抗菌肽在多领域的应用研究进展

沈何放，黄静，宋小平

（安徽医学高等专科学校 药学院，安徽合肥 230061）

抗生素的发现和使用拯救了无数患者的生命，但长期以来，抗生素的滥用对靶标病原微生物产生了选择压力，导致了广泛的耐药性，日益增长的细菌耐药性已经对人类的生命健康构成了极大威胁。不仅如此，常规抗生素的研发速度已经跟不上细菌产生耐药性的速度。1920—1980年，人们共发现了100多种抗生素，但在过去40年中发现的新抗生素很少，多重耐药的“超级细菌”的出现让临床陷入无药可用的困境[1]。因此，寻找能够替代抗生素且不易产生耐药性的新型药物至关重要，而具有独特杀菌机制的抗菌肽则成为潜在最有效的解决方案。

抗菌肽（Antimicrobial Peptides，AMPs）是活性小分子多肽，可由所有生物体产生，是先天免疫系统不可或缺的组成部分，是真核生物中抵御微生物攻击的第一道防线，也是原核生物的生存竞争产物，用以限制其他微生物的生长[2]。天然抗菌肽对多种细菌、酵母菌、真菌、病毒和寄生虫具有广谱的杀伤活性[3]。抗菌肽不仅能抵御病原体，还具有抗炎、免疫调节、中和内毒素等作用，受到了社会各界的极大关注[4]。以下将从多个领域对抗菌肽的应用进展进行综述。

1 抗菌肽作为临床药物的应用

1.1 抗菌药物

抗菌肽是应对多重耐药细菌挑战最具潜力的候选抗菌药物，既可以单独使用，也可以与常规抗生素、抗病毒药物或其他抗菌成分联合使用以获得协同效应[5]。目前已有部分抗菌肽被国家药品监督管理局和FDA批准上市，且有多种抗菌肽已经处于临床前阶段或临床试验阶段。例如，达托霉素、万古霉素及其衍生物、多粘菌素（包括粘菌素和多粘菌素B）等都是已经在临床得到验证的强效肽类抗生素。富组蛋白（histatin）是一种富含组氨酸的阳离子唾液抗菌肽，具有很强的抗念珠菌活性，其衍生物PAC113在Ⅰ期和Ⅱ期临床试验中已被证明是治疗和预防口腔念珠菌病的潜在药物[6]。奥米加南（Omiganen）的五盐酸盐（MBI-226）是一种阳离子抗菌肽，已被证明对1 437种临床细菌和214种临床酵母菌有效，其用于治疗酒糟鼻的Ⅲ期临床试验已经完成[7]。人乳铁蛋白及其各种衍生物已被证实为对抗细菌、真菌和病毒感染的有效药物。例如，人乳铁蛋白1-11（hLF1-11）是一种具有广谱抗菌和抗真菌活性的抗菌肽，已被开发用于治疗免疫受损的干细胞移植受体患者的细菌和真菌感染[8]。此外，诺瓦克汀（Novexatin，又称NP213）是一种环状抗真菌肽，可有效穿透人体指甲，已被提出用于治疗局部甲癣（即真菌性指甲感染）[9]。

1.2 抗病毒药物

抗菌肽能够通过病毒靶向或宿主靶向作用机制表现出抗病毒活性。病毒靶向的抗病毒作用机制通常为抗菌肽对病毒颗粒的直接作用，包括对病毒包膜的裂解和对某些病毒成分的抑制。而宿主靶向的作用机制则与干扰宿主细胞膜中的病毒结合位点和阻断病毒吸附有关[10]。目前已有多种天然或人工设计的抗菌肽对多种病毒表现出抗病毒活性。例如，人类免疫缺陷病毒（HIV）融合抑制剂恩夫韦肽（Enfuvirtide）是一种人工合成的36氨基酸肽，被FDA批准用于HIV-1感染的联合治疗。HIV融合抑制剂西夫韦肽（sifuvirtide）可以有效抑制HIV复制并表现出对恩夫韦肽耐药HIV-1毒株的高活性，目前已经进入Ⅱ期临床试验[11]。波普瑞韦（boceprevir）和特拉匹韦（telaprivir）已经被FDA用于治疗基因1型慢性丙型肝炎病毒（HCV）感染[12]。上述两者是选择性蛋白酶抑制剂，能够阻断HCVNS3/4A丝氨酸蛋白酶的活性，而此种蛋白酶活性对病毒复制至关重要[12]。另有研究证明广谱抗冠状病毒多肽EK1对多种人类冠状病毒表现出广泛的融合抑制活性，其衍生物EK1C4对SARS-CoV-2刺突蛋白介导的膜融合的抑制活性比EK1提高240倍[13]。

1.3 抗菌肽耐药性风险

不同于传统抗生素作用成分靶标和作用机制的单一性，抗菌肽通过多种机制作用于不同的细菌结构靶标，因而耐药性的产生较为罕见[14]。然而据报道，细菌已经出现针对抗菌肽的各种细菌耐药机制，包括修饰细胞表面成分、降解抗菌肽、抗菌肽外排等[15]。与抗生素相比，细菌对抗菌肽的耐药性通过非特异性和内在机制发生，因此这些相关基因的水平转移发生频率和概率都较低。以上证据表明抗菌肽的耐药性风险较低。

2 抗菌肽在食品领域的应用

2.1 食品防腐剂

抗菌肽在食品领域已开始用作食品防腐剂。例如，乳链菌肽是由乳酸乳球菌自然产生的抗菌肽，其可以抑制革兰氏阳性食源性致病菌和腐败细菌，已在50多个国家获得食品添加剂许可。乳铁蛋白在美国已被批准用作肉类产品的抗菌剂。胃蛋白酶消化的乳铁蛋白衍生物乳铁蛋白素（lactoferricin）是一种更有效的抗菌肽，由于其耐热性更强，在食品保存方面具有更大潜力[16]。ε-聚赖氨酸是由白链霉菌产生的L-赖氨酸多聚物，具备针对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌的广谱抗菌活性以及抗病毒活性，已被FDA批准作为食品防腐剂[17]。纳他霉素（Natamycin）是一种来源于链霉菌的抗真菌抗菌肽，已经被成功应用到甘薯的保存中[18]。

2.2 食品抗菌包装

抗菌肽混入食品中有助于食品的保存，此外将抗菌肽通过吸附或固定化涂覆在包装主体聚合物表面上也能够起到保存食品的作用。多种抗菌肽，例如溶葡萄球菌素（lysostaphin）和植物霉素S（plantaricin S）都可以单独或与有机酸和酶组合成为抗菌包装组分[19]。皮肤菌素（Dermaseptin）对多种病原微生物具有抗菌活性，已被掺入到不同的食品涂料中，并对霉菌和好氧细菌表现出显著的抑制作用[20]。在传统的应用中，由于抗菌剂与食品成分的直接混合，导致其活性可能迅速降低，将抗菌肽与食品包装材料结合而非直接添加到食品的策略可以通过仅允许释放所需量的抗菌肽来提高其对食品的保护效率。在短杆菌肽A（Gramicidin A）结合的不可降解薄膜的研究中，证实了抗菌肽从薄膜中缓慢释放，能够长时间抑制细菌生长[21]。因此，将抗菌肽从包装材料逐渐释放到食品表面的方法可能比其他混合型的方式更具优势。

3 抗菌肽在畜牧业中的应用

3.1 抗菌

动物饲料中补充抗生素是预防感染性疾病和提高饲料效率的常见做法，不仅会造成细菌耐药，还存在耐药性基因从细菌漂移到人体的风险。目前抗菌肽已开始作为传统抗生素饲料添加剂的替代品，研究显示，在断奶仔猪日粮中添加抗菌肽Gal-13、WK3和Cecropin AD，其能够增强仔猪免疫功能，减少仔猪肠道病原体[22-24]。在最近的一项研究中，研究人员将抗菌肽piscidin（EP）重组表达产物rEP用作饲料补充剂，结果显示，与对照组相比，添加rEP后，家鸡的体重、饲料效率、白介素-10和干扰素-γ水平明显提高[25]。除了将抗菌肽添加到饲料中外，其转基因表达也是另一项有效策略，例如，牛乳铁蛋白和人乳铁蛋白在转基因山羊乳腺中的表达，赋予了其针对多种病原体的广谱抗菌活性，可有效减少乳腺感染[26]。

3.2 抗病毒

抗菌肽已被证明能有效对抗动物感染病毒，如非洲猪瘟病毒（ASFV）、猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）和猪流行性腹泻病毒（PEDV）[27-29]。研究显示，猪肠抗菌肽（SIAMP）处理过的鸡胚中，传染性支气管炎病毒（IBV）引起的死亡率显著降低，这是因为抗菌肽SIAMP阻断了IBV与宿主上皮细胞的结合，从而抑制了病毒复制[30]。在另一项研究中，猪白细胞起源的抗菌肽PG-1对猪繁殖和呼吸综合征病毒（PRRSV）感染Marc-145细胞或猪肺泡巨噬细胞（PAMs）的附着阶段完成了特异性阻断，从而抑制了病毒复制[31]。

4 抗菌肽在水产养殖中的应用

数据显示，2020年中国水产总产量6 549万t，水产养殖总产量5 224万t，占水产品总产量的比重达79.8%，但大规模高密度的养殖导致水产疫病频发，这也被认为是导致重大经济损失的主要问题之一[32]。而使用抗菌肽可以消除水产养殖环境中的有害微生物，具备替代传统抗生素的潜力。在早期的研究中，合成的抗菌肽epinecidin-1在水体中显示出对多种细菌的抗菌活性，如大肠杆菌、多杀性巴氏杆菌、气单胞菌、疏螺旋体和弧菌属等水产养殖有害菌[33]。最近的一项研究表明，多种合成抗菌肽在水体中具有体外抗菌和抗病毒活性，如青蛙抗菌肽caerin1.1、鱼类抗菌肽dicentracin和NK-赖氨酸肽（NKLP）[34]。NKL-24是一种来自斑马鱼的抗菌肽，其通过破坏细胞膜通透性对副溶血弧菌产生有效的抗菌作用[35]。HU等[36]提出来自石斑鱼的抗菌肽EmPis-1能够安全且有效地对抗氨苄西林和卡那霉素耐药性致病菌。研究表明，全长和截断形式的EmPis-1可以在水体中低于10 μmol/L的浓度下通过破碎细胞膜和裂解细胞的方式有效地杀死抗生素耐药性大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和副溶血弧菌。

5 结语

抗菌肽是生物体先天免疫的重要组成，对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、真菌和病毒等病原体具有广泛的灭杀作用且不易产生耐药性。本文综述了抗菌肽在临床药物、食品保存、畜牧业和水产养殖领域中的应用研究进展。尽管抗菌肽在这些领域都表现出了良好的应用前景，但是诸多天然抗菌肽在稳定性、毒性或效力等方面存在缺陷，需要通过氨基酸替换、串联表达或从头设计等技术路线进行改造优化[37-38]。天然抗菌肽的改造结果往往难以预测，需要持续深入的研究。