摘 要: 在過(guò)去的幾十年中, 抗生素藥物的過(guò)量使用導(dǎo)致耐藥性(antimicrobial resistance, AMR)的產(chǎn)生, 這促使人們開(kāi)始尋找傳統(tǒng)抗生素的潛在替代品, 從而降低 AMR 的發(fā)生率。目前, 研究人員開(kāi)始持續(xù)關(guān)注具有廣譜抗菌活性的抗菌肽(antimicrobial peptides , AMPs)。AMPs 是一種能夠抑制細(xì)菌、真菌、病毒、寄生蟲(chóng)、腫瘤細(xì)胞等的小分子多肽, 是不同生物體先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分, 是宿主抵御病原體的第一道防線, 具有快速殺傷活性、低毒性和細(xì)胞選擇性等優(yōu)點(diǎn), 在醫(yī)藥、食品、畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景。本文概述了 AMR 的發(fā)展、來(lái)源、結(jié)構(gòu)、生物活性和作用機(jī)制, 并討論了 AMPs 轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn), 旨在總結(jié) AMPs 結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的最新研究進(jìn)展, 并提供其微生物活性的詳細(xì)證據(jù), 為人們進(jìn)一步深入研究 AMPs 的抗微生物作用機(jī)制提供借鑒與參考。
英國(guó)細(xì)菌學(xué)家亞歷山大ꞏ弗萊明在 1928 意外發(fā)現(xiàn)了 青霉素, 這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進(jìn)入抗生素療法的新 紀(jì)元[1] 。青霉素的發(fā)現(xiàn)不僅激發(fā)了各種新抗生素的開(kāi)發(fā), 而且改變了整個(gè)藥物的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。最常用的抗菌藥物包括 氨基糖苷類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類(均來(lái)自放線菌)、碳 青霉烯類、青霉素類、頭孢菌素類(均來(lái)源于真菌)、磺胺 類和氟喹諾酮類(均為合成藥物)[2]�？股貙�(duì)抗細(xì)菌的作用 機(jī)制主要包括抑制細(xì)胞壁合成(如 阝-內(nèi)酰胺類)、蛋白質(zhì)合 成(如大環(huán)內(nèi)酯類和四環(huán)素類)、核酸合成(如喹諾酮類)及細(xì) 胞膜損傷(如多粘菌素)等[3]。然而, 人們過(guò)度依賴抗生素是 有代價(jià)的。青霉素的不當(dāng)使用及在治療劑量不足的情況下 容易獲得耐藥性。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO) 的報(bào)告顯示 , 全世 界的抗微生 物藥物耐藥 性 (antimicrobial resistance, AMR)正在不斷上升。導(dǎo)致抗生素 耐藥性細(xì)菌全球傳播的最主要原因包括抗生素的濫用和市 場(chǎng)上缺乏有效的抗生素產(chǎn)品[4‒5] 。AMR 顯著影響抗菌藥物 的療效, 它可降低治療效果并延長(zhǎng)患者的感染時(shí)間進(jìn)而引 發(fā)較高的死亡率。如果不制定適當(dāng)?shù)挠?jì)劃來(lái)克服危機(jī), 抗 微生物藥物耐藥性和相關(guān)感染將構(gòu)成更嚴(yán)重的健康和經(jīng)濟(jì) 負(fù)擔(dān)。因此, 需要人們開(kāi)展更多相關(guān)研究, 尋找并設(shè)計(jì)更 有效的替代抗生素的治療方法, 以解決耐藥性問(wèn)題[6] 。這 迫使人們認(rèn)識(shí)到需要尋找到新的抗微生物藥物。而具有較 強(qiáng)抗菌活性的抗菌肽(antimicrobial peptides, AMPs)將非常 有希望成為對(duì)抗耐藥病原體的治療選擇。廣泛存在于生物 體內(nèi)的 AMPs 也被稱為宿主防御肽或先天防御調(diào)節(jié)肽, 是 微生物促進(jìn)免疫應(yīng)答的非特異性靶標(biāo)成分, 是抵御入侵病 原體的一線防御機(jī)制[7‒12] 。研究顯示, 從蜱蟲(chóng)中分離出的 一種被稱作 persulcatusin 的抗菌肽對(duì)耐甲氧西林金黃色葡 萄球菌(methicillinresistant Staphylococcus aureus,MRSA) 和耐萬(wàn)古霉素金黃色葡萄桿菌 (vancomycinresistant S. aureus)均具有較好的抗菌作用[13] 。此外, 還有研究人員 證明 protegrin 1 和 hBD-3 這兩種 AMPs 和細(xì)胞內(nèi)活性抗 生素( 如慶大霉素、利福霉素) 對(duì) MRSA 、黃體微球菌 (Micrococcus luteus)、鮑曼不動(dòng)桿菌(Acinetobacter baumannii)、 肺炎克雷伯桿菌(Klebsiella pneumonia)、銅綠假單胞菌 (Pseudomonas aeruginosa)和大腸桿菌(Escherichia coli)均 顯示出協(xié)同抗菌作用, 值得注意的是, 它們很少會(huì)對(duì)正常 真核細(xì)胞表現(xiàn)出協(xié)同細(xì)胞毒性作用[14]。目前, 關(guān)于 AMPs 的研究正在不斷發(fā)展和完善。2023 年 1 月更新的抗菌肽數(shù) 據(jù)庫(kù)(Antimicrobial Peptide Database, APD3)中共記錄了 3569 種 AMPs。然而, 對(duì)于 AMPs 的作用機(jī)制尚不完全清楚, 仍需要進(jìn)一步深入研究以確定 AMPs 的理化性質(zhì)、生 物活性與空間結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系, 從而獲得具有顯著抗菌效 果、低成本和安全性較高的 AMPs。本文系統(tǒng)地總結(jié)了 AMR 的發(fā)展和 AMPs 結(jié)構(gòu)、抗菌活性的和作用機(jī)制的最 新研究進(jìn)展, 以及 AMPs 轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用所存在的一些挑 戰(zhàn), 擬為人們探尋新的AMPs, 以及更深入探究AMPs 的與 各種病原體微生物的相互作用機(jī)制提供一定的參考。
1 抗菌肽的來(lái)源和結(jié)構(gòu)
AMPs 是生物體內(nèi)廣泛存在的小分子蛋白質(zhì), 是大多 數(shù)生物(包括動(dòng)物、人類、昆蟲(chóng)、魚(yú)類和植物)發(fā)生宿主免 疫防御的關(guān)鍵物質(zhì)[15]。AMPs 是短鏈氨基酸, 通常由 10~60 個(gè)氨基酸組成, 具有兩親性、帶正電的特征[16] 。這一特性 使得 AMPs 很容易被整合到細(xì)胞膜中或通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì) 胞質(zhì), 進(jìn)而表現(xiàn)出良好的抵抗外來(lái)病原體活性[17]。
1.1 抗菌肽的來(lái)源
抗菌肽的來(lái)源如圖1所示, 主要是通過(guò)一系列提取和 純化過(guò)程從自然生物(如植物、青蛙、昆蟲(chóng)、真菌、細(xì)菌和其他生物等)中獲得。在自然生物來(lái)源的AMPs中, 兩棲動(dòng) 物、昆蟲(chóng)、哺乳動(dòng)物和魚(yú)類在內(nèi)的物種來(lái)源AMPs 占總 AMPs 的75.65%, 而其余的主要來(lái)源于植物和細(xì)菌, 分別 占總AMPs的13.5%和8.53%[18]。除自然生物之外, 研究 者還可以借助計(jì)算機(jī)生物信息預(yù)測(cè)等相關(guān)軟件輔助技術(shù), 設(shè)計(jì)和優(yōu)化抗菌蛋白編碼序列, 獲得一系列改良的AMPs。近年來(lái), 基于來(lái)自宿主生物中天然來(lái)源的AMP 基因的表 達(dá)的AMP 的重組生產(chǎn)已成為一種更有吸引力的方法。此 外, 在重組生產(chǎn)中, 可以通過(guò)對(duì)肽序列進(jìn)行修飾或生產(chǎn)用 于特定目的完全合成的類似肽[19‒20]。
1.1.1 哺乳動(dòng)物
哺乳動(dòng)物來(lái)源的AMPs種類豐富, 主要來(lái)源于皮膚、 腸道、血液、唾液和牛奶。目前, 一些哺乳動(dòng)物的AMPs已經(jīng)被充分的研究和表征, 其中大多數(shù)具有抗多種病原體 的活性。哺乳動(dòng)物 AMPs 可分為組織蛋白酶(cathelicidins) 和防御素(defensins)兩大類[21] 。來(lái)源于哺乳動(dòng)物AMPs大多數(shù)包括吲哚菌素 (indolicidin) 、牛銀屑素 (bovine psoriasin)、牛防御素1(bovine defensin1) 、防御 肽 (protegrin) 、天蠶素 (cecropin P1) 、綿羊 防御素 (ovine defensins)和乳鐵蛋白(lactoferrecin)[22]。
1.1.2 兩棲動(dòng)物
兩棲動(dòng)物的 AMPs 在保護(hù)其免受導(dǎo)致全球兩棲動(dòng)物 種群減少的病原體的侵害方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[23]。青蛙被認(rèn)為是兩棲動(dòng)物中 AMPs 的最主要來(lái)源[24]。研究人 員已從 Phyllomedusa sauvagei 青蛙和非洲爪蟾的皮膚分泌 物中獲得 magainins 和 dermaseptins 兩種 AMPs, magainins 和 dermaseptins 是兩類陽(yáng)離子、兩親性的 α 螺旋肽[25] 。magainins 是一個(gè)由 23 個(gè)氨基酸組成的長(zhǎng)肽, 而 dermaseptins 是由 28~34 個(gè)氨基酸組成的線性聚陽(yáng)離子肽[26]。
1.1.3 昆 蟲(chóng)
昆蟲(chóng)AMPs 在其體內(nèi)的脂肪中合成并儲(chǔ)存在血淋巴 中[27]。目前, 已從昆蟲(chóng)中鑒定出200 多種AMPs。這些AMPs主要分為5大類: 天蠶素(cecropins)、昆蟲(chóng)防御素(insect defensins)、富含甘氨酸的肽(glycine-rich peptides)、富含脯 氨酸的肽(proline-rich peptides)和溶菌酶(lysozymes)[20]。天蠶 素對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的抗菌作用均有效, 而昆蟲(chóng)防御素只能選擇性地殺死革蘭氏陽(yáng)性菌, 抗菌肽 cecropin A 對(duì)不同炎癥疾病和癌癥均顯示良好的活性[28]。令 人意外的是, AMPs 的數(shù)量在不同昆蟲(chóng)之間具有很大的差異, 如瓢蟲(chóng)(Harmonia axyridis)和黑水虻(Hermetia illucens)含有 多達(dá) 50 種 AMPs, 而豌豆蚜蟲(chóng)(Acyrthosiphon pisum)則不含 AMPs[29]。大多數(shù)昆蟲(chóng) AMPs 具有很強(qiáng)的抗菌活性和低毒性, 因此它們是開(kāi)發(fā)替代抗菌劑的絕佳候選藥物[22]。
1.1.4 微生物
從微生物如真菌和細(xì)菌中可以多種 AMPs。其中, 來(lái) 源于乳酸菌的細(xì)菌素是常見(jiàn) 的 AMPs, 如乳酸乳球菌 (Lactococcus lactis)、短芽孢桿菌(Bacillus brevis)和枯草芽 孢桿菌(Bacillus subtilis)。最常見(jiàn)的細(xì)菌素包括乳酸鏈球菌 肽(nisin)、桿菌肽(mersacidin)、乳酸菌素 481 (lacticin 481) 和乳酸菌素 3147 (lacticin 3147)。其中, Nisin 已被批準(zhǔn)用于 治療牛乳腺炎[30], 而 mersacidin 和 lacticin 對(duì)于治療細(xì)菌引 起的感染,特別是耐抗生素菌株具有很好 的效果,如MRSA 和耐萬(wàn)古霉素腸球菌(vancomycin-resistant Enterococci, VRE)[31]。
1.1.5 植 物
植物中存在多種AMPs, 已被純化、鑒定和表征的植物源AMPs 包括防御素(defensins)、蛻皮素(snakins)、puroindoline 蛋白、富含甘氨酸的蛋白質(zhì)(glycine-rich proteins)、天然環(huán)肽(cyclotides)、hevein型蛋白質(zhì)(heveintype proteins)、硫素(thionins)、knottins 蛋白和脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(lipid transferproteins)[32‒33]。大多數(shù)植物源AMPs是天然堿性的, 分子量為2~10 kDa, 含有4~12個(gè)半胱氨酸殘基,胱氨酸殘基可提高其結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)的穩(wěn)定性[34]。大部分植物源AMPs與來(lái)自哺乳動(dòng)物、昆蟲(chóng)和微生物的AMPs具有相似的特征。例如,defensins、thionins和cyclotides等植物AMPs, 它們與動(dòng)物源AMPs的兩親性、分子形式、陽(yáng)性電荷和富含Cys 的特征是一樣的。而另一方面, 一些植物AMPs 又與動(dòng)物AMPs 不同, 如結(jié)合幾丁質(zhì)的類橡膠素(hevein-like peptides)[35‒36]。目前, 已鑒定出數(shù)千種植物源AMPs, 但還尚未獲得批準(zhǔn)用于臨床。
1.2 抗菌肽結(jié)構(gòu)的人工優(yōu)化
然而, 從上述自然生物中提取 AMPs 存在諸多問(wèn)題, 主要包括穩(wěn)定性低、耐鹽性和毒性高等, 這些問(wèn)題阻礙了 其廣泛應(yīng)用。對(duì) AMPs 構(gòu)效關(guān)系的研究揭示了天然 AMPs 和新設(shè)計(jì)合成肽的理化性質(zhì)、生物活性與空間結(jié)構(gòu)之間的 關(guān)系。這使得設(shè)計(jì)出具有廣譜活性和良好穩(wěn)定性的 AMPs 成為可能[37]。
設(shè)計(jì)合成新AMPs 的方法主要是通過(guò)修改各種生物的天然抗菌肽的序列。研究表明, 氨基酸組成的微小變化可導(dǎo)致肽的構(gòu)象和理化性質(zhì)發(fā)生顯著的變化。對(duì)模板肽的修飾主要通過(guò)截短、氨基酸取代、雜交或環(huán)化等方法。通過(guò)截?cái)郃MPs序列獲得短肽在大規(guī)模生產(chǎn)合成AMPs中提供了低成本的優(yōu)勢(shì)。此外, 通過(guò)去除一些天然肽區(qū)域也可以獲得毒性或免疫原性降低的合成類似物。ZASLOFF等[38]首先證明, 將含有23個(gè)氨基酸的magainin 2的前3個(gè)N- 末端氨基酸Gly-Ile-Gly 截短并不會(huì)影響其抗微生物活性, 但第4個(gè)或更多殘基的去除就會(huì)導(dǎo)致活性逐漸喪失, 這表明α-螺旋肽跨越膜脂雙層只需要至少19個(gè)氨基酸。雖然LL-37被發(fā)現(xiàn)具有直接膜溶解產(chǎn)生的廣譜抗菌和內(nèi)毒素中和特性, 以及免疫調(diào)節(jié)和趨化活性, 但由于其顯著的溶血性和細(xì)胞毒性, 其臨床應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。在多個(gè)研究中發(fā)現(xiàn), 將LL-37的N端和C端的序列截?cái)嗷虬被徇M(jìn)行替換后, 變短的類似物保留了其抗菌和脂多糖中和特性, 并表現(xiàn)出較低的毒性, 同時(shí)降低了總體疏水性[39‒41]。與線性肽相比,AMPs的環(huán)化使其具有更高的膜滲透性, 以及對(duì)蛋白酶的穩(wěn)定性[42]。ROZEK 等[43]研究表明, 二硫鍵介導(dǎo)的吲哚美辛類似物CP-11的環(huán)化作用使位于肽末端的陽(yáng)離子Arg和Lys殘基緊密接近, 導(dǎo)致主鏈具有更剛性結(jié)構(gòu), 從而在空間上阻礙胰蛋白酶的接近。
另一種有效方法是通過(guò)雜交技術(shù)合成設(shè)計(jì) AMPs。例 如, 具有低毒性和活性的 AMPs 與表現(xiàn)出高活性但相對(duì)更 高毒性的 AMPs 的組合能夠開(kāi)發(fā)具有高抗菌活性和低毒性的新型嵌合型 AMPs[44] 。有研究人員將抗菌肽 cecropin A 和 melittin 的 N-末端 α-螺旋結(jié)構(gòu)域(具有相反的極性)結(jié)合 在一起, 獲得了一系列具有更強(qiáng)和更廣泛抗菌和抗瘧活性 的雜交肽, 同時(shí)比親本肽誘導(dǎo)更少的溶血[45‒46]。
盡管擁有各種 AMPs 的優(yōu)化策略可供選擇, 但并沒(méi)有 能夠滿足所用需求的完美 AMPs 的萬(wàn)能之策。因此, 應(yīng)根 據(jù)最終的應(yīng)用性質(zhì)(如局部或全身)、安全性、所需抗菌能 力的程度和成本仔細(xì)考慮選擇的優(yōu)化方法。
1.3 抗菌肽的結(jié)構(gòu)
AMPs根據(jù)其二級(jí)結(jié)構(gòu)主要分為4種類型, 包括α-螺旋肽(α-helical)、阝-折疊肽(阝-sheet)、線性延伸肽(extended)和環(huán)狀肽(cyclic)。AMPs的4種三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。一些抗菌肽完全由單個(gè)螺旋或片狀折疊組成。延伸肽的特征在于它們?nèi)狈勺R(shí)別的結(jié)構(gòu)基序。然而, 它們含有大量特定氨基酸, 如精氨酸、色氨酸、甘氨酸和組氨酸[21]。此外,還存在一些具有更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(包括套索肽和硫醚橋接結(jié)構(gòu))的漸進(jìn)式環(huán)狀肽[51]。AMPs的結(jié)構(gòu)會(huì)隨著環(huán)境條件改變而變化, 這主要是與細(xì)胞膜的疏水性和凈電荷的變化有關(guān)[52]。在自然界中,α-螺旋結(jié)構(gòu)是含量最豐富的一類天然肽。這些α-螺旋肽與靶細(xì)胞膜相互作用后將折疊成具有兩親性的結(jié)構(gòu)特征�！皟捎H性”是指在空間中疏水性和親水性區(qū)域分離的性質(zhì), 螺旋的一面占主導(dǎo)地位其含有疏水性氨基酸, 其相對(duì)面含有帶電氨基酸[51]。阝-折疊肽由反向平行阝-片層結(jié)構(gòu)組成, 該類肽通常由一個(gè)或多個(gè)二硫鍵來(lái)維系其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 如脊椎動(dòng)物、昆蟲(chóng)和植物的防御素(defensins)就是典型的阝-折疊結(jié)構(gòu)[53‒55]。延伸結(jié)構(gòu)的肽主要包括吲哚菌素(indolicidin), 含有較高比例的色氨酸、組氨酸和脯氨酸等氨基酸[49]。環(huán)狀肽的特征在于其環(huán)結(jié)構(gòu)是由單鍵(即二硫化物和酰胺)的存在所形成的[54]。目前, 對(duì)AMPs 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定的實(shí)驗(yàn)方法主要有核磁共振(magneticresonance,NMR)、X-射線晶體學(xué)(X-ray crystallography)、原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)和冷凍電子顯微鏡(cryo-electronmicroscopy, cryo-EM)等, 同時(shí)也可與分子建模、對(duì)接和動(dòng)力學(xué)等計(jì)算模擬方法相結(jié)合, 更深入地研究AMPs的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能[56]。
2 抗菌肽的生物活性
最近更新的APD3根據(jù)AMPs的生物活性可將其分為20 多個(gè)種類, 這些生物活性主要包括抗細(xì)菌、抗病毒、抗真菌、抗寄生蟲(chóng)、抗人類免疫缺陷病毒(humanimmunodeficiencyvirus,HIV)和抗腫瘤等。此外, 抗菌肽還具有促胰島素分泌的活性及抗氧化活性[57‒58]。其中, 具有抗細(xì)菌活性的AMPs的數(shù)量最多, 有超過(guò)3000種, 其次是具有抗真菌活性的AMPs, 達(dá)1000多種, 而抗腫瘤活性與抗病毒活性分別有200多種, 其他類活性的抗菌肽數(shù)量分別約為十幾種到數(shù)十種。這里主要介紹數(shù)量較多的具有抗細(xì)菌活性、抗真菌活性、抗腫瘤活性和抗病毒活性的抗菌肽。
2.1 抗細(xì)菌活性
ZHAO 等[59]通過(guò)使用 Dregea sinensis Hemsl 蛋白酶水 解水牛 αS1 酪蛋白, 分離出一種被命名為BCp12 的抗菌肽。一級(jí)結(jié)構(gòu)為YLGYLEQLLRLK, 分子質(zhì)量為 1508.82 Da,屬于疏水性陽(yáng)離子抗菌肽, 該 BCp12 顯示出較高的耐鹽性, 將BCp12 加熱到 121℃后仍表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗細(xì)菌活性。此 外, BCp12濃度低于 4 和 1.6 mg/mL 分別導(dǎo)致輕微的溶血 活性和細(xì)胞毒性。結(jié)果表明 BCp12是一種有效的細(xì)菌抑制 劑。ZHU 等[60]發(fā)現(xiàn)被命名為 L1G 、L7A 和 L1GA5K 的3種 AMPs 與抗生素利福平、多粘菌素 B 和慶大霉素聯(lián)合使 用能夠?qū)Ω锾m氏陰性菌的有著良好的抑制作用。這 3 種 AMPs 具有良好的生物活性、輕微的細(xì)胞毒性、低抗性和對(duì)生理鹽及蛋白酶的良好穩(wěn)定性, 可通過(guò)膜破裂和釋放細(xì) 胞內(nèi)物質(zhì)快速殺死細(xì)菌。綜上可知, 抗菌肽不僅自身具有 良好的抗菌活性, 且抗菌肽與傳統(tǒng)抗生素之間具有良好的協(xié)同作用, 兩者聯(lián)用可提高抗菌肽和傳統(tǒng)抗生素的藥物療 效, 拓寬傳統(tǒng)抗生素的抗菌譜。
2.2 抗真菌活性
脊椎動(dòng)物的防御素(defensins)屬于陽(yáng)離子和兩親性肽, 可分為兩個(gè)亞家族, 分別是 α-defensins 和 阝-defensins[61] 。人 α-defensin-6 (HD6)可防止白色念珠菌(Candida albicans) 黏附到人腸道上皮細(xì)胞, 從而防止細(xì)菌生物膜的形成[62] 。阝-defensins-1 對(duì)煙曲霉的萌發(fā)分生孢子顯示出抑制活性[63] 。人源抗菌肽 LL-37 被證實(shí)可以抑制聚苯乙烯和硅表面上的 白色念珠菌的黏附, 一種牛源抗菌肽 BMAP-28 能夠減少 硅表面上白色念珠菌黏附細(xì)胞的數(shù)量, 并抑制其成熟的生物膜[64‒65] 。目前, 大部分實(shí)驗(yàn)還只是在細(xì)胞水平上進(jìn)行 AMPs 的抗真菌活性測(cè)試, 缺乏在復(fù)雜生理?xiàng)l件下的作用 效果和機(jī)制探究。因此, 還需要在該基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步增加 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和探究。
2.3 抗腫瘤活性
AMPs 顯示出抗癌活性的機(jī)制主要包括4 個(gè)方面通過(guò): (1)招募免疫細(xì)胞(如樹(shù)突狀細(xì)胞)殺死腫瘤細(xì)胞; (2)誘導(dǎo)癌癥細(xì)胞壞死或凋亡; (3)抑制血管生成以消除腫瘤營(yíng)養(yǎng)并防 止轉(zhuǎn)移; (4)激活某些調(diào)節(jié)功能蛋白以干擾腫瘤細(xì)胞的基因 轉(zhuǎn)錄和翻譯[66] 。研究發(fā)現(xiàn)抗菌肽 Trirptitin 及其類似物對(duì) Jurkat 細(xì)胞(人外周血白血病 T 細(xì)胞)能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的毒 性效應(yīng)。研究人員在體外實(shí)驗(yàn)中, 發(fā)現(xiàn)抗菌肽吲哚美辛和 嘌呤 A 也表現(xiàn)出了良好的抗腫瘤活性[67]。
2.4 抗病毒活性
具有抗病毒活性的 AMPs 被稱為抗病毒肽(antiviral peptides, AVPs)[68]。一些 AVPs 可以通過(guò)將病毒整合到病毒 包膜和細(xì)胞膜中來(lái)中和病毒, 從而破壞病毒膜的穩(wěn)定進(jìn)而 防止被感染。類似地, 它們可以與病毒糖蛋白結(jié)合, 從而 使病毒不能再與宿主細(xì)胞表面結(jié)合。而另一些 AVPs 與宿 主細(xì)胞受體結(jié)合, 進(jìn)而阻止病毒與其目標(biāo)受體結(jié)合, 最后 使其失活(如抑制單純皰疹病毒的肝素)[69]。AVPs 對(duì)流感病 毒作用的一個(gè)基本機(jī)制是通過(guò)增加抗原復(fù)合物上細(xì)胞因子 和趨化因子的表達(dá)、活化免疫系統(tǒng)細(xì)胞和滅活病毒病原體 來(lái)調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)[70] 。最近, 關(guān)于 AVPs 對(duì)冠狀病毒[如 嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV)]的抗病毒作用的研究越 來(lái)越多。有研究表明脂肽 EK1C4 是對(duì)抗新冠肺炎 S 蛋白 介導(dǎo)的膜融合最有效的融合抑制劑[71]。另有研究通過(guò)計(jì)算 機(jī)模擬技術(shù)驗(yàn)證 50 多種 AVPs 對(duì) SARS-CoV-2 的 S 蛋白的 受體結(jié)合域(receptor-binding domain, RBD)的結(jié)合能力, 發(fā) 現(xiàn)其中 15 種肽對(duì)人血管緊張素轉(zhuǎn)化酶 2 (angiotensin converting enzyme 2, ACE-2)受體表現(xiàn)出較高的親和力, 其 中兩個(gè)最有希望的候選肽(S2P25 和 S2P26) 能夠阻止 SARS-CoV-2 進(jìn)入細(xì)胞。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于合理設(shè)計(jì)具 有能夠選擇性抑制 SARS-CoV-2S 蛋白作用的 AVPs[72]。
3 抗菌肽的作用機(jī)制
AMPs 的凈電荷和疏水性是其最初能與細(xì)菌膜結(jié)合的 兩個(gè)重要特征。如帶凈正電荷的 AMPs 可與帶負(fù)電荷的細(xì) 胞壁發(fā)生靜電相互作用[73], 陽(yáng)離子電荷使肽和質(zhì)膜發(fā)生相 互作用, 促使 AMPs 在膜表面積聚。陰離子 AMPs 也可以 通過(guò)利用金屬離子輔因子靶向膜, 形成與微生物帶負(fù)電的 質(zhì)膜相連的陽(yáng)離子鹽橋[74] 。AMPs 抗菌作用的機(jī)制主要分 為膜靶向和非膜靶向兩種類型。膜靶向機(jī)制可以通過(guò)模型 來(lái)描述, 如圖3 所示[16,75], 包括極點(diǎn)和地毯模型(carpet model),極點(diǎn)模型可 以進(jìn)一步分為環(huán)形空隙模型(toroidal pore model) 和桶壁模型(barrel-stave model)。在桶壁模型中, AMPs 聚集并與質(zhì)膜管腔中的親水域形成孔, 而疏水域與 脂質(zhì)雙層接觸。在環(huán)形孔模型中, AMPs 垂直進(jìn)入膜, 在脂 質(zhì)形成環(huán)孔時(shí)拖曳和彎曲脂質(zhì)。在地毯模型中, AMPs 可以 通過(guò)定位在質(zhì)膜的水平面上而起到清潔劑的作用, 引起改 變, 然后遭到破壞。AMPs 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(shí)現(xiàn)[21]。在非膜作用機(jī)制 中, AMPs 以直接滲透或內(nèi)吞的方式進(jìn)入細(xì)胞。一旦進(jìn)入細(xì) 胞, AMPs 可能具有不同的靶點(diǎn)。AMPs 可以通過(guò)干擾相關(guān) 效應(yīng)酶或分子來(lái)影響轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白質(zhì)折疊。分子伴侶 是正確折疊和組裝新合成的蛋白質(zhì)并使其具有立體異構(gòu)性 的關(guān)鍵蛋白質(zhì), 這使 AMPs 具有細(xì)胞選擇性并可防止細(xì)胞 毒性[75]。已有研究表明, 陰離子 AMPs 可以直接靶向核糖 體。例如, pyrrhocoricin 靶向核糖體以抑制蛋白質(zhì)翻譯, 而 PR-39 通過(guò)抑制從初始階段到延伸階段的轉(zhuǎn)變來(lái)抑制大腸 桿菌中的蛋白質(zhì)合成[76]。除此之外, AMPs 還可以抑制蛋白 酶的活性, 如絲氨酸蛋白酶、彈性蛋白酶和糜蛋白酶或靶 向和降解 DNA 或 RNA, 抑制核酸生物合成的關(guān)鍵酶活性 也會(huì)干擾 DNA 復(fù)制和核酸損傷反應(yīng)。最后, AMPs(如 histatin 5)還可以靶向真菌線粒體, 導(dǎo)致活性氧生成, 最終 誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[77‒81]。CRUZ 等[82]報(bào)道了一種 MciZ 抗菌肽, 具有抑制細(xì)菌分裂的能力, 同時(shí)還能夠抑制細(xì)菌 Z 環(huán)形成 和定位。此外, SOMMA 等[83]研究抗菌肽 temporrin L 與大 腸桿菌的相互作用時(shí)觀察到 temporin L 通過(guò)與 FtsZ 和分裂 體復(fù)合物相互作用進(jìn)而損害大腸桿菌細(xì)胞分裂。AMPs 與 大腸桿菌細(xì)胞的結(jié)合將導(dǎo)致形成長(zhǎng)鏈狀的細(xì)胞絲, 最終使 得細(xì)胞無(wú)法進(jìn)行分裂。
4 結(jié)束語(yǔ)
由于對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲(chóng)等具有獨(dú)特抑制活 性, AMPs 在醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)等不同行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用潛力。特別是近幾十年來(lái), 全球范圍內(nèi)的微生物感染的激 增, 人們過(guò)度或?yàn)E用抗生素, 導(dǎo)致微生物對(duì)現(xiàn)有抗生素等 藥物產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)重的耐藥性。AMPs 與病原體的非特異 性相互作用使其與傳統(tǒng)藥物不同。因此, AMPs 將是抗微生 物感染極有潛力的藥物, 尤其是在消除耐藥和多耐藥的致 病微生物方面。然而, AMPs 研究仍存在 AMPs 篩選過(guò)程艱 難、生物利用度較低、存在潛在細(xì)胞毒性、生產(chǎn)成本較高 等問(wèn)題, 這無(wú)疑限制了 AMPs 從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用。為了應(yīng)對(duì)這種情況, 越來(lái)越多的研究者通過(guò)優(yōu)化合成新 AMPs, 消除其毒性或不穩(wěn)定性的因素, 增強(qiáng)其抗微生物 活性, 使 AMPs 作為一種新型的替代抗菌劑成為可能。同 時(shí), 還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā) AMPs 特異性和高協(xié)同能力[84]。
未來(lái)關(guān)于抗菌肽的研究將主要集中在對(duì)AMPs 與復(fù)雜的生物體環(huán)境之間的相互作用, 這將有助于評(píng)估這些抗菌肽類藥物的真正潛力。AMPs 的臨床試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注臨床需求未得到滿足的地方, 以獲得動(dòng)力。通過(guò)化學(xué)修飾抗菌肽的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)化合物通過(guò)臨床試驗(yàn)的能力, 進(jìn)而提高它們的可藥用性。此外, 計(jì)算機(jī)建模軟件的開(kāi)發(fā)將進(jìn)一步優(yōu)化抗菌肽類藥物的開(kāi)發(fā)。目前關(guān)于AMPs的研究與開(kāi)發(fā)仍處于早期階段, 需要進(jìn)一步體外和體內(nèi)試驗(yàn), 更充分的闡明AMPs 的作用機(jī)制, 并充分表征其結(jié)構(gòu),以便最終能夠應(yīng)用到人類的臨床治療中。
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