阳离子宿主防御肽的功能及其临床应用的研究进展

于函冬 , 崔 琪 , 孔令聪 , 刘树明 , 马红霞

(1. 吉林农业大学动物医学院，吉林 长春 130118 ； 2. 吉林农业大学生命科学学院，吉林 长春 130118)

阳离子宿主防御肽(Cationic host defense peptides，CHDPs)是一种含有亲水和疏水侧链的两亲性多肽，一般含有12～60个氨基酸，是微生物、植物、无脊椎动物、两栖动物和哺乳动物等生物体内先天性免疫防御系统中的重要组成部分[1]。因其具有特异性杀伤细菌、不易产生耐药性、调节宿主的免疫反应、抑制炎症加剧以及可单独使用或与抗生素联合使用的特点，被作为新型抗菌药物的理想来源。目前已知CHDPs的种类超过3 250多种，均收录在抗菌肽数据库(APD：http://aps.unmc.edu/AP/)中，其中还包括一些合成肽。目前抗菌肽也存在一些具有争议或需要解决的问题，如生产成本高，半衰期短，具体的耐药机制尚未明确等，导致部分CHDPs被迫中止临床试验。随着新型技术的发展，人工改造抗菌肽类衍生物不断涌现，以期达到最好的治疗效果。本文主要阐述了近年来CHDPs及其衍生物的功能、临床应用的研究进展，以期为CHDPs的进一步研究提供理论依据。

1 CHDPs的功能

1.1 抗菌活性 近年来有关CHDPs的抗细菌机制的研究已经较为深入，主要分为膜透化机制和非膜靶向机制。膜透化机制包括带正电的CHDPs与带负电的细胞外膜通过静电相互作用结合，以及通过与细胞内膜之间的疏水相互作用结合。Schneider等[2]发现鸡肠毒素(Cath-2)可通过电荷间的相互作用与细胞膜外膜结合，进一步与细胞内膜上带负电荷的磷脂相互作用，最终导致细菌细胞内容物外泄，细胞死亡。非膜靶向机制分为CHDPs与胞内作用靶点相结合和抑制细胞壁的形成2个部分。研究表明CHDPs存在胞内作用靶点，可与核酸物质结合，阻止DNA复制、RNA合成，进而抑制蛋白质的合成、细胞的分裂、胞内酶的活性，从而干扰细菌正常代谢，最终达到抑菌的目的。Mardirossian等[3]从宽吻海豚中发现了一种富含脯氨酸的抗菌肽Tur1A，可通过与核糖体结合并阻止基因转录从起始阶段到延伸阶段的转变来抑制大肠杆菌蛋白质的合成从而导致细菌死亡。CHDPs可以与细胞壁合成所需的前体分子相结合，从而达到破坏细胞壁的目的。de Leeuw等[4]发现防御素(HNP1)可与细胞壁前体脂质II结合，从而抑制细胞壁的形成，起到抗菌作用。目前有关CHDPs抗真菌活性的机制还有待深入研究，已知CHDPs可通过影响真菌结构，改变真菌细胞膜的通透性以及线粒体的功能进一步影响真菌的代谢，抑制其活性。do Nascimento Dias等[5]报道多肽ToAP2和NDBP-5.7可影响白色念珠菌的膜通透性，并引起真菌细胞形态的变化，最终导致其死亡。Puri等[6]发现唾液中的组蛋白5可以通过影响白色念珠菌线粒体的功能进而抑制其活性。Alexander等[7]报道了一种设计合成的抗真菌多肽PAF26，对细胞的杀伤是复杂的，且依赖于细胞外钙和钙调节机制的组件。Jiang等[8]发现枯草芽孢杆菌产生的iturin A可通过改变真菌细胞结构，下调与转运、渗透压、氧化还原过程和能量代谢相关基因的表达，从而抑制真菌的代谢。

1.2 抗病毒活性 相关研究表明，CHDPs体外可抑制包膜病毒如流感病毒、卡波西肉瘤相关疱疹病毒，即通过破坏病毒被膜的稳定性，从而抑制病毒粒子并破坏其传染性[9]；也可通过减少病毒复制或结合病毒衣壳，导致病毒基因组的脱壳和核进入，最终导致病毒裂解死亡。同时，CHDPs对无包膜病毒(如鼻病毒、人乳头瘤病毒16和腺病毒)也具有抑制活性，可使病毒颗粒聚集，抑制病毒复制、蛋白质的合成以及蛋白激酶C(PKC)的活化，导致病毒死亡。Harcourt等[10]建立了一个更接近人类气道上皮的气液界面(ALI)CALU-3模型，发现在呼吸道合胞病毒(Respiratory syncytial virus，RSV)感染前预先与病毒孵育的LL-37可显著降低感染的CALU-3细胞中的病毒基因组水平，说明了LL-37预防RSV感染和复制的有效性。He等[11]在非洲绿猴肾细胞(Vero细胞)中发现GF-17和BMAP-18两个肽在10 μmol/L时具有较强的抗寨卡病毒(Zika virus，ZIKV)活性，毒性较小，可直接灭活病毒，也可通过干扰素途径来抑制ZIKV。

1.3 抗肿瘤和抗寄生虫活性 CHDPs对寄生虫和肿瘤细胞同样具有抑制作用。研究表明，CHDPs可以在寄生虫的膜结构和细胞内发挥作用。Kulkarni等[12]发现α-防御素、马维菌素和放线菌素型抗菌肽可通过影响能量的产生、DNA的降解及物质转运等方式杀伤寄生虫。Tanaka等[13]发现α-防御素5可作用于寄生虫的细胞质膜,破坏其形态,出现暂时的孔洞，胞质外溢，阻止速殖子的入侵，以达到杀灭寄生虫的目的。汪文博等[14]总结了克罗他啶(CTN)及其CTN片段(15～34)抗肿瘤活性的双重机制，它们优先聚集在细胞膜和细胞核中；随后提出了多种肽摄取途径，包括直接进入和内吞作用，抗菌肽能与参与DNA和蛋白质代谢、细胞周期、信号转导和细胞程序性死亡等过程的蛋白质相互作用，最后导致肿瘤细胞坏死或凋亡。

1.4 免疫调节作用

1.4.1 趋化作用 CHDPs能够激活抗原呈递细胞,增强巨噬细胞的吞噬功能。CHDPs及其从天然CHDPs中提取的小分子合成阳离子肽(IDR)衍生物对嗜酸性粒细胞和中性粒细胞均显示出直接的趋化活性，从而促进中性粒细胞内流。Beaumont等[15]发现LL-37可通过影响体内中性粒细胞的功能来增强肺部铜绿假单胞菌感染的清除。另外Zheng等[16]发现LL-37在丝裂原活化蛋白激酶p38和细胞外信号调节激酶(ERK)的调控下促进IL-8的产生。Hemshekhar等[17]证明了LL-37通过G蛋白偶联受体(GPCR)和JNK-MAPK途径促进趋化因子(如GRO-α和IL-8)的产生和白细胞的募集。Malerba等[18]发现A族链球菌(GAS)感染期间在皮肤中诱导的抗菌肽Hepcidin可以促进角质形成细胞产生趋化因子(CXCL)，并促进中性粒细胞的募集，最终限制或完全阻止GAS感染的全身性扩散。

1.4.2 其他免疫调节作用 CHDPs可激活免疫系统的多种功能，是抑制炎症增强的调节因子，也是机体引发促炎反应的关键因子。Hancock等[19]发现IDR肽可以控制体内的感染并减轻炎症；Wuerth等[20]发现IDR-1002可抑制炎性细胞因子如TNF和IL-6的释放，抑制活性氧(ROS)的产生和中性粒细胞脱颗粒，从而抑制炎症增强；同年Wu等[21]建立炎症性疾病模型，发现IDR-1002可有效控制慢性炎症。Severino等[22]在盲肠结扎和穿刺性脓毒症模型中发现，放线菌素可使小鼠的促炎基因表达量增加，进而提高小鼠的存活率。这些都证明CHDPs可同时发挥抗炎和促炎的作用，这与环境刺激、肽的浓度、细胞和组织类型及其与微环境中的其他因素相互作用有一定关系[23]。

2 CHDPs临床应用

2.1 CHDPs的临床应用现状 近年来，越来越多的CHDPs逐渐进入临床试验，大多数CHDPs已应用于局部感染或作为吸入剂来治疗感染，其中最先进的药物是培西加南(Pexiganan)，它是爪蟾抗菌肽的类似物，已在III期临床试验中作为乳霜用于治疗感染的糖尿病足溃疡，但因与目前治疗药物相比疗效并不优越，并未投产使用。另外通过口服和静脉内途径的CHDPs，已经进行或正在进行少量的临床研究。其中艾塞加南(Iseganan)，一种前列腺素1的类似物，被用作口服溶液治疗口腔黏膜炎，在III期临床试验中并未显示出明显的疗效。当然目前也有肽类药物已经获得批件，其中包括PAC-113，一种在台湾获准上市的组蛋白类似物，用于局部治疗口腔念珠菌感染；达巴文(Dalbavancin BI397)，一种半合成脂糖肽，用于静脉治疗急性皮肤感染；LL-37，一种小阳离子宿主防御肽，用于促进静脉性腿部溃疡快速愈合(表1)。

2.2 CHDPs潜在的临床应用前景 近年来，相关研究证明，医疗器械、假肢关节等医用植入器材表面上细菌形成的生物被膜会导致一系列感染，已成为临床亟待解决的一大难题[33]。生物被膜的根除十分困难，目前临床上主要通过置换手术辅以抗生素进行治疗，但治疗费用昂贵，并给患者造成巨大的痛苦，因此寻找一种安全有效的新型药物或者治疗方法是必要的。CHDPs可通过结合聚苯乙烯覆盖在器材表面，改变细菌生物被膜表面的疏水性，减弱其在器材表面的黏附作用，干扰生物被膜相关信号分子的表达，消除细菌生物被膜内的胞外基质，从而杀死生物被膜内的细菌[34]。Lin等[35]发现合成阳离子抗菌肽 WLBU2在防止细菌附着方面比常用抗菌药黏菌素疗效提高3～8倍。Dutta等[36]发现涂有合成免疫调节肽Mel4的硅水凝胶隐形眼镜可以减少相关的感染和炎症。虽然CHDPs在生物被膜的抑制和清除方面展现出巨大的应用前景，但是目前还没有深入研究其对成熟生物被膜的清除作用以及明确的作用机制。另外，将CHDPs真正用于临床治疗细菌感染形成的生物被膜之前，还需要进行大量临床前试验，以确定最佳的给药剂量和方式。

表1 目前经FDA批准或处于临床试验的CHDPs及其衍生物

此外，抗菌药添加剂的长期使用，严重破坏了动物肠道微生物平衡状态，并且有部分抗菌药在动物体内残留，严重影响了畜产品的卫生质量，危害人类健康。为维护我国动物源性食品安全和公共卫生安全，我国农业农村部发布了自2020年1月1日起，退出除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂品种；自2020年7月1日起，饲料生产企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂(中药类除外)的商品饲料等饲料禁抗的规定。在这种情况下，寻找一种既无抗药性，又无残留等问题的新型饲料添加剂是必要的。CHDPs具有抗菌谱广、效果稳定、无残留、不易产生耐药性、与其他抗菌物质联合有协同作用等优点，另外有研究发现，在饲料中添加CHDPs具有促进生长和提高免疫力的作用[37]，因此CHDPs作为饲料添加剂在动物生产方面具有良好的应用前景。Liao等[38]发现在饲料中添加1%的多肽S100显著提高了凡纳滨对虾的增重(Weight gain，WG)和比生长率(Sustainable growth rate，SGR)，WG增加高达1 176.3倍，SGR增加了0.12%，并改善了抗菌免疫能力和肠道微生物区系结构。Tai等[39]发现鸡饲料中添加重组抗菌肽鱼青素可以提高家鸡的增重，最高可达140.42倍，同时可以提高生产性能及机体免疫应答。Peng等[40]发现β-防御素2(β-defensin 2，rpBD2)作为断奶仔猪的饲料添加剂可以提高仔猪的体重、平均日增重以及平均日采食量，并且降低仔猪断奶后腹泻的发生率。

3 小结与展望

CHDPs因其具有分布广泛、毒性小、功能多样化等优点，目前已成为医药，食品、畜牧、水产养殖等领域研究的热点。目前通过开发非肽类CHDPs模拟化合物，研究其与常规抗生素的协同作用以及联合纳米生物技术等方法，在抑制耐药病原体，减轻慢性炎症，针对特定的癌症等方面取得巨大进展，并且相关药物开发数量也迅速增长。多数多重耐药细菌的耐药机制是抑制抗菌药进入细胞,而CHDPs可以作用于细胞膜，增加细胞质膜的渗透性,使抗菌药渗透到细胞内发挥功能。目前临床上CHDPs与常规抗菌药联合使用的协同作用已被证实，但是联合使用时必须考虑药物的拮抗作用、多重感染以及不良反应等问题。研究表明CHDPs可通过与癌细胞膜相互作用引起细胞裂解死亡，这可能是CHDPs抗癌机制的关键步骤，CHDPs也可通过诱导细胞凋亡来抑制癌细胞的增殖。虽然现在获得市场批准的抗癌CHDPs较少，但CHDPs的特异性、不易产生耐药性等特点使其在代替化疗药物或与实际治疗结合等方面具有巨大潜力。目前以CHDPs为基础的药物开发还面临着很多挑战，尤其是在药代动力学参数、药物制剂种类以及抗菌机制等方面缺少理论基础。因此，开发以CHDPs为基础的药物应与大数据生物信息平台等新型的生物信息学检测技术的方法相结合。随着新型CHDPs研究的不断深入，新技术的快速发展将极大地推进CHDPs药物的筛选和研发工作，同时将为治疗创伤感染，心血管疾病以及癌症等方面带来希望。