第十一章

抗菌肽——抗菌藥物新資源

第一節抗菌肽類活性物質的發展

一、抗菌肽簡介從微生物代謝產物中分離得到的一些多肽類抗生素很早已經被應用;但繼1980年在美國天蠶體內發現了第一個動物來源的抗生素多肽－殺菌肽（cecropin）以來，在昆蟲、兩棲類、水產動物、包括人在內的哺乳動物甚至植物及細菌等廣泛的生物譜中發現了至少1700余種抗菌肽;它們構成了宿主抵抗外來病原菌感染的第一道防線。一、抗菌肽簡介

抗菌肽是一類帶正電荷的兩親性小分子肽的總稱,通常含有11～50個氨基酸殘基

。按抗菌肽來源分為:微生物抗菌肽;動物抗菌肽;人源性抗菌肽;植物抗菌肽等。/dxhl/一、抗菌肽簡介其中動物抗菌肽又分為:昆蟲抗菌肽;哺乳動物抗菌肽;兩棲動物抗菌肽3大類。根據抗菌肽作用對象的不同，又可以分為:抗細菌肽;抗真菌肽;抗腫瘤肽;既抗細菌又抗真菌的抗菌肽;既抗腫瘤又抗微生物的抗菌肽等類型。一、抗菌肽簡介如此繁多的抗菌肽有其共同的特性，即微量抗菌譜廣（包括革蘭陽性菌、革蘭陰性菌、真菌、寄生蟲），同時有抗某些帶包膜病毒的作用，甚至可殺傷腫瘤細胞，但且大多數抗菌肽對正常真核細胞無毒性或低毒性，且幾乎無耐藥性。正因如此，抗菌肽亦被稱為"天然的抗生素"，因其有望克服日益嚴重的抗生素耐藥問題而引起了人們極大的興趣。一、抗菌肽簡介對動物來源的抗菌肽的研究發現它們中的大多數是生物預防微生物感染的天然防衛系統的重要組成;在人和其它哺乳類中，這些多肽如防御素（defensins）是中性白細胞構成中的主要蛋白類物質（總共為10～18%），中性白細胞是對微生物侵襲和急性感染起著直接防衛作用的最重要的細胞;其它細胞也能產生這些多肽;在受傷的黏膜表面包括舌、氣管、腸等發現有高濃度的多肽，這可能是一種重要的黏膜保護成分。一、抗菌肽簡介當科學家研究受傷的青蛙和蟾蜍為什么在惡劣的環境下不受感染的原因時，發現了滑瓜蟾素（magainins）;滑瓜蟾素和昆蟲多肽如殺菌肽都由受傷后誘導產生，可以假定，這種誘導反應與生物體產生的免疫反應相似。二、陽離子多肽的基本結構和功能陽離子多肽有兩個顯著的特征：一是根據組成多肽分子的精氨酸和賴氨酸的數量，這些多肽具有至少一個凈的二價正電荷，這些氨基酸在自然pH條件下都帶有正電荷；二是這些帶有正電荷的多肽能夠在與細菌質膜發生作用時折疊成三維空間結構，從而可以形成由一個非極性氨基酸側鏈組成的疏水面，和另外一個由極性氨基酸殘基和帶有正電荷氨基酸殘基組成的親水面;盡管這些陽離子多肽都具有這兩個面，但其在氨基酸組成、多少和與細胞質膜發生作用后所形成的三維結構上差距甚大。二、陽離子多肽的基本結構和功能根據已經發現的100多種陽離子多肽在細菌質膜上形成的三維結構可以將其分為4種類別：第一種為α-螺旋結構:如cecropins（從Hyalophoracecropia

昆蟲中分離得到）和magainins(從Xenopuslaevis非洲蛙中分離得到);第二種為由2至3個二硫鍵橋穩定的β-片層結構:如defensins（可來自于不同的動物和植物）、protegrins（來自于豬）和tachyplesins（來自于蟹）等;第三種為含有一個或多個二硫鍵而形成環狀結構的多肽:如bactenecin（來自于牛）;第四種為富含某種特殊氨基酸如脯氨酸/精氨酸的伸展螺旋:如牛多肽Bc5和Bac7，以及豬多肽PR-39等。（a）：β-片層結構的人源defensin-1；（b）：α-螺旋結構的cecropin-melitlin雜合體；（c）：伸展螺旋的indolicidin；

（d）：環狀結構的bactenecin三、陽離子多肽的作用機制

目前，國內外學者一致認為細胞膜是抗菌肽的主要作用靶點，多肽通過肽－膜脂作用而在細胞膜上形成孔道:造成細胞膜結構破壞;膜內外電壓失衡;內容物泄漏;最終導致細胞死亡。

帶有正電荷的多肽（1）與帶有負電荷的磷脂雙層外表面（細胞質膜2）結合，導致局部的磷脂雙層變窄。在膜電位的影響下，多肽插入膜內形成通道（3），導致胞質內分子外流，最終導致細胞死亡。陽離子多肽穿過革蘭陰性菌細胞外膜的自身促進吸收作用帶有正電荷的多肽與結合在脂多糖上的二價陽離子產生交互作用，導致增強穿越細胞外膜的陽離子多肽的自身吸收。陽離子多肽在細胞外膜上產生的交互作用也能導致增加其它常用抗菌藥物的吸收，因而具有抗菌增強劑的作用。陽離子多肽與細胞外膜上脂多糖的結合可以用來解釋這些多肽具有抗內毒素作用的原因。三、陽離子多肽的作用機制

肽－膜脂作用的具體機制，觀點不一，較為經典的有如下幾種模式：桶狀孔道模式（barrelstavemodel）;毯式模式（carpetmodel）;蟲蝕樣孔道模式（toroidal(wormhole)poremodel）。

桶狀孔道模式和毯式模式1

、桶狀孔道模式

抗菌肽抗菌機制的早期研究多認為抗菌肽是通過桶狀孔道模式形成細胞膜孔道而實現其殺菌作用的.

以此模式形成細胞膜孔道的抗菌肽需符合如下要求：①抗菌肽以單體或多聚體的形式吸附于細胞膜；②吸附于膜的抗菌肽在低濃度下可以彼此識別并形成多聚體；換句話說，如果它們在細胞膜表面僅以小分子的單體或寡聚體存在，則不能破壞細胞膜；③在與膜作用的疏水環境中可以插入到細胞膜的疏水核心；④單體或寡聚體的后續募集可以增大孔徑。其肽－膜脂作用過程與蟲蝕樣孔道形成相似。2、毯式模式

在此過程中：帶正電荷的抗菌肽單體分子通過靜電作用象毯子一樣吸附于帶負電荷的細胞膜，α-螺旋縱軸與質膜平行，且其親水側與細胞膜脂質頭端相接；繼之，因疏水作用α-螺旋旋轉重排至其疏水側朝向細胞膜的疏水核心；當抗菌肽分子超過一定濃度時，通過破壞細胞膜脂質排列而致其破碎，就象去污劑破壞細胞一樣，故此模式又稱去污劑樣模式。而在細胞溶解之前，可能有一個膜脂暫時性成孔（蟲蝕樣孔）的過程。

與桶狀孔道模式相比，毯式模式無需抗菌肽的特殊結構，也無需形成膜孔道，但需要強調的是，抗菌肽的正電荷需要分布于多肽全長，且在脂－膜作用的整個過程中抗菌肽始終與脂質頭端作用而無多肽垂直重排過程。

3、蟲蝕樣孔道模式

3、蟲蝕樣孔道模式Ludtke等在研究滑瓜蟾素的作用機制時提出了此種肽膜脂作用模式，滑瓜蟾素與磷脂膜接觸時形成明顯的α螺旋結構且其縱軸與質膜平行，其疏水側埋入膜脂雙分子層中間的疏水層，而親水側則與質膜的極性頭端作用并暴露于溶液；在肽/脂比例超過一定范圍時，為避免抗菌肽親水性殘基暴露于膜的疏水性骨架，抗菌肽開始自身聚集，并在多肽引起的正向曲面張力的作用下，由與膜平行方向轉為透膜的垂直方向，并形成透膜孔道。3、蟲蝕樣孔道模式透膜孔道除允許離子自由通過而形成離子流外，同時形成一過性脂質流，即：因徑向彌散作用，孔道相連的兩側脂質單層的脂質頭端向膜脂中間骨架快速跳躍，并參與形成透膜孔道的孔壁。孔壁由多肽α-螺旋的親水側和細胞膜脂質的親水頭端組成，而且孔徑較桶狀孔道模式大；這是蟲蝕樣孔道模式與桶狀孔道模式的區別所在；外來多肽的加入、透膜孔道的形成、脂質的移位造成了膜結構的紊亂，最終導致細菌死亡。4、選擇性殺傷機制

抗菌肽的選擇性殺傷機制一直是人們感興趣的熱點之一，有人認為原核生物和真核生物細胞膜的脂質特異性可以解釋這一點。原核生物和真核生物細胞膜最主要的區別在于其脂質的組成和排列：哺乳動物細胞膜外層脂質為其所特有的呈電中性的兩性磷脂，主要是卵磷脂和鞘磷脂；而細菌細胞膜則含有大量的帶有負電荷的磷脂（如磷脂酰甘油和心磷脂），且有時其含量會超過50％，使其必然暴露于細胞外膜；

此外，革蘭陰性菌細胞壁主要由帶大量負電荷的脂多糖組成。

4、選擇性殺傷機制抗菌肽可以選擇性的結合并滲透帶有負電荷的細胞膜，其動力在于2方面：①膜與抗菌肽疏水端的疏水作用；②膜脂質所帶的負電荷與抗菌肽所帶的正電荷間的靜電吸引作用。然而，起自身防御作用的抗菌肽的疏水性通常太弱以至不足以與兩性磷脂有效結合，從而防止了自身毒性。

原核生物和真核生物細胞膜另一重要的區別在于后者含有豐富的真核細胞特有的固醇類物質，Matsuzaki等研究表明膽固醇的存在可以使人紅細胞免受滑瓜蟾素2的破壞。腫瘤細胞等病變細胞膜脂質成分或排列變化可能是導致抗菌肽對其殺傷的關鍵。4、選擇性殺傷機制

總之，細胞膜的理化性質決定了抗菌肽可以選擇性的廣譜殺菌而且可以防止耐藥的產生。首先，酶解和向細胞外排藥物等耐藥機制不存在于抗菌肽的抗菌過程；另外，抗菌肽的靶分子（陰離子脂質）是廣泛存在于微生物界的重要的保守的細胞膜成份，所以，耐藥的產生尤其困難甚至幾乎不可能；也就是說，原核細胞和真核細胞膜間最簡單的電荷區別是抗菌肽選擇性殺傷、抗菌譜廣且對正常真核細胞幾乎無毒性或低毒性的關鍵所在。四、陽離子多肽的應用

抗菌肽的發現不僅會推動臨床抗菌藥物的應用和對控制各種難以治療病原菌的感染起到重要的作用，同時應用轉基因技術將編碼抗菌肽的這些基因轉入到植物或動物中，能夠起到防止病原菌感染的作用。抗菌肽因其獨特的抗菌機制在工業、農業、畜牧業及醫藥等方面具有廣闊的應用前景。研究開發的公司名稱多肽適應癥MagaininPharmaceuticalsMSI-78(α-螺旋)MSI-78膿皰病糖尿病足潰瘍表面感染AppliedMicrobiology/Astra/MerckNisin(lantibiotic)胃幽門桿菌感染/潰瘍AppliedMicrobiology/NipponShojiNisin突變體萬古霉素耐藥腸球菌MicrologixBiotechMBI-CNMBI-20系列（α-螺旋）革蘭陽性菌感染革蘭陰性菌感染、普通抗菌藥物的增效劑IntrabioticsIB367(β-片層)口腔黏膜炎（口腔潰瘍）XomaMycoprex(BPI衍生物)系統性念珠菌病、fluconazole

增效劑

目前正在進行臨床研究的一些陽離子多肽的適應癥

應用轉基因技術將抗菌肽基因轉入植物或動物的一些例子

轉基因品種所用的多肽多肽的二級結構多肽的表達水平對病原菌的抗性煙草大麥α-hordothioninβ-片層2-60ng/mg葉蛋白Clavibactermichiganesis煙草大麥β-hordothioninβ-片層2-60ng/mg葉蛋白Clavibactermichiganesis對syringae假單孢菌無效煙草大麥α-hordothioninβ-片層++capestris黃單孢菌，對Clavibactermichiganesis無效煙草巨大silkmothcecropinBα-螺旋未測到對B.solanacearum和syringae假單孢菌無效煙草巨大silkmothcecropinBα-螺旋未測syringae假單孢菌pv.tabaci土豆巨大silkmothcecropinBα-螺旋無對Erwinia無效果土豆馬蹄蟹tachyplesin1β-片層+對Erwinia有輕微的抗性煙草小蘿卜植物-defensinRs-AMP2β-片層0.2-2.4μg/mg葉蛋白Alternarialongpipes(真菌)煙草AmaranthheveinAc-AMP2β-片層0.6-1.1μg/mg葉蛋白體外有抗真菌活性，但在體內無作用煙草甜胡椒結Mj-AMP2β-片層0.9-1.4μg/mg葉蛋白體外有抗真菌活性，但在體內無作用煙草CecropinB類似物SB-37和Shiva-1α-螺旋-1μg/mg葉蛋白細菌減少（Burkholderiasolanacearum）煙草ChimericcecropinA/B雜合體α-螺旋微量無效煙草大麥α-thioinβ-片層20ng/mg葉蛋白丁香假單孢菌pv.syringae煙草小麥α-thioinβ-片層？無效小鼠CecropinB類似物α-螺旋未報道Brucellaabortus煙草大麥脂-轉移蛋白α-螺旋+丁香假單孢菌第二節防御素抗菌肽家族的研究進展一、防御素的結構特征哺乳動物的抗菌肽主要有兩大類：防御素和cathelicidins。防御素為一族脊椎動物來源的抗菌肽，其富含β-片層結構及有一個由六個二硫鍵連接的半胱氨酸構架，進一步可分為α-和β-兩個亞族；在這兩種防御素都含有一個三重交鏈的β-片層結構，其中帶有一個明顯的“防御素折疊”。人源α-和β-防御素的空間結構，其折疊方式相似

人源α-和β-防御素的空間結構

Mitta

等從2種貽貝菌（Mytilusedulis

、Mytilusgalloprovincialis）中分離到多種抗菌肽，根據抗菌肽的一級結構和半胱氨酸的不同分為4種：防御素(defensins)；貽貝素（mytilins）；貽貝肽（myticins）；貽貝霉素（mytimycins）；目前對貽貝素研究的比較透徹。二、防御素的分布早在20世紀60年代，當人們研究豚鼠白細胞的抗菌活性時，就對多肽產生了興趣，因為在白細胞中富含這種物質且具有廣譜抗菌的活性；當人們在人白細胞中發現抗菌肽后，發現這種物質的分布很廣泛，其由上皮細胞產生并對宿主具有防御作用。在已經研究過的哺乳動物以及小雞和火雞中，都發現有典型的防御素多肽。從蛇毒也已分離到防御素類多肽（生長捕集多肽，growtharrestingpeptide和響尾蛇胺，crotamines），其可能作為一種上皮宿主防御多肽，以抵御更大的捕食者。三、微生物對防御素的耐受性

通過插入誘變的方法，已經鑒定了一些細菌對防御素產生耐受性的特異性機制。破壞phoP-phoQ雙組分轉錄調節子，能夠增加沙門菌對防御素和其他陽離子多肽的敏感性。四、防御素的其他生物活性

防御素還具有許多其他生理活性，如對單核細胞、T-淋巴細胞和樹突細胞的趨化活性（chemotacticactivity）；人源的β-防御素1和2，具有吸引記憶T-細胞和未成熟樹突細胞，這種化學吸引劑的作用可能是由于防御素與細胞因子受體CCR6結合的緣故。盡管這一生理學意義還沒有被了解，但在發炎的皮膚中高濃度的HBD-2（人源β-防御素2）使防御素有可能與天然的細胞因子配體競爭。四、防御素的其他生物活性

某些被稱之為皮質激素抑制劑（corticostatins）的防御素，通過與促腎臟腺皮質激素受體（adrenocorticotropichormone，ACTH）的非活化結合，達到相反的效果；盡管這種活性將抑制免疫抑制性激素可的松的產生，但對感染是有用的。另有報道稱某些防御素在納摩爾濃度下，對哺乳細胞具有活化硝苯吡啶敏感的鈣通道。也有報道稱某些與防御素遺傳和結構相似的多肽，已經在雄性生殖道，特別是副睪中發現。第三節Cathelicidins抗菌肽家族的研究進展一、Cathelicidins基因組成和生物合成20世紀90年代，在進行bactenecin5cDNA的克隆時發現cathelicidins抗菌肽具有共同的結構特征，即N末端都含有一個cathelin區域（一個來自豬白細胞的大小約12kDa的蛋白），所以在1995年將其命名為cathelicidins家族。研究證明cathelicidins基因有4個外顯子和3個內含子。Cathelicidins的基因組成

二、Cathelicidins抗菌肽家族的結構特征根據不同cathelicidins抗菌肽氨基酸的組成和在特定環境中的空間結構特征，可將其分為4類，即α-螺旋、伸展螺旋、β-片層和環狀結構抗菌肽。用Shiffer-Edmundson的車輪投影模型表示PMAP-36和LL-37的α－螺旋多肽結構

（一）α－螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性α－螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌譜廣，既抗革蘭陽性菌，又抗革蘭陰性菌，還抗許多耐藥菌，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、耐萬古霉素腸球菌、多重耐藥菌銅綠假單胞菌、大腸埃希菌包膜和非包膜菌株，以及肺炎克雷伯氏菌等。人LL-37的抗菌活性比人嗜中性白細胞肽1（一種α－防御肽）還強，可以抗銅綠假單胞菌和嗜麥芽糖寡養單胞菌等許多菌。（一）α－螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性帶有疏水性C末端的α-螺旋cathelicidins還具有抗真菌的活性；它們抗真菌的MIC值與抗細菌的相同或略高。包括敏感性真菌白念珠菌（Candidaalbicans）和從免疫抑制病人中分離得到的Cryptococcusneoformans。α-螺旋cathelicidins抗菌肽以劑量依賴型方式，在MIC濃度時可迅速穿透敏感微生物的生物膜或人工膜，提高細菌細胞膜的通透性,從而導致細胞死亡。（一）α－螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性缺少疏水區域的BMAP-27、BMAP-28和LL-37/hCAP18的合成片段，能夠使其選擇性提高和對真核細胞毒性降低，但仍保持抗菌活性。當BMAP-28的C端高度疏水性殘基被一些親水性殘基替代后，對哺乳動物細胞的毒性極大降低，且對革蘭陰性菌的活性提高，而對革蘭陽性菌的活性降低。（一）α－螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性體內研究表明CAP18抗菌肽可能被用來治療革蘭陰性菌引起的敗血癥(G-sepsis)。SMAP-29、BMAP-27及BMAP-28腹膜內給藥0.2～0.8mg/kg，能夠完全保護由銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌或大腸埃希菌包膜菌株感染的腹膜炎小鼠，而對照組小鼠死亡率超過90%。CF病人氣管表面液體的高鹽濃度能夠抑制在肺上皮細胞中表達β-防御素1、2和LL-37/hCAP18。Wilson及其合作者的氣管異種皮移植實驗表明LL-37/hCAP18的超表達可以逆轉CF特異性的抗菌活性的缺失，這為將來治療CF病人慢性氣管炎指出了新的基因治療方法。（二）伸展螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性

Bac5和Bac7在體外有很強的抗菌活性，主要抗腸道革蘭陰性菌和一些革蘭陽性菌。在濃度為0.5～20μM時，能有效殺死大腸埃希菌、鼠傷寒沙門氏菌、肺炎克雷伯氏菌、Enterococcuscloacae、表皮葡萄球菌和巨大芽孢桿菌。在相同濃度下，Bac7可抑制銅綠假單胞菌的生長。Bac5和Bac7均可抗螺旋體，如問號鉤端螺旋體和雙曲鉤端螺旋體,但伯氏疏螺旋體對它們耐藥。綿羊和山羊的Bac5同系物在低鹽濃度的介質中表現出強大的廣譜的抗菌活性，可以抗革蘭陰性菌、革蘭陽性菌和某些真菌。有關Bac5和Bac7的作用機制研究表明，在殺菌濃度下可以迅速抑制細菌細胞呼吸，從而殺死細菌。（二）伸展螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性

豬cathelicidinPR－39（proline－arginine－rich39），抗革蘭陰性菌的濃度與四環素相似，在低濃度下可以抗一些革蘭陰性菌（如大腸埃希菌、鼠傷寒沙門氏菌和乙酸鈣不動桿菌），以及一些革蘭陽性菌（如巨大芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和釀膿鏈球菌），但普通變形菌、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌對它耐藥。（二）伸展螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性Indolicidin具有廣譜的抗菌活性，對革蘭陰性菌、革蘭陽性菌和真菌的抗菌活性都很強，其殺菌濃度為0.1～1μM。在相同濃度下，它可以迅速滲透敏感性大腸埃希菌菌株的內外膜。另外，indolicidin還抗許多種需氧革蘭陽性菌和革蘭陰性菌的臨床分離株,如銅綠假單胞菌的臨床分離株，念珠菌亞種和C.neoformans的臨床分離株，以及寄生蟲（如Cryptosporadiumparvum和Pneumocystiscarinii）。（二）伸展螺旋cathelicidins抗菌肽的抗菌活性Indolicidin還表現出直接的劑量依賴性和時間依賴性的殺病毒活性，可以抗人類免疫缺陷病毒(HIV-1),此時它的抗病毒所需濃度比抗菌和抗真菌時高。Indolicidin對真核細胞有細胞毒性。在濃度為40mg/kg時,可有效地抗小鼠系統性曲霉病感染。Indolicidin可以誘導細胞膜形成離散通道,從而使跨膜電位大大超過-70～-80mv,細胞內容物向外流出而死亡。（三）環狀結構的cathelicidins抗菌肽的抗菌活性

天然的環肽具有抗大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的活性，而合成的環肽可以抗革蘭陰性菌，卻不抗絕大多數的包括金黃色葡萄球菌在內的革蘭陽性菌。綿羊OaDode也是如此。它在10-7～10-5M濃度下對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌表現出強大的抗菌活性，然當合成肽為環狀時，只抗革蘭陰性菌，不