抗菌藥物新資源

第十一章

抗菌肽——抗菌藥物新資源

第一節(jié)抗菌肽類活性物質(zhì)的發(fā)展

一、抗菌肽簡介從微生物代謝產(chǎn)物中分離得到的一些多肽類抗生素很早已經(jīng)被應(yīng)用;但繼1980年在美國天蠶體內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(chǎn)動物、包括人在內(nèi)的哺乳動物甚至植物及細菌等廣泛的生物譜中發(fā)現(xiàn)了至少1700余種抗菌肽;它們構(gòu)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(jù)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(shù)抗菌肽對正常真核細胞無毒性或低毒性，且?guī)缀鯚o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(yán)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(fā)現(xiàn)它們中的大多數(shù)是生物預(yù)防微生物感染的天然防衛(wèi)系統(tǒng)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(gòu)成中的主要蛋白類物質(zhì)（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(wèi)作用的最重要的細胞;其它細胞也能產(chǎn)生這些多肽;在受傷的黏膜表面包括舌、氣管、腸等發(fā)現(xiàn)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(dāng)科學(xué)家研究受傷的青蛙和蟾蜍為什么在惡劣的環(huán)境下不受感染的原因時，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)產(chǎn)生，可以假定，這種誘導(dǎo)反應(yīng)與生物體產(chǎn)生的免疫反應(yīng)相似。二、陽離子多肽的基本結(jié)構(gòu)和功能陽離子多肽有兩個顯著的特征：一是根據(jù)組成多肽分子的精氨酸和賴氨酸的數(shù)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(zhì)膜發(fā)生作用時折疊成三維空間結(jié)構(gòu)，從而可以形成由一個非極性氨基酸側(cè)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(zhì)膜發(fā)生作用后所形成的三維結(jié)構(gòu)上差距甚大。二、陽離子多肽的基本結(jié)構(gòu)和功能根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的100多種陽離子多肽在細菌質(zhì)膜上形成的三維結(jié)構(gòu)可以將其分為4種類別：第一種為α-螺旋結(jié)構(gòu):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(wěn)定的β-片層結(jié)構(gòu):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(huán)狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的人源defensin-1；（b）：α-螺旋結(jié)構(gòu)的cecropin-melitlin雜合體；（c）：伸展螺旋的indolicidin；

（d）：環(huán)狀結(jié)構(gòu)的bactenecin三、陽離子多肽的作用機制

目前，國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)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(jié)構(gòu)破壞;膜內(nèi)外電壓失衡;內(nèi)容物泄漏;最終導(dǎo)致細胞死亡。

帶有正電荷的多肽（1）與帶有負(fù)電荷的磷脂雙層外表面（細胞質(zhì)膜2）結(jié)合，導(dǎo)致局部的磷脂雙層變窄。在膜電位的影響下，多肽插入膜內(nèi)形成通道（3），導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)分子外流，最終導(dǎo)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(jié)合在脂多糖上的二價陽離子產(chǎn)生交互作用，導(dǎo)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(chǎn)生的交互作用也能導(dǎo)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(jié)合可以用來解釋這些多肽具有抗內(nèi)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(jīng)典的有如下幾種模式：桶狀孔道模式（barrel

stavemodel）;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(rèn)為抗菌肽是通過桶狀孔道模式形成細胞膜孔道而實現(xiàn)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(huán)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(xù)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(fù)電荷的細胞膜，α-螺旋縱軸與質(zhì)膜平行，且其親水側(cè)與細胞膜脂質(zhì)頭端相接；繼之，因疏水作用α-螺旋旋轉(zhuǎn)重排至其疏水側(cè)朝向細胞膜的疏水核心；當(dāng)抗菌肽分子超過一定濃度時，通過破壞細胞膜脂質(zhì)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(jié)構(gòu)，也無需形成膜孔道，但需要強調(diào)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(zhì)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(jié)構(gòu)且其縱軸與質(zhì)膜平行，其疏水側(cè)埋入膜脂雙分子層中間的疏水層，而親水側(cè)則與質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)流，即：因徑向彌散作用，孔道相連的兩側(cè)脂質(zhì)單層的脂質(zhì)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?？妆谟啥嚯摩?螺旋的親水側(cè)和細胞膜脂質(zhì)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(qū)別所在；外來多肽的加入、透膜孔道的形成、脂質(zhì)的移位造成了膜結(jié)構(gòu)的紊亂，最終導(dǎo)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(rèn)為原核生物和真核生物細胞膜的脂質(zhì)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(qū)別在于其脂質(zhì)的組成和排列：哺乳動物細胞膜外層脂質(zhì)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(fù)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(fù)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(jié)合并滲透帶有負(fù)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(zhì)所帶的負(fù)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(jié)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(qū)別在于后者含有豐富的真核細胞特有的固醇類物質(zhì)，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(zhì)成分或排列變化可能是導(dǎo)致抗菌肽對其殺傷的關(guān)鍵。4、選擇性殺傷機制

總之，細胞膜的理化性質(zhì)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(chǎn)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(zhì)）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(chǎn)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(qū)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(guān)鍵所在。四、陽離子多肽的應(yīng)用

抗菌肽的發(fā)現(xiàn)不僅會推動臨床抗菌藥物的應(yīng)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(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將編碼抗菌肽的這些基因轉(zhuǎn)入到植物或動物中，能夠起到防止病原菌感染的作用?？咕囊蚱洫毺氐目咕鷻C制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及醫(yī)藥等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前正在進行臨床研究的一些陽離子多肽的適應(yīng)癥

應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將抗菌肽基因轉(zhuǎn)入植物或動物的一些例子

第二節(jié)防御素抗菌肽家族的研究進展一、防御素的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及有一個由六個二硫鍵連接的半胱氨酸構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，其折疊方式相似

人源α-和β-防御素的空間結(jié)構(gòu)

Mitta等從2種貽貝菌（Mytilusedulis

、Mytilusgalloprovincialis）中分離到多種抗菌肽，根據(jù)抗菌肽的一級結(jié)構(gòu)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(jì)60年代，當(dāng)人們研究豚鼠白細胞的抗菌活性時，就對多肽產(chǎn)生了興趣，因為在白細胞中富含這種物質(zhì)且具有廣譜抗菌的活性；當(dāng)人們在人白細胞中發(fā)現(xiàn)抗菌肽后，發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的分布很廣泛，其由上皮細胞產(chǎn)生并對宿主具有防御作用。在已經(jīng)研究過的哺乳動物以及小雞和火雞中，都發(fā)現(xiàn)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(jīng)鑒定了一些細菌對防御素產(chǎn)生耐受性的特異性機制。破壞phoP-phoQ雙組分轉(zhuǎn)錄