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Development of antibacterial peptides

抗菌肽的研究进展



全 文 :抗菌肽的研究进展
朱颐申,王卫国,邱 芊,韦 萍!
(南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 !"###$)
摘 要:抗菌肽是一大类具有新型抗菌机理的抗生素,本文综述了抗菌肽的分类情况,抗菌肽的作用机制,以及部
分正在开发的抗菌肽品种。
关键词:抗菌肽;抗菌机理;新药开发
中图分类号:%&"’ 文献标识码:( 文章编号:"’)! * +’),(!##-)#+ * ###& * #&
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传统发酵法生产的抗生素由于作用效果差、抗
菌谱窄等问题,在临床应用中受到严格限制,因此在
医药市场上逐渐被化学合成抗生素代替。随着病原
体抗药性的提高,抗生素的疗效正在逐渐降低,例如
!##+年上半年由于 F(UF病毒引起的疫情甚至不能
用现有的抗生素药物控制。
三十多年来,新型合成抗生素药物研究进展缓
慢,只有极少数新型抗生素化学结构的报道出现。
而且这些新型抗生素抗菌谱窄、应用范围有限和有
较大的毒性而限制了广泛使用。另一方面,人类对
自身健康和环保问题认识的不断提高,药物副作用
的研究大大加强,不少合成抗生素被发现有潜在的
致癌、致畸和致突变作用,使新型化学合成抗生素的
开发难度越来越大。研究结果表明,抗菌肽的抗菌
谱广、杀灭微生物的作用强,在抑制细菌移位、防治
感染方面效果特异,因此抗菌肽的研究应用已成为
当前医药研究的热点。抗菌肽作为一大类新型抗菌
机理的天然抗生素,具有广泛的应用前景。
从植物、昆虫到人类,所有的生物都能产生抗菌
肽。它作为生物体内及时有效的、非特异性的防御
屏障,具有抵抗感染的能力。!# 多年前,在昆虫淋
巴、人体嗜中性粒细胞的颗粒以及蛙皮中,都发现了
能杀死培养基中细菌的小肽化合物。从那时起,在
各种生物中,包括细菌,真菌,昆虫,背囊动物,两栖
动物,甲壳类动物,鸟,鱼,哺乳动物和人类,共发现
了 ’##多种抗菌肽["]。
传统抗生素通过消除微生物生长或生存必不可
少的功能,如使酶的活性失活等,达到杀菌目的。细
菌则改变基因应对,而且只要改变一种基因就足以
抵抗抗生素的进攻,变化速度之快是难以观察到的。
抗菌肽通常包括 !#至 &# 个氨基酸残基,通过电荷
中和的方法与细菌细胞膜相互作用,以此穿透、杀死
! 收稿日期:!##+3"#3+#
作者简介:朱颐申("$)!3),男,博士生,讲师,研究方向:多肽固相合成及多肽药物制剂研究。O6C:#!&3,+&,)++#,@3J?2C:V5第 !卷第 +期
!##-年 ,月
生 物 加 工 过 程
B527646 X=(<;T !##-
· & ·
万方数据
细菌,因此极大地减少了细菌产生抗药性的可能性,
因为细菌必须改变表面膜结构、即改变相当数量的
基因,才能防御抗菌肽的进攻,而这几乎是不可能
的,因此细菌就失去了连续抵御抗菌肽进攻的能力。
此外,抗菌肽除了能直接杀灭微生物外,对恢复
和促进宿主免疫系统、提高群体基因在真核细胞中
的表达等方面可能也有一定的作用。
! 抗菌肽的分类
由于研究角度的差异,抗菌肽的分类有多种看
法。
有些分类以抗菌肽来源为主。如傅南雁等人[!]
根据抗菌肽的来源及结构特征,将其分为杀菌肽、爪
蟾抗菌肽、防卫肽和 "#$%&’()*+,四类。他们认为,几
乎所有的抗菌肽在本质上都是阳离子型的;不论其
构象如何,两亲结构是抗菌肽的共同特征。贾素娟
等人[-]根据抗菌肽来源分为微生物产生的抗菌肽、
动物产生的抗菌肽和植物产生的抗菌肽三类。
有人按合成部位不同,将抗菌肽分为非核糖体
合成的多肽和核糖体合成的多肽[.]。
另一种分类根据抗菌肽结构和三维构象的差
异[/]进行,这种分类方法包含了大部分已经发现的
抗菌肽,包括以下四类。
第一组:具有!螺旋结构的线性肽,如蜂毒肽、
蛙皮肽、天蚕抗菌肽等;
第二组:含有二硫键的"折叠结构,如防御肽、
昆虫防御肽等;
第三组:由一种或多种氨基酸为主构成的多肽,
如 012-3、456*6$+,等;
第四组:具有环形结构的多肽,如 7#$8),)$+,、
1#,#()9+,等。
与其它分类相比,这种分类方法将大部分具有
共性特点的抗菌肽包括在同一分类,有助于对抗菌
肽进行系统分析。
" 抗菌肽作用机理的研究
抗菌肽首先与病原体细胞膜的靶部位产生相互
作用。在这一过程中,起主要作用的是静电力、受体
介导的细胞膜相互作用力。
:)静电力作用
抗菌肽的选择性与其电性有密切关系,不同种
类的抗菌肽具有相当高的结构保守性,并且带有电
荷。无论来源如何,抗菌肽都能形成两亲性结构,在
生理 ’;条件下,常带有正电荷。通常抗菌肽具有
至少两个以上的正电荷结构,带正电荷的抗菌肽与
带负电荷的微生物细胞膜之间产生强烈的静电引
力[<]。=#>5+等人[?]发现,许多含有赖氨酸残基和精
氨酸残基的抗菌肽通过静电力与细胞膜磷脂双分子
层的磷脂基团产生相互作用。
!)受体介导的细胞膜相互作用
早期研究结果表明[@,3],分别完全由 A 型或 4
型对映体构成的天然肽和模型肽,其抗菌活性相同,
因此认为抗菌肽与病原体结合不是受体介导的。但
是,近期的研究表明可能存在一些例外情况。
BC,,#D等人[:E]制备了一种富含脯氨酸和精氨酸残
基的多肽化合物,全 4型多肽与全 A型多肽相比,
抗菌活性相差高达 : EEE倍。0#’6等人[::]制备了两
条 :/个氨基酸残基的小肽,分别由 :/个 A2氨基酸、
:/个 42氨基酸组成。全 A2氨基酸残基小肽具有高
溶血性,血浆中失去活性;而 4对映体小肽没有溶
血能力,血浆中保持完全的活性。这些表明,受体介
导作用是某些抗菌肽与细胞膜结合的重要手段。
大量实验报道集中探讨抗菌肽与细胞膜接触之
后的渗透、穿过细菌细胞膜的机理[:!],以下列举了
一些可能显著影响抗菌肽作用机理及其选择性毒性
的条件。
! F: 最低抗菌浓度
抗菌肽与细胞膜接触之后,抗菌肽与细胞膜相
互作用进入下一阶段。在这一阶段,抗菌肽开始进
入并穿过磷脂双分子层,与细胞膜内的靶点作用,发
挥抗菌活性。一定的肽浓度是抗菌活性必不可少的
条件,有多种影响因素,包括抗菌肽浓度、磷脂膜组
成、流动性、末端基团组成等[:-],细菌细胞膜的电负
性也是影响因素之一。
75)CG+,G[:.]等人将乳链菌肽 H末端赖氨酸残基
置换为亮氨酸后,H末端电负性发生变化,乳链菌肽
完全丧失了电压依赖性,这表明乳链菌肽 H末端区
域首先与细胞膜结合,很多阳离子抗菌肽都有类似
的作用机理。
! F! 构象转移
抗菌肽与细胞膜结合后,抗菌肽,特别是!2螺旋
型抗菌肽的构象会发生变化。如对 $)$56’+,类似物
的研究发现,抗菌肽 $)$56’+, 的!2螺旋程度与模型
细胞膜的电负性磷脂数量有关[:/]。而"2折叠的抗
· < · 生物加工过程 第 !卷第 -期
万方数据
菌肽结构较稳定,!"#$%&’()*+含有!型",折叠结构,
从水溶液转移至模拟细胞膜的环境后发现,条件变
化不会显著改变构象[-.]。
/ 01 自组装及多聚化
抗菌肽与细胞膜结合后,细胞膜内肽与肽之间、
肽与磷脂之间的相互作用形成一些复杂的空间结
构,这些结构与抗菌肽的作用机理有一定的联系。
肽与肽之间的、肽与细胞膜之间的疏水及亲水功能
区相互作用,能使两亲性小肽比其它方式更深入细
胞膜中心。通过这种方式构成的肽复合物可能形成
跨膜通道或小孔,目前已经提出了多种抗菌肽跨膜
机理模型,如栅桶模型、环孔模型、毯式模型、两态模
型等。
栅桶模型[-2]认为,当抗菌肽浓度达到一阈值
后,细菌细胞膜上的抗菌肽分子单体产生聚集,形成
管束状结构,#,螺旋或",折叠的抗菌肽疏水表面向
外与细胞膜的疏水链相互作用,中间为一亲水性通
道,由亲水性基团组成。磷脂和抗菌肽构成一种超
分子结构的过膜通道,由抗菌肽极性表面与磷脂极
性基团组成。
与栅桶模型不同,环孔模型主要是针对一些#,
螺旋的抗菌肽,这些肽与带电荷的、疏水性的细胞膜
接触后,形成#,螺旋结构,运用 345等分析方法证
实这种螺旋结构平行于细胞膜表面[-6]。当抗菌肽
4"7"*+*+与磷脂的比例达到 - 8 19时,肽垂直于细胞
膜,螺旋结构产生自结合,极性残基不再与细胞膜的
疏水链接触,这样就构成了动态的肽,磷脂超分子,
或称为环孔复合物[-:]。;"+7 等人[/9]证实,抗菌肽
形成环孔状生物物理学结构。部分抗菌肽随着环孔
的解聚分布到细胞浆膜上[/-],表明环孔解聚可能是
抗菌肽进入微生物细胞内靶部位的关键过程。
对人源抗菌肽 <<,12的抗菌机理研究发现[//],
<<,12的两亲性#,螺旋首先与细胞膜双分子层保持
平行状态。不同温度和肽浓度条件下,与阴离子型
或两性双分子层也能保持这种状态。因此,排除了
<<,12采用栅桶模型抗菌机理的可能性。但是,<<,
12对细胞膜的扰动受到磷脂类型、胆固醇含量、静
电因素等影响;<<,12 能增加片层性,对 => 模型磷
脂体系、>)#$(?*#$*" #@’*磷脂的相转变温度有反转作
用,证明这一小肽能诱导这些体系的曲张力。这些
结果表明,<<,12是以环孔模型机理发挥抗菌作用。
毯式模型[/1]认为,抗菌肽通过扩散的方式破坏
细菌细胞膜。抗菌肽分子首先聚集在细胞膜的表
面,浓度逐渐增大到一定程度后,细胞膜表面就象被
覆盖了一层地毯,磷脂的置换改变了细胞膜的流动
性,也破坏了细胞膜的屏障作用,最后导致细胞膜破
裂。A(#?@&*+ =- 的抗菌作用即采用这种方式[/B]。
这一模型并不要求抗菌肽具有特殊的四级结构,当
在细胞膜上达到一定的密度或浓度时,细胞膜的完
整性就被破坏,抗菌肽产生相应的抗菌作用。
CD"+7[/E]提出了抗菌肽的两态模型作用机制,
该机制能够用于解释包括螺旋结构和折叠结构在内
的抗菌肽与血浆细胞结合后的抗菌作用。他认为,
每一种抗菌肽与磷脂双分子层结合时都有两种显著
不同的物理状态。当 = F <(抗菌肽与磷脂的摩尔比
例)较低时,抗菌肽以非活化态形式被吸附在磷脂层
的头部区域。当 = F < 高于临界值 = F 形成对细胞致命的多孔型结构。抗菌肽对细胞的灵
敏度取决于 = F 有实验发现,不同细菌对同一种抗菌肽的灵敏度和
亲合力之间没有相关性,不同的抗菌肽选择性地杀
死不同的病菌,并且抗菌肽对不同的真核细胞表现
出各异的溶胞活性。该模型对这些现象做出了相应
的解释。
抗菌肽同时发挥多种作用,达到迅速有效地抗
菌活性,这些作用不可逆地破坏了细菌的细胞结构
及功能。尽管不同类型的抗菌肽由于来源、组成及
构象不同,具有很大的差异性[/.],但也有一些共同
的特征:-)通过静电力、疏水作用等亲合力与靶细胞
相互作用;/)造成靶细胞膜构象变化;1)当抗菌肽浓
度达到一定阈值时,在细胞膜上形成孔径或通道,使
细胞膜破裂;B)细胞膜破裂后,直接或间接地丧失功
能;E)抗菌肽穿过细胞膜进入细胞内的靶部位。
! 新型药用抗菌肽的临床应用研究
通常认为天然抗菌肽是开发新型抗菌药物的先
导化合物[E]。已经发现,对抗菌肽的分子大小、序
列、电性、螺旋性结构、疏水性、亲水亲油性等进行结
构改造有助于提高其抗菌活性。表 -列出部分天然
及合成抗菌肽的来源及抑菌能力。
/99B年 6月 朱颐申等:抗菌肽的研究进展 · 2 ·
万方数据
表 ! 部分天然抗菌肽的来源及抗菌性质[!]
"#$%& ! ’()*+&, #-. #-/01$#+/&*0#% 2*(2&*/0&, (3 ,(4& -#/)*#% #-/01$#+/&*0#% 2&2/0.&,
名 称 来 源
最小抑菌质量浓度(45 6 47)
(大肠杆菌) (金黄色葡萄球菌) (白色念珠菌)
89:! 人中性白细胞 ; <= >?!
8@A1> 人皮肤 B !C B
:*(/&5*0- 猪 =?< C D
E*#40+0.0- ’ 细菌 F C C
:(%G4GH0- @ 细菌 =?< >C >C
I&+*(20- @ 蚕 < ; C==
J-.(%0+0.0- 牛中性白细胞 !B F D
有多个抗菌肽及其衍生物正在进行人用或兽用
药品的临床研究,这些临床研究包括肺炎、脓毒性休
克、口腔粘膜炎等。已经证实 K@J1CL、K@J1CF 能保
护 :? #&*)50-(,#引起的腹腔感染,J-.(%0+0.0-脂质体
对小鼠真菌全身感染有保护作用。表 C列出部分已
进入临床研究的抗菌肽。
表 C 药品开发公司及正在研制的部分抗菌肽
"#$%& C :M#*4#+&)/0+#% +(42#-0&, #-. ,(4& #-/01$#+/&*0#% 2&2/0.&
.*)5, 0- .&N&%(24&-/
公司名称 抗菌肽 适应症
K#5#0-0-制药公司 :&H05#-#- 溃疡
K’J1OO 抗菌药、抗癌药
K0+*(%(50H生化
技术公司
K@J K@J CCB
粉刺
导管脓毒症
J-/*#$0(/0+,公司 J,&5#-#- 粘膜炎
Q(4#公司 9&)2*&H 脑膜炎
A&4&5&-公司 :1!>> 口腔念珠菌病
I)$0,/制药公司 A#2/(4G+0- 脓血症
PK公司 7#+/(3&**0+0-1@ 抗真菌药
R-/(4&.公司 8&%0(4G+0- 抗菌药
"*0:&2公司 E:E 8JS
"*04&*0,公司 R-3)N0*/0.&("C=) 8JS(C==> 年 < 月 !>
日上市)
蛙皮提取的 K#5#0-0-,是第一种进入药品开发
程序的抗菌肽,其抗菌肽衍生物 :&H05#-#- 在治疗
2(%G40+*($0+ .0#$&/0+ 3((/ )%+&*方面进行的 OCB例!期
临床试验发现,口服抗菌肽 :&H05#-#-与口服氧氟沙
星是等效的。抗菌肽 P4$0+0- 和 J,&5#-#- 已成功地
完成了"期安全性评价,加拿大 K0+*(%(50H @0(/&+M公
司的两种抗菌肽进入#期或!期的严重粉刺感染的
临床研究。其中 C=!名健康志愿者参加的 K@J1CCB
#期临床试验结果表明,在诱导期只有极小的刺激
反应;与阴性组对照,蓄积刺激反应更小。
三肽公司正在研制的小肽 E:E,已经在欧洲进
行" 6#期临床试验。治疗两周以上发现,病毒复制
减慢,显示出一定的抗 8JS应用前景。
! 展 望
抗菌肽的应用领域不断拓展,包括抗细菌、抗真
菌、抗病毒和抗肿瘤等各种作用。进入临床研究的
抗菌肽数量不断增加,应用前景良好。抗菌肽对免
疫系统调节作用不仅是作为内源性抗生素、也是一
种炎症调节剂。
今后抗菌肽的相关研究重点将会在以下一些领
域:$鉴别新型抗菌肽;%抗菌肽的生理活性功能研
究;&研制各种高效低成本的抗菌肽制备生产系统,
包括基因工程方法、人工合成法、天然抗菌肽提取纯
化等制备方法;’以天然抗菌肽为母体化合物,进行
结构改造,得到药物新化合物。随着抗菌肽理论及
应用的研究日益深入,利用抗菌肽发展新型抗菌抗
感染治疗方式将有广阔的前景。
参考文献:
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万方数据
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