胞膜不完整,细胞质内容物有泄漏,如果无作用,就观察不到这样的结果。郝刚等[33]利用透射电镜观测到抗菌肽BF2-B能使胞质内容物轻微泄漏,对膜的扰动较大。
4 展望
由于多耐药病原菌的出现,发展治疗传染病新药就成为必要。抗菌肽非常有希望替代传统抗生素。阐明它们的来源和分子作用机制对其在临床的应用尤为重要。在过去很多年,虽然对抗菌肽的获得和分子机制进行了广泛研究,表 2也总结了前人关于抗菌肽作用机理的研究结果,但是获得有活性的抗菌肽且了解具体的分子机理还是困难重重。要实现抗菌肽的商品化应用,还需要进行大量的基础性工作。
引言
目前,抗生素滥用导致病原菌产生耐药性是困扰许多国家的一个难题,寻找新型抗生素替代品迫在眉睫。抗菌肽因其优良的抗菌特性减少了传染病的发病率,成为抗生素的理想替代品[1]。抗菌肽是一类具有抗菌作用的小分子多肽,一般由12~50个氨基酸组成。目前已从自然界发现了两千多种抗菌肽。抗菌肽具有广谱抗菌性,可杀死革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌等。根据抗菌肽的氨基酸组成和结构特征可分为四类:α-螺旋结构的抗菌肽(amphipathicα-helical peptide)、β-折叠型的抗菌肽(β-sheet peptide stabilized)、具有环链结构的抗菌肽(peptide with loop structures)和伸展性螺旋结构的抗菌肽。
抗菌肽是宿主免疫的重要组成部分,是抵御细菌感染的第一道防线,它一般是杀菌而不是抑菌,而抗生素一般是抑菌而不是杀菌[2]。目前有些抗菌肽用来治疗革兰氏阳性菌引起的感染已经进入临床二期实验[3],相比于传统抗生素,细菌对抗菌肽不易产生抗性。抗菌肽作为抗菌药物具有无毒副作用、无残留、无污染等优点[4],目前关于抗菌肽的制备和抗菌机理研究已广泛展开。
1 抗菌肽的制备
获得抗菌肽的方法有四种[5]:从生物体内提取内源性抗菌肽;采用化学合成法合成已知序列的抗菌肽;通过基因工程的办法获得抗菌肽;酶解法获得抗菌肽。
1.1 天然抗菌肽
抗菌肽存在于天然生物中,但在天然生物组织中的含量很低,难以提取足够的天然肽进行结构鉴定、生物学分析和临床研究是获得天然抗菌肽的一大障碍[5]。依据从天然生物中提取抗菌肽的工序:浸提、吸附、洗脱、盐析、凝胶过滤、离子交换层析和反相层析,每一步纯化,样品都会至少损失10%,因此从天然生物组织中提取抗菌肽存在得率低,成本高的缺点,利用这种方法进行大规模生产受到限制。同时,在提取抗菌肽的过程中,需要利用大量的强酸、强碱和有机试剂,会对环境造成污染。虽然目前研究人员相继从细菌、真菌、植物、昆虫、两栖动物和人体中发现并分离了2 000多种抗菌肽,但想满足行业和消费者需要,还需进一步发现抗菌肽含量丰富的天然生物组织来源和改进分离纯化方法。
1.2 化学合成法
化学合成抗菌肽,需要已知抗菌肽序列,通过人工的方式把氨基酸残基连接起来,从而进行抗菌效果的研究,研究人员往往通过对抗菌肽的某些氨基酸进行删减替换或者片段的拼接修改来获得高杀菌效果的抗菌肽[6]。但是由于化学合成抗菌肽对合成肽的长度有限制,而且也涉及到大量有机溶剂的使用,所以利用化学合成法合成抗菌肽进行产业化非常困难。
1.3 基因工程法
基因工程法获得抗菌肽是从生物的基因组中分离出抗菌肽的目的基因,通过对这段基因的克隆,把它连接到特定的载体上,然后转化到受体细胞中,通过细胞表达从而获得目的抗菌肽。Xie等[7]通过基因工程法获得了抗菌肽OG2。Yang等[8]将抗菌肽cecropin AD(cecropin AD, CAD)与阳离子类弹性蛋白(cationic elastin-like polypeptides, CELP)融合表达,获得了抗菌肽CAD。基因工程法可以获得大量的抗菌肽且成本低,但是基因工程法获得的抗菌肽的二三级结构可能和天然抗菌肽不太一致,其抑菌活力和天然抗菌肽存在差异。而且有些抗菌肽会导致受体细胞的自杀行为,所以在实际操作中也存在一定的难题。
1.4 酶解法
酶解法是通过食品级酶对某些利用率或生物效价不高的农副产品的蛋白质进行水解获得抗菌肽。利用蛋白水解法获得抗菌肽,不仅水解条件易于控制,而且环保,大量研究表明,采用酶解技术水解农副产品和水产品等废弃物获得抗菌肽是大批量生产抗菌肽最有前途的方法。而且这种方法在制备抗菌肽中得到了广泛应用。但是蛋白水解法也存在一定的局限性,如蛋白酶本身的水解效率,蛋白酶解过程中的副产物等都会使得纯化得到目的抗菌肽的分离效率降低。袁永俊等[9]利用胃蛋白酶水解酪蛋白制备酪蛋白源抗菌肽。
综上所述,不管是从天然生物组织中提取抗菌肽,还是通过生物或化学的方法制备抗菌肽,都存在不足(见表 1),限制了抗菌肽行业的发展,因此,绿色、高效、高通量的抗菌肽制备方法的发现和建立,是抗菌肽生产规模扩大,成本降低的关键。

2 抗菌肽的抗菌机制
迄今为止,在抗菌机制模型中,有些模型提出抗菌肽插入膜提高了双层膜的通透性[10],随后有些机制侧重在生物膜磷脂分子的固有特征和动态性质,特别是抗菌肽的插入导致膜缺损,使得抗菌肽可以和内部的分子作用[11-13]。不同抗菌肽的分子作用机制不同,还没有涵盖所有抗菌肽作用机理的理论。目前存在的作用机理有以下几种[14]:破环细胞膜,抑制细胞呼吸,抑制细胞壁形成等(见表 2),理解抗菌肽的分子作用机制对开发新的药物非常重要[15]。

2.1 破坏细胞膜
目前发现,破坏细胞膜的抗菌肽作用机制有桶-板、地毯、环形孔三种模型[16]。三种模型都是使膜形成孔洞,从而杀死细胞,都存在抗菌肽与膜通过静电和疏水作用结合的过程。
Cho等[17]阐明抗菌肽Alamethicin聚集插入细胞膜中,形成桶-板孔洞,杀死细菌;Magainin具有双亲结构,通过环形孔模型机制作用于细胞膜[18];Dermaseptin S像地毯一样聚集在细胞膜表面,从而引起细胞膜损伤,杀死细胞[19]。
2.2 抑制细胞呼吸
有些抗菌肽不是通过改变细胞膜通透性来抑杀细菌,而是通过作用于线粒体达到杀菌目的。Bobek等[20]将人唾液抗菌肽MUC7与临床常见的细菌及真菌作用,检测到线粒体肿胀、破裂,有内容物溢出。
Hwang等[21]发现抗菌肽Psacotheasin能够诱导线粒体膜孔洞形成从而使得线粒体内部的凋亡分子释放到细胞质内。
2.3 抑制细胞壁的形成
从麻蝇体内获得的麻蝇毒素Ⅱ,分子量30 kd,比一般的抗菌肽都大,对少数革兰氏阳性菌有杀菌作用,对它作用机制的研究表明,它能抑制革兰氏阳性菌细胞壁的形成,从而使细菌不能正常生长而死亡。人的抗菌肽β-defensin-3,能够通过抑制细菌形成细胞壁,引起细菌细胞形态异常,生长受限,从而促使细胞死亡[22]。
2.4 作用非膜性的外部靶点
研究表明,表皮葡萄球菌S.epidermidis 5产生的Pep和乳酸链球菌Streptococcus lactis产生的nisin可以激活细胞壁中的自溶素。attacin通过干扰大肠杆菌细胞外膜蛋白的转录从而导致细胞膜的通透性增加,抑制细菌的生长[23]。
2.5 作用胞内生物大分子
有些抗菌肽通过作用于胞内的核酸或蛋白从而影响胞内蛋白的结构和功能,最终杀死细菌[17]。而有些抗菌肽可以作用于细菌内的内共生体,通过抑制细胞分裂调节他们的生长[24]。
3 研究方法
目前已有很多实验方法用来研究抗菌肽对细菌的作用。大部分研究抗菌肽作用机理的体外实验重点放在这些抗菌肽和膜体系的作用。
示差扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)是直接测定抗菌肽和膜作用的一种方法。把抗菌肽和膜两种组分溶解到一种有机溶剂中,待有机溶剂蒸发,留下抗菌肽和磷脂的一层膜,膜用溶液溶掉形成液体的抗菌肽和膜的悬浊液。肽脂悬浊液的类型决定于膜的种类,这种技术一般都是形成多层囊泡,于是DSC可以用来确定抗菌肽更倾向于与哪种磷脂结合,而且还可以确定抗菌肽在片层到非片层转换的相变温度。这直接关联到抗菌肽对膜稳定性和非稳定性的影响[25]。DSC在磷脂相变焓变化大的体系中起作用。当抗菌肽并没有诱导非层状相变的情况下,焓的变化非常小,DSC虽然灵敏度非常高,但还是检测不到焓的变化。在这种情况下,核磁共振光谱和X射线衍射常用来检测抗菌肽引起的拓扑结构变化。
由于抗菌肽非常小,可以用核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)光谱来确定它们在表面活性剂胶团中的液体结构[26]。最近研究发展了NMR实验用来测定抗菌肽在磷脂双分子层中的特征[27]。例如以31P NMR实验来研究抗菌肽和膜的相互作用,31P实验直接用来检测磷脂分子中磷原子在结合抗菌肽的变化。纯磷脂的31P NMR光谱是一个各向异性的信号,当抗菌肽加入后会引起磷脂状态的变化,从而出现另外的一个31P NMR光谱信号。新信号的产生可能是形成了小的单分子囊泡或胶团,或者产生一种新的立体脂质体。通过测定31P NMR光谱信号表明抗菌肽P5促进了微孔膜头部的无序化[28]。
X-衍射是研究磷脂双分子层形态变化的另一种技术。当抗菌肽作用于立体脂质体时会引起空间结构的变化,X-射线衍射方法可用来研究立体脂质相的三维结构变化,以其研究抗菌肽作用生物膜立体结构的细节,是一强大的工具[29]。
流式细胞仪(fluorescence-activated cell sorting, FACS)分析法是基于正常细菌的胞膜完整,对荧光分子(propidium iodide, PI)不通透,因此只有细菌死亡或凋亡,生物膜的完整性被破坏后,PI才可以和细胞内的核酸结合的原理,通过流式细胞仪计算死亡细菌的比例[30]。抗菌肽可以使细胞膜损坏,影响膜的结构和功能的完整性[31],因此基于细胞形态学和膜的功能改变可以通过流式细胞技术测定[30], Philips等利用流式细胞技术把酵母染色,发现经抗菌肽处理后,与未经抗菌肽处理的细胞相比荧光强度增加。意味着一些抗菌肽除了对膜有作用外,还可以诱导酵母的程序性凋亡。
荧光泄漏实验是选取不同的磷脂分别代表细菌细胞和动物细胞来构建脂质体,脂质体中包裹着荧光分子,如果抗菌肽可以在膜上打孔,荧光分子就会泄漏出来,通过荧光分析仪测荧光强度,就可以推断抗菌肽与膜的相互作用。Evan等[32]发现抗菌肽LFchimera可以引起荧光分子的泄漏,推断它可以在膜上打孔,扰乱细胞膜。
透射电镜实验是用透射电镜观察抗菌肽处理和未处理的细菌的细胞膜形态,如果抗菌肽与膜有作用,会导致细胞膜不完整,细胞质内容物有泄漏,如果无作用,就观察不到这样的结果。郝刚等[33]利用透射电镜观测到抗菌肽BF2-B能使胞质内容物轻微泄漏,对膜的扰动较大。
4 展望
由于多耐药病原菌的出现,发展治疗传染病新药就成为必要。抗菌肽非常有希望替代传统抗生素。阐明它们的来源和分子作用机制对其在临床的应用尤为重要。在过去很多年,虽然对抗菌肽的获得和分子机制进行了广泛研究,表 2也总结了前人关于抗菌肽作用机理的研究结果,但是获得有活性的抗菌肽且了解具体的分子机理还是困难重重。要实现抗菌肽的商品化应用,还需要进行大量的基础性工作。