抗菌肽的抗菌机制及其临床应用

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微生物学通报 Microbiology
tongbao@im.ac.cn

JAN 20, 2009, 36(1): 97~105 ? 2009 by Institute of Microbiology, CAS

专论与综述

抗菌肽的抗菌机制及其临床应用
侯晓姝 胡宗利 陈国平* 李 勇 王炳琴

李栀恩
(重庆大学生物工程学院 重庆 400030)

摘

要: 抗菌肽是广泛存在于生物体内的一种小分子肽, 具有广谱性、高效性、稳定性等特点, 其

本身不易产生耐药性。不仅具有杀菌作用, 还能抑杀真菌、寄生虫、病毒以及肿瘤细胞且对正常 细胞毒性较小。新颖抗生素发现的缺乏, 导致了大量耐药菌株的出现, 抗菌肽有可能成为一种新 的抗生素替代品。本文介绍了抗菌肽的结构特点、生物活性, 并重点阐述了其抗菌机制及最新临 床应用进展。 关键词: 抗菌肽, 抗菌机制, 临床应用

Antimicrobial Peptides: Antibacterial Mechanism and Therapeutic Use
HOU Xiao-Shu HU Zong-Li CHEN Guo-Ping* LI Yong WANG Bing-Qin LI Zhi-En
(Bioengineering College of ChongQing University, Chongqing 400030, China)

Abstract: Antimicrobial peptides, a cluster of small peptides secreted by the majority of creatures, have been demonstrated with activity against a wide range of microorganisms including bacteria, protozoa, yeast, fungi, viruses and even tumor cells. These peptides have some features such as broad spectrum , high efficacy and stability, little drug resistance. A lack of new antibiotics combined with emerging multi-drug resistance issues demands that new antimicrobial strategies be explored for treating these infections. It has been proposed that the antimicrobial peptides might form the foundation for a new class of clinically useful antimicrobials. We review the advantages of these molecules in construction features and bioactivity, with the focus on the mechanism and clinical applications. Keywords: Antibacterial peptides, Mechanism of antibiosis, Clinical application 近年来, 在临床治疗中结构新颖的抗生素发现 匮乏, 在过去的四十几年中仅有 3 类新的抗生素药 出现, lipopeptides, oxazolidinones 和 streptogramins, 且这几种均针对革兰氏阳性细菌 。新的治疗革兰 氏阴性菌抗生素的缺乏导致抗药菌群迅猛发展, 使 某些感染性疾病成为临床治疗的难题, 因此新的抗 菌策略问题急待解决。 抗菌肽(Antibacterial peptides)
[1]

是天然免疫的主要成分, 具有广谱性、高效性、选 择毒性、稳定性及不易产生抗药性等特点, 自发现 和研究至今被认为是现有抗生素的最佳替代品, 其 研究及应用已成为生物制药领域中的热点。目前不 同类型的抗菌肽已从各种生物包括细菌、真菌、植 物、昆虫、两栖类动物、鱼类、鸟类、哺乳类动物 和人体中分离出来并得到鉴定。抗菌肽代表了一种

基金项目：国家自然科学基金(No. 30600044, No. 30771463); 国家“863”计划项目(No. 2006AA02Z138) * 通讯作者：Tel: 023-65112674; : chenguoping@cqu.edu.cn 收稿日期：2008-06-26; 接受日期：2008-10-15

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新的抗生素替代品, 引起了广泛的研究兴趣, 有望 成为治疗耐药性抗药细菌的一个方法。本文结合近 年来国内外的研究报道, 介绍了抗菌肽的结构特 点、生物活性并重点阐述了其抗菌机制及临床应用 情况。

defensins 可以增强或抑制细胞内功能如趋化性、编 程性细胞死亡、基因转录以及细胞因子生产等 [10]。 3) 免疫激活：感染或损伤处所分泌的 Cathelicidins 和 defensins 对效应细胞具有趋化性, 诱导化学激活 素的转录及分泌和肥大细胞的组胺释放, 这些反应 一起则能促进先天的及获得性免疫细胞的补充 [11]。 4) 炎性及免疫抑制：哺乳动物抗菌肽除了具有促炎 性反应外, 也能阻止有害的炎症应答。Cathelicidins 能够抑制致炎细胞因子如 TNF-α 和 IL-6 的相关基因 转录、促炎症反应物质的释放及避免细菌感染后啮 齿类的脓毒症, 还能防止引起阻止损伤和炎症的毒 性组分的产生, 如 PR-39 抑制活性氧簇的生成。5) 免疫增强：抗菌肽可以通过调节树突状细胞的功能 和抗原特异性免疫应答而作用于先天及获得性免疫 界面 [12]。LL-37 能够诱导初期的单核细胞衍生的树 突状细胞的分化, 增加细胞内吞能力, 调节吞噬细 胞受体的表达和功能, 同时上调 CD86 的表达及增 加 Th1 细胞因子的分泌作用 [13]。

1

抗菌肽结构特点与生物活性
抗菌肽一般由小于 100 个氨基酸残基组成, 存

在很多赖氨酸、精氨酸及大于 30%的疏水性氨基酸, 大多带有一定量的正电荷。抗菌肽的家族成员十分 庞大, 目前已经有超过 900 种的抗菌肽被从各种生 物中分离鉴定出来。由抗菌肽的二级结构可以将其 分为 4 种种类：(1)带有 α 螺旋结构的线性肽如 cecropin A[2]、magainin[3]; (2)β 折叠肽如植物防御素 γ-2-purothionin 、hepcidin ; (3)具有环形结构的肽 如 subtilosin A[6]; (4)线形肽, 该类型抗菌肽通常带 有一个或多个占主导地位的氨基酸, 如从牛的嗜中 性细胞里分离出来的 indolicidin 由 13 个氨基酸残 基组成, 其中就含有 5 个色氨酸 [7]。前 2 种类型是 自然中最常见的抗菌肽类型。还有一些肽并不具有 以上单一的结构或者结构较为新颖, 人类 β defensin 2 既具有α螺旋也有 β 折叠结构 [8]。 从海洋两栖动物 中以螃蟹为食的蛙 Rana cancrivora 皮肤中首次分离 得 到 一 种 抗 菌 肽 cancrin, 氨 基 酸 序 列 为 GSAQPYKQLHKVVNWDPYG, 分析发现其一级结 构与已有的抗菌肽无相似性, 不能简单将其划分为 以上的任何一类抗菌肽 [9] 。除了天然存在的抗菌肽 之外, 还存在着许多人工合成的抗菌肽异构体, 现 在已经有许多专门收录各种抗菌肽的数据库, 如 APD 数 据 库 ： , ANTIMIC 数 据 库 ： Templar/DB/ANTIMIC/。 抗菌肽的活性与许多因素有关, 包括抗菌肽的 大小、序列、电荷、结构和构象、疏水性及双亲性 等, 其生物功能可以分为几个方面：1) 直接杀菌作 用：抗菌肽除了能杀灭革兰氏阳性菌、革兰氏阴性 菌外, 对病毒、寄生虫、真菌也具有活性。2) 免疫 系统调节物：最近许多研究认为在生理性环境里, 在先天免疫细胞(嗜中性粒细胞及上皮细胞)和连接 先天免疫及获得性免疫的细胞(单核细胞、巨噬细 胞、树状突细胞)中, 抗菌肽激发了一系列与炎症、 先天免疫及获得性免疫有关的生物效应。哺乳动物

[4] [5]

2

抗菌肽抗菌机制
抗菌肽能够选择性抑制细菌生长并杀死细菌,

细菌细胞膜脂质富含像磷脂酰甘油、心肌磷脂或丝 氨酸磷脂之类的磷脂首基而带有负电荷。与之相反, 哺乳动物细胞膜则主要由两性离子磷脂如脑磷酯、 磷酸卵磷酯、鞘磷脂等组成, 此外哺乳动物细胞膜 中还有一个重要的成分胆固醇, 可以与抗菌肽相结 合并降低其活性, 因此细胞膜成分的不同是抗菌肽 选择性杀伤细菌的一个主要因素 [14]。 目前多数研究者主要用磷脂膜模型体系来研究 抗菌肽与细胞膜的相互作用, 也有些研究者利用膜 潜在的敏感染料和荧光标记肽段来研究抗菌肽与细 胞的相互作用 [15]。关于抗菌肽的抗菌机制目前还没 有在研究者中达到一致意见, 根据现有的研究报道, 可以大致将其分为 4 个阶段(如图 1 所示)：1) 抗菌 肽与细胞膜的初级接触阶段, 2) 抗菌肽阀浓度及构 象变化阶段, 3) 膜透化阶段, 4) 细胞死亡阶段。

2.1

抗菌肽与细胞膜初期接触 关于抗菌肽与细胞膜的初期相互作用目前主要

存在两种说法, 分别是静电相互作用及受体介导的 相互作用。抗菌肽通过静电作用与微生物细胞膜结 合早已被普遍认可, 以革兰氏阴性细菌为例, 1997 年 Hancock 提出抗菌肽与细胞膜最初结合时, 与

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图1
Fig. 1

抗菌肽抗菌机制图

The antibacterial mechanism of antimicrobial peptides

LPS 结合的二价阳离子被抗菌肽竞争性代替, 且抗 菌肽与 LPS 的结合能力比阳离子 Ca 和 Mg 的结合 能力高出 3 个数量级
[16] 2+ 2+

但越来越多的研究也表明, 少数抗菌肽是通过受体 介导与细胞膜相结合, 其中研究最多的是 Nisin。 Nisin 能够与细胞壁合成的基本前体 Lipid Ⅱ特异性 结合, 促使革兰氏阳性细菌膜上形成孔洞从而对细 菌有很强的杀伤性。通过高分辨核磁共振分光检定 法(High resolution NMR)研究 nisin 和 Lipid Ⅱ 在 SDS 胶束中的相互作用, 结果认为 nisin 的 N 端首先 结合到 Lipid Ⅱ上, 发生结构重排, 而 nisin 的 C 端 则激活孔洞形成 [18]。另外发现不是所用的天然的 L 型抗菌肽与其 D 型异构体都具有一样的活性 [19], 因 此受体介导的相互作用对某些抗菌肽与微生物表面


。革兰氏阳性细菌缺乏细胞

外膜或者 LPS, 不过其细胞被膜上含有丰富的带负 电 荷 的 磷 壁 酸 和 糖 醛 酸 磷 壁 酸 。 Staphylococcus aureus 含有一种未知的抗菌肽抗性机制, 对防御素 不 敏 感 , Peschel A 等 人 研 究 发 现 其 抗 性 与 基 因 mprF 密切相关, mprF 控制 L-赖氨酸修饰磷脂酰甘 油的过程导致膜表面负电荷的降低, 而 mprF 缺失 的突变株对抗菌肽的敏感性增加 [17]。尽管关于抗菌 肽与细胞膜的静电相互作用在研究者中已达到共识,

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的结合及随后的杀伤活性十分重要。

肽至少是有 22 个氨基酸的 α 螺旋结构的肽, 或者是 有 8 个氨基酸的具有 β 折叠构象的肽 [23]。这个模型 已经提出超过 10 年了, 不过几乎还没有一个十分确 切的证据来证明此机制。 2) “环形孔”(虫孔)模型：“虫孔”模型首先 由 Hara T 等人在研究α螺旋肽 mafainins 和 PGLa 时 提出来, 最近有很多研究支持该模型, 其与“桶板” 模型最主要的不同在于脂类与抗菌肽一起形成跨膜 通道。通过 NMR、荧光淬灭及 CD 等方法证实, 胞 外的抗菌肽在与带电荷及疏水的细菌细胞膜相互作 用时, 形成α螺旋构象 [24]。 结合到细胞膜上的肽的疏 水残基极性头移位造成疏水域的裂口及引起细胞膜 正向弯曲拉伸。裂口与拉伸进一步破坏了膜的完整 性, 当抗菌肽与脂类的比率达到一定临界值时, 抗 菌肽开始垂直定向于细胞膜, 单环开始自我聚集, 形成动态的肽-脂类超分子复合物 [25]。 该环形孔的形 成及易位决定于抗菌肽与脂类的比率, 抗菌肽浓度 太高时由于其正电荷侧链静电排斥作用导致孔稳定 性降低。 有研究报道, 当脂类与 mellitin 的比率达到 50 时, 有直径 2.5 nm~3.0 nm 的孔的形成, 另外当该 比率增加时, 孔的直径随之增加 [20,26]。Magainin 诱 导生成的“虫孔”直径较 大, 内径 大约 为 3.0 nm~ 5.0 nm, 外径则为 7.0 nm~8.4 nm, 每个孔仅有 4~7 个 magainin 单体, 却有约 90 个脂质分子 [27,28]。 3)“毡毯”模型：阳离子抗菌肽平行排列在细 胞壁表面形成类似“毡子”的结构, 与其他模型一样, 阳离子抗菌肽通过静电作用结合到细胞膜上, 覆盖 在磷脂双层上, 当抗菌肽密度达到一定临界值时, 细胞膜能量恶化, 完整性丧失, 细胞膜出现显著的 弯曲从而破裂。此模型中阳离子抗菌肽的疏水部分 并 不 插 入 细 胞 膜 , 细 胞 膜 也 并 无 槽 的 形 成 [29] 。 Cecropin P1 以 这 种 机 制 作 用 于 微 生 物 , 通 过 对 cecropin P1 进行极化 ATR-FTIR 光谱学分析发现, 该肽最初定向平行于膜表面, 随着抗菌肽浓度的增 加在膜表面形成了肽单体的浓缩层, 最终导致细胞 膜的破裂 [14]。 4)“凝聚”模型：膜的透化作用对于抗菌肽的 抗菌活性是必要的但还不足以解释其杀菌活性, 某 些抗菌肽如 Gramicidin S 在低于其 MIC 时就能引起 最大程度的膜去极化, 这说明单单细胞膜去极化并 不是微生物死亡的最关键的因素。凝聚模型认为抗 菌肽插入到细胞膜后, 由肽和脂质组成胶束复合物,

2.2

抗菌肽与膜结合之后的主要变化
抗菌肽与细胞膜表面结合之后, 进入第 2 个作

用阶段, 可称之为阈浓度阶段。这个阶段首先包括 了抗菌肽在细胞膜表面的积累, 影响阈浓度的参数 很多, 如抗菌肽浓度、自我聚集的倾向和磷脂膜的 组成成分、流动性、首基的大小等
[20]

。可能影响阀

浓度的另外一个重要因素是许多细菌细胞膜的膜电 位(?ψ), 人们推测?ψ牵动着阳离子肽泳向非极性细 胞膜环境, 并有效地降低了孔洞形成的能量障碍。 一些抗菌肽的活性依赖于相当量的?ψ如 nisin, 当其 N 端的赖氨酸被亮氨酸取代之后, nisin 丧失其电压 依赖性
[21]

。

抗菌肽与细胞膜结合之后发生结构或构象的转 变, α螺旋肽很好地证明了这个说法。研究证明, α螺 旋抗菌肽在水溶液环境中呈无规则构象, 然而与磷 脂双层相结合后则迅速形成严格的两亲性α螺旋构 象。有趣的是, 一些抗菌肽只有与负电荷双分子层 结合时才能完成构象的转变, 如蛙皮肽 PGLa 与由 磷酸卵磷酯和鞘磷脂组成的膜结合时, 显示无规则 构象, 只有与由磷脂酰甘油和脑磷酯组成的膜作用 时, 形成α螺旋构象 [22]。 另有研究认为抗菌肽与细胞 膜结合之后, 抗菌肽之间或抗菌肽与脂质会相互作 用, 可能会形成络合物结构, 不过抗菌肽形成四 级结构的潜力与其自身单体的组成及构象有根本关 系 [14]。 2.3 膜透化机制 关于膜透化作用已经提出了许多机制, 由于微 生物超微结构的差异性, 同种抗菌肽可能通过不同 的抗菌机制作用于不同微生物。抗菌肽也可能用不 同的机制杀死同一个物种, 这决定于一些因素如生 长状态、组织位置、其他免疫机制的存在或缺乏等 等。以下讨论的 4 种机制是目前根据大量的研究得 出的理论, 要指出的是, 在这个领域的研究者们目 前还没有达到完全的意见一致。 1) “桶板”模型：数量相对较少的阳离子抗菌 肽在电荷的作用下, 结合在细胞膜表面并相互聚合, 肽分子中的疏水面向外朝向细胞膜的酰基链, 而亲 水面形成孔或槽, 形成横跨细胞膜的离子通道。离 子通道一旦形成, 外界的水分即可渗入细胞内部, 细胞质也可渗透到外部。由于失去能量, 严重时细 胞膜即会崩解而导致细胞死亡 [21]。形成跨膜的抗菌


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以凝聚物形式横跨细胞膜, 形成动态的孔, 抗菌肽 透过这种机制也可以进入胞内。与虫孔模型不同, 在此模型中抗菌肽没有特定的取向
[30]

抗菌肽在杀灭一些敏感病菌时效果不如特定的传统 抗生素好, 但其优势之一就是能有效的作用于多重 耐药性菌, 其杀菌作用十分迅速且具有复杂的细菌 胞内作用靶点。 与传统抗生素相比, 抗菌肽具有许多临床应用 的优点 [1]：1) 抗菌肽除了能杀灭细菌、真菌、寄生 虫和病毒之外, 也对癌细胞有一定杀伤作用, 此外 抗菌肽在先天及获得性免疫方面扮演着十分重要的 角色; 2) 传统抗生素对细菌的作用靶点通常是单一 的个体或者族群(如青霉素结合蛋白、拓扑异构酶 等), 而抗菌肽的作用靶点并不如此特定, 可能存在 多靶点; 3) 在耐药性上, 传统抗生素的抗药性菌产 生频率大约为 10?7 至 10?10, 或者仅仅在亚 MIC 浓 度下几代产生, 而对于抗菌肽来说, 耐药性一般不 能直接产生, 需要在亚 MIC 下诱导许多代后才有耐 药性菌的产生; 4) 抗菌肽由于蛋白酶的水解作用, 其半衰期较传统抗生素要短许多; 5) 抗菌肽可以相 对独立的发挥其抗菌作用, 也可以与其他因子协同 作用, 显示出更高的活性, 抗菌肽之间, 抗菌肽与 传统抗生素具有协同作用, 也与乳铁蛋白、溶菌酶 等发生作用以提高活性 [35]。

。

2.4

细胞死亡
仅仅是膜通透性的改变不能完全解释抗菌肽的

强杀菌作用, 细胞膜透化作用和细胞死亡不存在必 然的联系, 某些抗菌肽在最低有效浓度时不会引起 细胞膜的透化但是仍然可以杀死细菌。在细胞死亡 的过程中, 细胞膜的透化作用与细胞内功能的破坏 相比, 对细胞死亡的影响相对较小。许多抗菌肽穿 过细胞膜在细胞内积累并干扰胞内正常功能, 引起 细菌死亡, 因此研究者们认为抗菌肽存在着胞内作 用靶点。胞内杀菌机制主要有以下几种 [31]：1) 引起 胞内物质的絮凝反应, 2) 抑制细胞壁生成, 3) 与核 酸物质相结合, 4) 抑制核酸或蛋白质合成, 5) 抑制 酶的活性, 6) 改变细胞膜：抑制隔膜形成。鱼类抗 菌肽 pleurocidin 的衍生物, 在其有效抑菌浓度时可 以抑制 DNA、RNA 的合成而不引起细胞膜的透 化 [32]。两个来源于牛中的抗菌肽 Bac5 和 Bac7, 抑 制 E. coli 和 Klebsiella pneumoniae 中 蛋 白 质 和 RNA 的生成, 并引起 ATP 的下降阻止呼吸作用 [33]。 富组蛋白 Histatins 与真菌细胞膜上的一个受体相结合 后, 进入细胞质诱导正在进行积极呼吸的细胞 ATP 的 大量损失, 从而导致细胞死亡, 此外还发现 Histatins 可以破坏细胞周期并导致活性氧簇的产生 [34]。 综上所述, 抗菌肽的作用机制根据其作用细胞 的特异性、抗菌肽自身的浓度、微生物细胞膜的生 物物理性质等不同。与此同时, 在杀灭同一种微生 物时, 抗菌肽可能会运用超过一种机制, 如细胞膜 透化机制与抑制胞内一种或几种重要物质的正常功 能相结合来杀死微生物。另外需要注意的是, 在研 究中所使用的模拟膜系统、运用的方法、抗菌肽所 处状态的不同, 很可能得出的抗菌机制不同。目前 许多研究者用多种方法、从不同角度来研究抗菌肽 作用机理, 以期得到更为可靠的结果。

3.2

抗菌肽临床应用现状
抗菌肽类药物已经开始走入医药市场, 已知的

有两种局部性和两种全身性应用于临床的抗菌肽类 药物, 局部应用的药物包括 polymyxins 和 gramicidin S, 用来治疗由 P. aeruginosa 和 Acinetobacter baumannii 引起的感染, 临床证实其安全及有效, 也 没有发现抗药性。 不幸的是 Polymyxins 和 gramicidin S 都具有很大的毒性, 这阻碍了其作为全身用药的 使用。临床上一般将 polymyxins 和 gramicidin S 一 起用于烧伤后皮肤再生、手术伤口灌洗、消化道选 择性去污染、眼部的表面感染及小伤口感染等。后 续很多研究努力降低其毒性, 效果甚微, 却发现了 colistin (polymyxin E1、 E3)的前体 colomycin, 能 E2、 全身性的用于患有纤维囊泡症的病人的肺部感染[36]。 Daptomycin 是 1 种阴离子脂肽, 针对革兰氏阳性菌 有杀菌作用, 2003 年 9 月, FDA 批准其用于并发性的 皮肤感染, 有趣的是其功能依赖于 Ca2+, 在 Ca2+的 存在下 daptomycin 与细菌细胞膜的相互作用与阳离 子抗菌肽类似 [37]。 Pexiganan 是 magainin2 的 1 种同系物, 具有 22 个氨基酸, 是第 1 个应用于糖尿病并发症 LocilexTM


3
3.1

抗菌肽临床应用
抗菌肽临床应用优点 抗菌肽具有新的抗生素类所需要的很多特性,

它可以作为单独的抗菌剂使用, 也可以与传统的抗 生素联合使用具有协同作用, 作为免疫调制剂或中 和内毒素, 因此抗菌肽的临床应用潜力很大。尽管

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局部治疗的抗生素乳膏。1999 年 FDA 因为其效用 与现有的抗生素相比并不显著否决了这项新药, 尽 管在进行 II 期临床试验时, pexiganan 具有良好的疗 效
[38]

于插管相关的感染, 在已完成的 III 期临床试验中, MX-226 降低了 49%的局部导管感染率和 21%的导 管微生物定植, 2005 年 Migenix 和 Cadence Pharmaceuticals 合作启动了证实其抑制局部导管感染效力 的 IIIb 期临床试验。MX-594AN 是 1 种新的用于治 疗座疮的药物, 2003 年Ⅱb 临床试验完成( migenix.com)。除以上介绍的药物外, 还有一些抗 菌肽类药品进入临床或临床前试验状态, 如表 1 所 示 [1,40?42]。

。Iseganan 是猪的内源性抗微生物多肽

protegrin-1 的类似物, Trotti A 等报道 Iseganan 在Ⅲ 期临床试验中没有能够避免或减轻患有头与颈部恶 性肿瘤的病人在接受放射疗法时的口腔黏膜炎及呼 吸器相关性肺炎
[39]

。 目前应用前景很好的有 MX-226

和 MX-594AN 两种抗菌肽类药物。MX-226 主要用
表1
产品 Product Polymixin B-Collstin-Colomycin Daptomycin Cyanovirin-N Pexiganan Iseganan(IB-367, protegrin) Enfuvirtide, T-20 MX-226(CPI-226) PG-1 protegrin MX-594AN Neuprex P113/P113D Hlf1-11 D2A2 SB006 Plectasin IMXC001 lactoferricin-B HB 50 公司 Company RX Generic Drugs Cubist Pharmaceuticals Biosyn Genaera plymouthMeeting Intrabiotics Trimeris Cadencepharm Intrabiotics Migenix Xoma Corp Demegen/Pacgen AM-Pharma Demegen SpiderBiotech Novozymo Inimex Pharmaceuticals AM Helix Biomedix

抗菌肽类药物开发情况
治疗疾病 Applications 用于 G-引起的皮肤感染 用于 G+引起的皮肤感染, 脓毒症 HIV 病毒 应用于糖尿病并发症 LocilexTM 局部治疗 粘膜炎、胆囊纤维化、肺部感染 艾滋病 中心静脉导管感染 金黄色酿脓葡萄球菌等引起的腹膜感染 痤疮 脑膜炎 口腔粘膜炎 同种干细胞移植术中细菌和真菌感染 烧伤、感染 G-引起的感染 G-引起的感染 脓毒症 真菌感染 金黄色酿脓葡萄球菌引起的伤口感染 开发阶段 Phase of clinical trials 已上市 2003 年 9 月 FDA 批准上市 新药审查中 FDA 否决 Ⅲ期失败 Ⅲ期 Ⅲb 期 Ⅲ期 2003 年Ⅱb 完成 Ⅲ期失败 Ⅱb 期 Ⅱ期 Ⅱ期 临床前试验 临床前试验 临床前试验 临床前试验 临床前试验

Table 1 Clinical development of antimicrobial peptides

抗菌肽所具有的生物活性特点使之具有更广泛 的用途, 如被用来研究成为化学避孕套以防止性传 播疾病的传播, 也用来作为探针检测细菌或者真菌 类感染。在恶性肿瘤的治疗中, 多向性抗药(MDR) 是许多癌症化学治疗失败的原因之一, 通常由于 P糖蛋白的过度表达所引起, 研究证实一些抗菌肽通 过触发编程性细胞死亡或形成离子通道对癌细胞具 有细胞毒性且副作用与现有的传统化学治疗药物相 比要小很多, 其中的一些抗菌肽还可以作用于 MDR 癌细胞 [43]。抗菌肽除了能够直接发挥其抗菌作用外,


还可以作为药物载体。施药载体所必须具备的 2 个 条件是：1) 无毒性或低毒性; 2) 具有渗透细胞的能 力。Laszlo Otvos 将昆虫抗菌肽 pyrrochoricin 和其衍 生物作为施药运载工具, 证实 pyrrochoricin 同系物具 有运载抗原依赖性疫苗的潜力 [44]。Magainin 与溶于 50%乙醇的表面活性剂增强剂 N-月桂酰肌氨酸一起可 以破坏皮肤角质层中的脂质结构, 从而增加了 47 倍的 皮肤透过性, 这一结果对穿皮给药法意义重大[45]。 3.3 抗菌肽应用所面临的问题及解决方案 高生产成本是阻碍抗菌肽大规模临床应用的最

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首要的问题, 现有的抗菌肽价格大约为 50-400 美元 每克, 这对于大多数人都难以负担, 因此急需建立 商业化生产平台。很多研究者在致力于解决生产成 本的问题, T-20 是一种 HIV 结合抑制肽, 由 Roche 公司第一次采用固相-液相结合的方法实现其吨级 生产。合成法生产抗菌肽时, 减少肽的大小十分重 要, 很多药业公司开始寻找更小的抗菌肽。运用基 因工程手段, 在微生物中进行重组表达是减少成本 的 另 一 个 选 择 。 Novozyme 公 司 ()报道其利用真菌表达系统表达了符 合临床给药要求的高产量及高活性 Plectasin, 该表 达系统也已被用来生产其他的蛋白质。Plectasin 是 第一个具有临床应用潜力的真菌防御素, 动物实验 证实了其在治疗细菌性腹膜炎和肺炎的有效性 [46]。 尽管很多抗菌肽在体外试验中表现出了抗菌活 性, 但在生理盐及血清条件下, 其抗菌活性几乎消 失。人 β 防御素在高盐浓度的囊性纤维化支气管肺 液中丧失了其抗 P. aeruginosa 能力, 从而导致致命 的慢性感染
[47]

因素, 如可能存在的毒性问题、对抗菌肽的药效学 及药物代谢动力学研究的不足等, 不过研究者们都 在致力于解决这些问题。人们开始寻找更多的适合 大量生产抗菌肽的体系, 酵母菌、大肠杆菌、植物 等等表达体系都被用来研究其生产能力及活性。而 对天然抗菌肽的结构改造, 除了让其分子更小、活 性更高外, 也减少了对真核生物的毒性及缩小生产 成本。受到瞩目的耐药性问题虽然有研究证实其产 生的可能性, 但都是在严格的实验条件下, 经过很 多代的筛选而出现, 实际应用时相对来讲耐药菌的 产生还是很困难的。总之, 在传统抗生素耐药性问题 十分严峻的情况下, 抗菌肽的临床应用潜力很大。

4

结束语
抗菌作为天然免疫分子是许多生物抵御病菌感

染的“化学屏障”, 其有效抵御病毒的历史十分久远, 可能随着生物的进化而进化, 而一些研究也表明在 生物体内存在着抗菌肽的信号通路。因此, 可以认 为抗菌肽是生物体的一个部分, 其在生物体内所具 有的作用可能还有一些有待发现。另外其抗菌机制 不同于传统抗生素, 产生耐药性菌株的可能性大大 降低, 因此有很大的潜力成为传统抗生素的替代品 或辅助治疗品。 抗菌肽应用于临床方面有 2 个途径： 1) 直接作为临床应用药物, 杀死病原体; 2) 利用外 界刺激或者分子调控等方法调节内源性抗菌肽的表 达。前者已经有了许多进展, 尽管到现在为止真正 应用到治疗中的抗菌肽类药物很少, 也存在着一些 问题尚未解决, 很多这方面的研究工作正在进行, 一些大的制药公司也关注于几种抗菌肽并进行其临 床前及临床研究。对于第 2 种途径, 可能是解决很 多现代医疗难题的更好、更彻底的选择, 其面临的 挑战也更大。目前关于抗菌肽的研究十分多, 包括 从分子水平上研究抗菌肽基因的调控途径, 分析抗 菌肽结构与活性的关系, 人为改造或合成抗菌肽, 找到合适的生产体系以期得到商业化生产, 抗菌肽 药物的临床研究等等。我们相信随着研究的深入, 问题将一个个被攻破, 抗菌肽将会越来越多的造福 于人类。

。然而有些肽如 polyphemusins 其活

性对盐浓度不是十分敏感, 可以通过改变抗菌肽的 亲水疏水性、电荷及 α 螺旋度来降低多肽对盐的敏 感性 [48]。 抗菌肽抵御细菌等的感染已经有很长的历史, 其抗菌机制决定了敏感性细菌要产生抗药性的话, 其细胞膜结构必须有很大的改变, 而这种结构改变 极可能对细菌本身有着更大的生命威胁, 因此敏感 细菌的耐药性似乎不太可能。而抗菌肽的多样性、 感染方式的不同及抗菌肽作用机制的差异也预示着 天然的细菌群体产生抗药性的产生十分困难。不过 总存在着一定的病菌, 由于有着十分稳定的细胞膜 结构或功能性特点使之具有天生的耐药性。另 外 Perron GG 等报道, 在实验室中对 Escherichia coli 和 Pseudomonas fluorescens 进行持续不断的筛选, 经过了 600~700 代后, 22/24 的谱系独立进化出了可 遗传的对阳离子抗菌肽 pexiganan 的耐药性 [49]。这 一研究结果显示, 抗菌肽在临床应用时, 也有可能 导致耐药细菌的产生, 虽然其可能性比传统抗生素 小的多, 但也不得不提醒我们在用抗菌肽进行治疗 时进行严格的调控以避免耐药性的出现。 目前抗菌肽用于临床治疗还存在着其他的制约

参 考 文 献
[1] Marr AK, Gooderham WJ, Hancock RE. Antibacterial



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微生物学通报
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  本文关键词：抗菌肽的抗菌机制及其临床应用，，由笔耕文化传播整理发布。